Simula le applicazioni di fluidodinamica con il CFD Module

Software di modellazione CFD per flussi monofase e multifase

Per impostare e risolvere modelli per studiare sistemi contenenti campi di moto e campi di moto accoppiati ad altri fenomeni fisici potete affidarvi al CFD Module, un prodotto aggiuntivo alla piattaforma di simulazione COMSOL Multiphysics®. Il CFD Module fornisce strumenti per modellare i capisaldi dell'analisi fluidodinamica, tra cui:

  • Flussi incomprimibili e comprimibili
  • Flussi laminari e turbolenti
  • Flussi monofase e multifase
  • Flusso in mezzi liberi e porosi
  • Flusso di film sottili

Queste capacità sono implementate tramite interfacce strutturate per la CFD, per definire, risolvere e analizzare i problemi di campi di moto dipendenti dal tempo (transitori) e stazionari in 2D, assialsimmetria e 3D. Oltre all'elenco precedente, il CFD Module include funzionalità ad hoc per risolvere problemi come fluidi non-Newtoniani, macchine rotanti e alti numeri di Mach.

La capacità di implementare la multifisica in un modello è importante per le analisi fluidodinamiche. Con il CFD Module, è possibile modellare il trasferimento di calore in solidi o fluidi e i flussi reagenti nello stesso ambiente software. Ulteriori possibilità multifisiche, come l'interazione fluido-struttura, sono disponibili grazie alla combinazione con altri moduli all'interno della suite di prodotti COMSOL®.

Lo sapevi? Un'interfaccia fisica è un'interfaccia utente per un'area fisica specifica che definisce non solo le equazioni, ma anche le impostazioni per generazione di mesh, solutori, visualizzazione e risultati.

Cosa puoi simulare con il CFD Module

Espandendo COMSOL Multiphysics® con il CFD Module, avrete accesso alle funzionalità per simulazioni CFD specifiche oltre alle funzionalità principali della piattaforma software COMSOL Multiphysics®. Tutte le funzionalità elencate di seguito sono implementate tramite interfacce fisiche associate. Quando si definiscono e risolvono questi problemi, il fluido viene modellato di default come incomprimibile, ma può essere modificato in un flusso debolmente comprimibile o completamente comprimibile semplicemente selezionando la voce da un elenco.

Flusso laminare e di Stokes

Le interfacce Laminar Flow e Creeping Flow forniscono le funzionalità per la modellazione di flussi transitori e stazionari a numeri Reynolds relativamente bassi. La viscosità del fluido può dipendere dalla composizione e dalla temperatura locali o da qualsiasi altro campo modellato in combinazione con quello di moto. Per i fluidi non newtoniani, è possibile utilizzare i modelli di reologia predefiniti per la viscosità, come Power Law e Carreau, per configurare facilmente il modello.

In generale densità, viscosità e sorgenti di quantità di moto possono essere funzioni arbitrarie di temperatura, composizione, shear rate e qualsiasi altra variabile dipendente, nonché di derivate delle variabili dipendenti. Queste impostazioni consentono di definire modelli arbitrari per flussi viscoelastici.

Modello di una soluzione di polistirene iniettato attraverso un ugello. Viscosità dipendente dalla velocità di taglio sul flusso di una soluzione di polistirene lineare iniettata attraverso un ugello, simulata usando il modello non newtoniano di Carreau.

Flusso turbolento

Una serie completa di modelli di turbolenza Navier-Stokes con media di Reynolds (RANS) è disponibile nelle corrispondenti interfacce di fluidodinamica nel CFD Module. I seguenti modelli di flusso turbolento sono disponibili per flussi transitori e stazionari:

Modelli a due equazioni

  • Modello k-ε
    Il modello standard k-ε con vincoli di realizzabilità
  • Modello k-ε realizzabile
    Il modello k-ε con coefficienti modificati che soddisfano la realizzabilità
  • Modello k-ω
    Il modello rivisto Wilcox k-ω (1998) con vincoli di realizzabilità
  • Modello SST
    Combinazione del modello k-ε nel flusso libero e del modello k-ω vicino alle pareti
  • Modello k-ε Low-Re
    Modello AKN k-ε, con la possibilità di risolvere il flusso a parete

