COMSOL-CFD-流体研究技术介绍

仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation中仿科技April16,2013COMSOLMultiphysics流体分析技术介绍安琳(LynnAn)仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOL流体分析•一般流动–NS方程、欧拉方程–势流方程、伯努力方程–大长径比管道系统的降维度求解•多孔介质流动（渗流）–达西定律、布林克曼方程、理查德方程•稀薄气体流动–滑移边界修正–格子波尔兹曼法–角系数法•使用有限元法求解连续介质假设非连续介质仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOLMultiphysics4.3a仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流体分析的有限元和有限体积法•有限元法（FEM）–离散格式丰富–高阶导数离散精度高–低速粘性流动和非牛顿流求解精度高–擅长流固耦合、气动噪声等问题•有限体积法（FVM）–继承了FEM离散格式丰富的优点–比有限元简单的多–守恒性好–被大多CFD商软所采用应用于除粒子追踪模块（离散元）以外的所有COMSOL模块应用于COMSOL的等离子体模块和半导体模块(V4.3b)我们将在未来的版本中将FVM拓展至CFD模块仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation层流和微流体大长径比管道流动湍流分析高超音速流动离散两相流均质两相流多孔介质流动（渗流）流体中颗粒追踪稀薄气体流动和自由分子流流固耦合COMSOL流体分析功能概括仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流体分析基于连续介质力学假设的仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCFD模块的单相流动仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation单相流－层流•层流–可用于不可压缩或者可压缩流体–流体马赫数小于等于0.3•非牛顿流体–幂律定律（Powerlaw）–卡拉雷定律（Carreau）–支持用户完全自定义本构–流体黏度具有记忆性•通用Maxwell•Oldroyd-Bmodel•Stokes流／蠕动流–Re1非牛顿流：番茄酱倾倒仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation单相流－湍流•雷诺平均Navier-Stokes(RANS)–求解平均速度与压强–支持多种湍流粘度模型–用于弱可压缩流动•二方程模型–k-e–k-w–LowRek-w•一方程模型–SpalartAllamras仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation湍流模型适用性分析•k-wandk-eturbulencemodel–Flownotresolveddowntothewall;wallfunctionsareusedtoaccountforwallbehavior•LowRek-eturbulencemodel–Equationsaremodifiedtodampturbulentviscosityclosetothewall–Solvesforflowrightuptothewall;alllayersresolved•Spalart-Allmarasmodel–1-eqnmodel–Nowallfunctions;LowRemodelAdvantagesDisadvantagesRobust,reasonablyaccurateforavarietyofflows;widelyusedwithlotofbenchmarkingdataSwirlingandrotatingflows,severepressuregradientsEconomical(1-eq.);Accurateforexternalflows,wall-boundedflows,flowswithmildseparationCan’thandlefreeshearflows,flowswithstrongseparation,non-equilibriumturbulence仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation•刚体移动或旋转–旋转网格(ALE)–固定网格(frozenrotor)•支持层流和湍流分析单相流－旋转机械仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation管道流体分析Coolingofaplasticmoldofasteeringwheel–includingpipeflowincoolingchannels.•3D或2D管道网络中的1D流体分析•内建摩擦系数相关效应–自动适配层流或湍流模型–牛顿或非牛顿流体（含Binghamplastic流动）–支持多种管道截面–内建多种配件、阀门、泵的模型可供选择•管道与3D结构耦合仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation多相流分析仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation分散流动StartupofafluidizedbedmodeledusingtheEuler-EulerModelInterface•典型应用–气泡流、泥浆、悬浮液、流化床•对每个相求解平均NS方程–欧拉－欧拉模型–气泡流模型–混合物模型（欧拉－拉格朗日）仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation分离流动•精确追踪相界面–气泡或者液滴的形成、摇晃的水槽–油／水／气混合分离流动•功能模式–水平集法(LevelSetMethod)–相场法(PhaseFieldMethod)–移动网格法•网格要足够小以保证质量守恒仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流体相关的多物理分析仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation非等温流动分析•预定义的功能模式–流体和固体求解域自动耦合–支持层流和湍流–湍流热导率•考虑辐射的作用•自动支持双向耦合•材料属性可以同时和压力与温度相关Flowandheattransferanalysisinthemetalstructureandcoolingchannelsinaturbinestator仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation反应流分析•多组分溶质运移–Fickean和混合物平均公式–可考虑电场作用下极化物质的迁移–支持自由流动或者多孔介质中的物质运移–支持湍流混合•流体的密度和粘度可与组份浓度分布相关Turbulentreactingflowinamulti-jetreactorinapolymerizationprocess.仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流体中的粒子追踪•流体中宏观粒子的轨迹追踪•支持添加自定义扶助变量，分析粒子的质量变化、温度变化以及自旋。•更多功能详见粒子追踪模块–微观粒子的布朗扩散等–粒子间相互作用–带电粒子迁移运动仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流固耦合（FSI）•流体流动与固体力学耦合分析–支持层流和湍流–精确分析边界应力–全耦合FSI分析（大变形）–单向耦合FSI2013年5月14日流固耦合专题Webinar仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation高马赫数流动分析•高马赫数流动–支持层流和湍流–任意马赫数的全可压缩流体分析–考虑分子扩散（非欧拉流动）•高马赫数情况下的非等温流动–增加了数值稳定性–入口和出口做了针对性处理–伪时间步求解Turbulentcompressibleflowinatwo-dimensionalSajbendiffuser.Theflowreachessonicconditionsatthethroatofthediffuser,terminatingwithashockinthedivergingsection.仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation无限可能的多物理分析典型的多物理耦合•流热分析：强制对流或者自然对流•对流传质（传热）：化学扩散的三传一反问题•流固耦合（FSI）•流体与电磁场：电泳和磁流体•任何你能想到的仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation稀薄流体动力学不满足连续介质力学假设的仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation稀薄效应•什么时候会发生稀薄效应–低压、低密度气体–高空飞行器：航空航天–小物体尺度：大气溶胶、MEMS系统•稀薄效应的表现（尺度效应、表面效应）–表面力–面容比（表面积与体积之比）–梯度参数效应–流体极性稀薄气体传热•卫星存留时间•飞行器热环境•飞行器再入大气层•MEMS器件性能仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation连续介质假设•流体微团•分子自由程流体微团尺度特征尺度•N-S方程–连续性方程（质量守恒）–运动方程–本构方程•牛顿流•非牛顿流（幂律定律、卡拉雷定律）典型不满足连续介质假设•稀薄气体•高超飞行器仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation气体偏离连续介质的程度•无量纲参数KnKn＝l/H平均自由程流动特征尺寸理想气体处于平衡态时：l=12pd2n=kT2pd2pKn越大，气体越稀薄仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation稀薄流动分析方法COMSOLMultiphysics仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation•Kn0:Euler方程（忽略分子扩散）•Kn=10-3:连续介质区，无滑移边界的NS方程及Fourier热传导定律•10-3=Kn=10-1