Ulteriori modelli di equazioni di trasporto

  • Modello Spalart-Allmaras
    Modello a una equazione con correzione rotazionale, sviluppato per applicazioni aerodinamiche
  • modello v2-f
    Estensione del modello k-ε che tiene conto dell'anisotropia della turbolenza, risolvendo le fluttuazioni della velocità normale alla parete

Modelli di turbolenza algebrici

  • Modello Algebric yPlus
    • La viscosità turbolenta viene valutata risolvendo dapprima la distanza della parete in unità viscose, usando il numero di Reynolds basato sulla velocità locale e sulla distanza dimensionale da parete
    • Robusto ed efficiente dal punto di vista computazionale, ma non accurato come altri modelli più sofisticati
  • Modello L-VEL
    • La viscosità turbolenta viene valutata risolvendo dapprima la velocità parallela alla parete in unità viscose, usando il numero di Reynolds in base alla velocità locale e alla distanza dimensionale dalla parete
    • Robusto ed efficiente dal punto di vista computazionale, ma non accurato come altri modelli più sofisticati

Trattamento di parete

Potete combinare le interfacce flusso turbolento con diversi tipi di trattamenti parete:

  • Leggi di parete
    • Robusto e applicabile per mesh lasche
    • Precisione limitata
    • Pareti lisce e ruvide
    • Supportato da k-ε, Realizzabile k-ε e k-ω
  • Trattamento Low Reynolds number
    • Risolve il flusso fino a pareti
    • Accurato
    • Richiede una mesh fine
    • Supportato da tutti i modelli di turbolenza tranne il k-ε standard e il k-ε realizzabile
  • Trattamento automatico delle pareti
    • Passa dalle funzioni low-Re treatment alle leggi di parete
    • Accurata secondo la risoluzione mesh locale
    • Eredita la robustezza fornita dalle leggi di parete
    • Predefinito per tutti i modelli di turbolenza tranne k-ε standard e k-ε realizzabile

Modelli di turbolenza definiti dall'utente

Potete modificare o estendere le equazioni del modello direttamente nell'interfaccia grafica (GUI) per creare modelli di turbolenza non ancora inclusi.

Modello di flusso turbolento in un tubo a gomito. La funzionalità per il trattamento automatico delle pareti utilizza un approccio Low Re per le superfici ad alta risoluzione nel modello (blu); passa alle funzioni di parete (rosso) sui contorni in cui non è richiesta un'alta precisione (sezioni diritte).

Flusso di film sottile

Per descrivere i flussi in domini sottili, come i film sottili di olio tra parti meccaniche in movimento o strutture con fratture, il CFD Module fornisce l'interfaccia Thin Film Flow, Shell. Questa formulazione viene in genere utilizzata per modellare la lubrificazione, l'elastoidrodinamica o gli effetti dello smorzamento dei fluidi tra le parti in movimento a causa della presenza di gas o liquidi (ad esempio, nei MEMS).

L'interfaccia Thin Film Flow, Shell formula e risolve l'equazione di Reynolds per il flusso in strutture sottili e formula i bilanci di massa e di momento utilizzando una funzione per il flusso mediato sullo spessore della struttura sottile: non è quindi necessaria una mesh che risolva lo spessore. Questa funzionalità aiuta a evitare problemi di meshing attraverso il gap e permette un risparmio di tempo computazionale.

Esempio di modellazione di film sottile in un cuscinetto con pattino inclinato. Pressione e flusso in un film liquido sottile all'interno di un cuscinetto a pattino inclinato. La deformazione della struttura solida dovuta al flusso e alla pressione viene mostrata moltiplicata per un fattore di circa 4000.

Flussi multifase

In sistemi di flusso multifase separati, è possibile utilizzare metodi di rilevamento della superficie per modellare e simulare in dettaglio il comportamento di bolle e goccioline, nonché di superfici libere. Per tali casi, la forma dell'interfaccia di fase può essere descritta nel dettaglio, inclusi gli effetti di tensione superficiale, usando tecniche di localizzazione della superficie per flussi multifase separati. Quando bolle, goccioline o particelle sono piccole rispetto al dominio computazionale e ne esiste un gran numero, è possibile utilizzare modelli di flusso multifase dispersi. Questi modelli tengono traccia della frazione di massa delle diverse fasi e dell'influenza che le bolle, le goccioline o le particelle disperse hanno sul trasferimento di quantità di moto nel fluido in un senso mediato. I seguenti modelli di flusso separato e disperso sono disponibili per flussi transienti e stazionari:

Modelli multifase per flussi separati

  • Metodo Level Set
    • Utilizzato per flussi laminari e turbolenti
    • Mesh refinement adattivo per risolvere l'interfaccia fra le fasi
    • Consente di tracciare superfici liquide libere a contatto con gas in flussi monofase
  • Metodo Phase Field
    • Utilizzato per flussi laminari e turbolenti
    • Modello di flusso trifase disponibile per flussi laminari
    • Mesh Refinement adattivo per risolvere il confine di fase tra fasi
    • Tracciare superfici liquide libere a contatto con gas in flussi monofase

Modelli di flussi multifase dispersi

  • Modello Bubbly Flow
    • Utilizzato per flussi laminari e turbolenti
    • Utilizzato per una frazione di volume relativamente piccola (<0,1) di bolle di gas disperse nei liquidi
    • Suppone che le bolle non accelerino rispetto al liquido continuo (equilibrio)
    • Robusto e leggero dal punto di vista computazionale
  • Mixture Model
    • Simile al modello di flusso con bolle, ma più generico
    • Descrive con precisione le bolle in liquidi, emulsioni liquido-liquido, aerosol e particelle solide sospese nei liquidi, a condizione che l'accelerazione della fase dispersa rispetto alla fase continua possa essere trascurata (equilibrio)
    • Più dispendioso dal punto di vista computazionale rispetto al modello di flusso con bolle, ma ancora relativamente economico
  • Modello Eulero-Eulero
    • Utilizzato per flussi laminari e turbolenti
    • Il modello più generale tra quelli a flusso multifase disperso
    • Può essere utilizzato per affrontare flussi con bolle, emulsioni, sospensioni liquide, aerosol e particelle solide sospese nei gas
    • Le applicazioni tipiche vanno dai gas di lavaggio con liquidi alla modellazione di letti fluidizzati
    • Il più dispendioso dal punto di vista computazionale
Modellazione di un flusso trifase con COMSOL Multiphysics e il CFD Module.

Un problema di flusso trifase separato viene modellato utilizzando l'interfaccia Three-Phase Flow, Phase Field.

Flusso in mezzi porosi

Il CFD Module semplifica la simulazione dei flussi nei mezzi porosi utilizzando tre diversi modelli.

Modelli di flussi in mezzi porosi

  • Legge di Darcy
    • Descrizione di flussi in strutture porose robusta e poco dispendiosa dal punto di vista computazionale
    • Disponibile per flusso bifase
  • Equazioni di Brinkman
    • Estensione della legge di Darcy che tiene conto della dissipazione di energia cinetica dovuta agli stress viscosi
    • Rilevante per strutture con elevata porosità
    • Più generale dell'interfaccia Darcy's Law, e quindi più dispendiosa computazionalmente
  • Flusso in mezzi liberi e porosi
    • Accoppia flussi in mezzi porosi con flussi laminari o turbolenti in mezzi liberi
    • Formula le equazioni di Brinkman per il dominio poroso e le equazioni di flusso laminare o turbolento per la parte non porosa

Flussi ad alti numeri di Mach

È possibile modellare flussi transonici e supersonici di fluidi comprimibili, sia in regime laminare che turbolento. Il modello laminare si utilizza in genere per i sistemi a bassa pressione e definisce automaticamente le equazioni per il momento, la massa e il bilancio energetico per i gas ideali. L'interfaccia per flussi ad alti numeri di Mach è disponibile per i modelli di turbolenza k-ε e Spalart-Allmaras.

Il software COMSOL® formula automaticamente l'equazione dell'energia accoppiata alle equazioni del momento e del bilancio di massa per i gas ideali. In entrambi i casi, quando si collegano questi modelli, il refinement automatico della mesh risolve le onde di shock infittendo nelle regioni con gradienti di velocità e pressione molto elevati.

Modellazione di flussi a numeri di Mach elevati utilizzando COMSOL Multiphysics e il CFD Module. Onde d'urto nel campo di velocità del flusso supersonico a valle di un eiettore, modellati utilizzando un'interfaccia per il flusso turbolento per numeri di Mach elevati.

Fluidodinamica in macchine rotanti

Le macchine rotanti, come miscelatori e pompe, sono comuni nei processi e nelle apparecchiature di interesse fluidodinamico. Il CFD Module fornisce interfacce per macchine rotanti che formulano le equazioni della fluidodinamica nel sistema di riferimento rotante e sono disponibili per flussi laminari e turbolenti monofase. È possibile impostare e risolvere i problemi utilizzando la descrizione completa dipendente dal tempo del sistema rotante, oppure utilizzare un approccio mediato basato sull'approssimazione di Frozen Rotor. Questa funzionalità è poco dispendiosa dal punto di vista computazionale e può essere utilizzata per stimare velocità medie, variazioni di pressione, livelli di miscelazione, temperatura media, distribuzioni di concentrazione e altro ancora.

In generale, il CFD Module può risolvere anche i problemi di moti fluidi su qualsiasi sistema in moto, non solo su quelli rotanti. È possibile utilizzare sistemi di riferimento mobili per risolvere un problema in cui una struttura scorre rispetto a un'altra struttura con un flusso all'interno, cosa semplice da configurare e risolvere utilizzando una mesh mobile.

Modellazione fluidodinamica in macchine rotanti con il software COMSOL. Campi di moto e di pressione in una pompa centrifuga modellata con un flusso turbolento in macchine rotanti.

Creazione di modelli multifisici del mondo reale

In molti casi, i modelli fluidodinamici sono accoppiati ad altri fenomeni, come trasferimento di calore, meccanica strutturale, reazioni chimiche o campi elettromagnetici per modellare flussi elettrocinetici e magnetoidrodinamica. La modellazione di fenomeni multifisici in COMSOL Multiphysics® non è diversa dalla simulazione di un problema in singola fisica, poiché il CFD Module fornisce interfacce multifisiche pronte per gli accoppiamenti più frequenti.

Il CFD Module fornisce un'interfaccia fisica dedicata per la definizione di modelli di trasferimento di calore nei fluidi e nei solidi accoppiati a un campo di moto nei domini fluidi. Questi tipi di modelli sono indicati come modelli di scambio termico coniugato, il che implica che le equazioni della fluidodinamica sono definite e risolte nel dominio del fluido, mentre le equazioni di trasferimento di calore sono formulate e risolte sia nei domini solidi che in quelli fluidi.

Per flussi laminari e modelli di turbolenza che utilizzano il trattamento a parete di tipo Low Reynolds, la temperatura è continua all'interfaccia fra solido e fluido, il che rappresenta l'impostazione predefinita nelle interfacce di flusso non isotermo. Per simulare il trasferimento di calore coniugato turbolento mediante modelli di turbolenza che utilizzano funzioni di parete, l'interfaccia Nonisothermal Flow definisce automaticamente le leggi di parete termiche.

Le opzioni di formulazioni low-Re e leggi di parete termiche rendono molto semplice definire e risolvere problemi di scambio termico coniugato in combinazione con flussi turbolenti.

 

Con l'aggiunta dello Structural Mechanics Module, i problemi di interazione fluido-struttura (FSI) possono essere impostati e risolti per flussi laminari e turbolenti. Nel CFD Module sono disponibili due opzioni FSI:

  1. Accoppiamento FSI unidirezionale, in cui il flusso crea un carico su una struttura, ma le deformazioni sono sufficientemente piccole per poter trascurare la loro influenza sul flusso
  2. Accoppiamento FSI bidirezionale, in cui il flusso crea carichi su una struttura, le deformazioni sono importanti e influenzano il flusso cambiando la forma del dominio in cui vive.

L'accoppiamento bidirezionale definisce un problema di mesh mobile nel dominio del fluido. Gli spostamenti delle superfici solido-fluido sono determinati dall'equilibrio delle forze esercitate dal fluido e delle forze contrarie esercitate dalla struttura solida che si deforma. È possibile studiare sistemi stazionari e tempo-dipendenti per problemi FSI mono o bidirezionali per flussi laminari e turbolenti.

 

È possibile utilizzare il CFD Module per modellare sistemi reagenti sia per flussi turbolenti che laminari. Ciò consente lo studio e la progettazione di reattori, miscelatori e qualsiasi altro sistema in cui si verificano reazioni chimiche e trasporto. Le interfacce di flusso reagente sono in grado di descrivere il trasporto multicomponente di miscele diluite e concentrate. Per soluzioni concentrate viene utilizzato il modello mixture-averaged per il trasporto multicomponente.

Le equazioni complete per il trasporto multicomponente di Maxwell-Stefan sono disponibili in combinazione con il Chemical Reaction Engineering Module. Per i flussi reagenti turbolenti, si utilizza il modello Eddy dissipation per descrivere le fluttuazioni di turbolenza nei termini di reazione per soluzioni diluite e concentrate. Per simulare il trasporto multicomponente di miscele concentrate, anche il termine Stefan viene automaticamente preso in considerazione, per esempio, per le reazioni che avvengono sui contorni.

Esempio di modellazione di flussi reattivi utilizzando il software COMSOL.

Le superfici di isoconcentrazione di un reagente in un reattore di iniezione multijet sono modellate utilizzando l'interfaccia Turbulent Reacting Flow.

Il Mixer Module espande le capacità del CFD Module aggiungendo interfacce per flussi multifase e superfici libere in macchine rotanti. Inoltre, è possibile accedere a una libreria delle parti per giranti e serbatoi per semplificare la creazione della geometria. Entrambe queste funzionalità sono adatte per i processi di modellazione nell'industria farmaceutica e alimentare.

Esempio di mixer modellati con il software COMSOL. Un miscelatore dotato di tre giranti è modellato per mostrare il campo di moto e la forma della superficie libera.

Le interfacce di flusso multifase per flussi dispersi nel CFD Module trattano la fase dispersa come un campo in cui la frazione di volume è una variabile del modello. In combinazione con il Particle Tracing Module, è possibile utilizzare il CFD Module per modellare flussi multifase Eulero-Lagrange, in cui particelle o goccioline sono modellate come particelle rigide. Con particelle rigide modellate separatamente, l'interazione tra il fluido e le particelle è bidirezionale, cioè le particelle stesse influenzano il campo di velocità. Inoltre, i modelli Eulero-Lagrange sono computazionalmente vantaggiosi quando si studia una frazione volumetrica di particelle relativamente piccola.

 

Il Pipe Flow Module definisce i modelli per reti di tubazioni e canali in cui le equazioni della fluidodinamica possono essere risolte lungo linee rette e curve. Combinando questo prodotto con il CFD Module, è possibile creare simulazioni ad alta fedeltà che includono condotte e canali che si collegano a domini di fluido 2D o 3D con flussi incomprimibili, debolmente comprimibili, non isotermi e reattivi.

Funzionalità generale adattata per risolvere problemi CFD

Quando si crea una simulazione in COMSOL Multiphysics®, si segue un flusso di lavoro coerente in tutti i moduli aggiuntivi. Il CFD Module offre funzionalità specializzate per le simulazioni di fluidodinamica per massimizzare le prestazioni e la precisione necessarie per un'analisi CFD. Ecco alcune delle funzionalità specifiche per la CFD:

Geometria

Si possono generare domini di flusso, per esempio domini esterni, attorno a geometrie CAD importate. È possibile rimuovere automaticamente o manualmente dettagli inclusi in una rappresentazione CAD che non sono rilevanti per il campo di moto.

Materiali

Il CFD Module include una Material Library con i gas e i liquidi più comuni. In combinazione con il Chemical Reaction Engineering Module, è anche possibile accedere a descrizioni generiche relative alle proprietà fisiche dei gas (come viscosità, densità, diffusività e conducibilità termica).

Mesh

La funzionalità mesh controllata dalla fisica nel CFD Module tiene conto delle condizioni al contorno nei problemi di CFD al fine di calcolare soluzioni accurate. Una mesh di strato limite viene generata automaticamente per risolvere i gradienti di velocità che di solito si presentano sulle superfici in cui vengono applicate condizioni di parete.

Discretizzazione

Le interfacce descrittive del moto dei fluidi utilizzano un metodo di Galerkin ai minimi quadrati per discretizzare le equazioni di flusso e generare il modello numerico nello spazio (2D, 2D asimmetrico e 3D). La funzione di test è progettata per stabilizzare i termini iperbolici e il termine di pressione nelle equazioni di trasporto. Tecniche di cattura degli shock riducono ulteriormente le oscillazioni spurie. Inoltre, formulazioni di Galerkin discontinue vengono utilizzate per conservare momento, massa ed energia sulle frontiere interne ed esterne.

Solutori

Le equazioni della fluidodinamica sono in genere altamente non lineari. Per risolvere le equazioni del modello numerico, le impostazioni del solutore automatico selezionano un metodo di Newton smorzato adeguato. Per problemi di grandi dimensioni, le iterazioni lineari nel metodo di Newton sono accelerate da metodi multigrid algebrici o geometrici progettati in modo specifico per i problemi di trasporto.

Per i problemi transitori, le tecniche di time-stepping con time stepping automatico e ordini polinomiali automatici vengono utilizzate per risolvere i campi di velocità e pressione con la massima precisione possibile, in combinazione con i solutori non lineari menzionati sopra.

Postprocessing

Le interfacce di fluidodinamica generano diversi grafici di default per analizzare i campi di velocità e pressione. Esiste un vasto elenco di valori derivati e variabili facilmente accessibili per estrarre risultati analitici.

Esempio di mesh di un modello CFD. Un modello di benchmark per la CFD: l'Ahmed body. La mesh dello strato limite sulle superfici di parete è evidenziata in blu.
Modello di gocciolina di un getto d'inchiostro che utilizza il refinement adattativo della mesh. Mesh refinement adattativo nel tempo. L'interfaccia di fase attorno a una gocciolina a getto d'inchiostro (isosuperficie grigia) e nel percorso immediato proiettato della gocciolina sono discretizzati più finemente con una mesh più fitta per ottenere un netto confine di fase tra la goccia e l'aria.

Costruisci app di simulazione per simulazioni semplificate di CFD

È possibile creare interfacce utente di qualsiasi modello esistente utilizzando l'Application Builder, incluso in COMSOL Multiphysics®. Questo strumento consente di creare app per scopi molto specifici con input e output ben definiti. Le app possono essere utilizzate per molti scopi diversi:

  • Automatizzare attività complesse e ripetitive che possono essere collegate a un singolo comando registrando le operazioni della GUI, per esempio sequenze parametriche non banali che possono essere difficili da riprodurre senza errori
  • Creare e aggiornare report da un grande numero di simulazioni parametriche in base a routine specifiche per garantire le migliori riproducibilità e qualità possibili
  • Fornire interfacce user-friendly per modelli specifici, per consentire ai non esperti di modellazione e simulazione di beneficiare dei vantaggi nei termini di comprensione e ottimizzazione
  • Ampliare l'accesso ai modelli all'interno di un'organizzazione, per massimizzare il ritorno dell'investimento grazie allo sviluppo e alla progettazione guidati dalla simulazione
  • Ottenere un vantaggio competitivo, consentendo ai vostri clienti di ottenere la migliore soluzione possibile per quanto riguarda la selezione dei prodotti, sulla base di modelli ad alta fedeltà incorporati in app user-friendly fornite da voi.
Esempio di app per simulare bacini per il trattamento delle acque. L'app Water Treatment Basin dimostra l'uso di sequenze di geometrie parametriche e di selezioni cumulative per la definizione automatica delle condizioni al contorno; mostra anche la costruzione di interfacce grafiche utente per app su misura di facile utilizzo.

Il prossimo passo?
Richiedi una Dimostrazione
del Software

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.