Aggiornamenti del CFD Module

Agli utenti del CFD Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.2a offre una nuova opzione per velocizzare i calcoli di alcune simulazioni di flussi non isotermi, la capacità di tener conto della gravità in applicazioni di fluidodinamica computazionale (CFD), la possibilità di utilizzare l'approssimazione di Boussinesq per modellare il flusso incomprimibile non isotermo e altro ancora. Gli aggiornamenti del CFD Module sono descritti nei dettagli qui di seguito.

Opzione Weakly compressible flow

La nuova opzione Weakly compressible flow per Compressibility può essere utilizzata per il flusso non isotermo quando le variazioni di densità rispetto alla pressione sono trascurabili. Questo accade nella maggior parte dei flussi a numeri di Mach inferiori a 0,3. Il vantaggio di questa opzione rispetto a Compressible flow (Ma < 0.3) è che le onde di pressione, che viaggiano alla velocità del suono, non devono essere risolte nelle simulazioni dipendenti dal tempo. Questo permette l'uso di un passo temporale più grande, che conseguentemente accelera i calcoli.

Problema di benchmark di ventilazione risolto con la nuova opzione Weakly compressible flow. Il grafico mostra la temperatura (K) sulle isosuperfici, sulle superfici e sulle linee di flusso per il campo di velocità. Problema di benchmark di ventilazione risolto con la nuova opzione Weakly compressible flow. Il grafico mostra la temperatura (K) sulle isosuperfici, sulle superfici e sulle linee di flusso per il campo di velocità.
Problema di benchmark di ventilazione risolto con la nuova opzione Weakly compressible flow. Il grafico mostra la temperatura (K) sulle isosuperfici, sulle superfici e sulle linee di flusso per il campo di velocità.

Per l'opzione Incompressible flow, vengono utilizzati i valori Reference e per definire le proprietà del fluido, ad esempio e . Per la nuova opzione Weakly compressible, le proprietà del fluido sono funzioni della temperatura (preferibilmente presa da un'interfaccia di scambio termico), ma non della pressione. Quindi, e . Per l'opzione Compressible flow (Ma<0.3), vengono utilizzate entrambe e per valutare le proprietà del fluido. La notazione (Ma < 0.3) indica che la stabilizzazione e le condizioni al contorno potrebbero non essere adatte a numeri di Mach superiori, anche se viene risolto il modulo completamente comprimibile delle equazioni di continuità, quantità di moto ed energia.

Percorso della Application Library con esempi che utilizzano l'opzione Weakly compressible flow quando si sceglie Compressibility nelle interfacce Flow:
Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/heat_exchanger_ni
CFD_Module/Non-Isothermal_Flow/displacement_ventilation

Nuova proprietà e funzione Gravity

La proprietà Gravity è ora disponibile per le interfacce Single-Phase Flow e Non-Isothermal Flow. Quando si seleziona la casella di controllo Include gravity, una forza volumetrica pari a viene aggiunta a tutti i domini in cui è attiva l'interfaccia di flusso fluido e la struttura del modello visualizza una funzione Gravity. La proprietà Gravity aggiunge un'opzione per compensare la pressione idrostatica quando si specifica una condizione al contorno di pressione, ad esempio una condizione Outlet, Open Boundary o Boundary Stress.

È data la possibilità di definire una posizione di riferimento che indica l'origine dei valori di riferimento per la pressione e la temperatura. La posizione di riferimento è utilizzata per le condizioni al contorno, per compensare la pressione idrostatica. Ad esempio, quando è selezionata l'opzione per compensare la pressione idrostatica per un contorno Outlet, viene aggiunta alla pressione definita dall'utente all'uscita una distribuzione di pressione uguale a . Questa compensazione è esatta per un flusso incomprimibile, mentre per le altre due opzioni di compressibilità rappresenta una buona approssimazione del profilo di pressione sull'uscita. Inoltre, esiste un'opzione per usare la pressione ridotta, ad esempio, per includere automaticamente la pressione idrostatica nella definizione della variabile dipendente per la pressione.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza l'opzione Include gravity nell'interfaccia Laminar Flow: CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/gravity_tutorial

 
Simulazione di una corrente con gravità con blocco-sblocco generata da una discontinuità di salinità.

Approssimazione di Boussinesq nel flusso non isotermo

Quando si simula un flusso non isotermo incomprimibile utilizzando un materiale con un determinato coefficiente di dilatazione termica, viene aggiunta automaticamente una forza di galleggiamento con una dipendenza lineare dalla temperatura, mentre tutte le proprietà fluide (ad esempio, densità, viscosità e conducibilità termica) rimangono costanti. Questo è un approccio di modellazione comune per le applicazioni di flusso non isotermo denominato approssimazione di Boussinesq. Come alternativa a dover specificare il punto di linearizzazione utilizzando un materiale precostituito, è possibile definire la densità di riferimento e il coefficiente di dilatazione termica manualmente nell'interfaccia Non-Isothermal Flow Multiphysics.

Temperatura (in alto) e modulo di velocità (in basso) per la convezione tra piastre parallele riscaldate dal basso, simulate con l'approssimazione di Boussinesq. Temperatura (in alto) e modulo di velocità (in basso) per la convezione tra piastre parallele riscaldate dal basso, simulate con l'approssimazione di Boussinesq.
Temperatura (in alto) e modulo di velocità (in basso) per la convezione tra piastre parallele riscaldate dal basso, simulate con l'approssimazione di Boussinesq.

Swirl flow per la funzione Fan

È ora possibile selezionare l'opzione Swirl flow come direzione di flusso all'ingresso. Il turbinio sul lato a valle della ventola è determinato dall'impostazione della velocità di rotazione e dal rapporto di vorticosità, definito dalla velocità angolare del flusso rispetto a quella delle palette.

Il turbinio generato sul lato a valle di una ventola posizionata all'ingresso di un condotto. Il turbinio generato sul lato a valle di una ventola posizionata all'ingresso di un condotto.
Il turbinio generato sul lato a valle di una ventola posizionata all'ingresso di un condotto.

Funzione secondaria Pressure Work ora disponibile per lo scambio termico in mezzi porosi

La temperatura della parte fluida di un mezzo poroso può essere influenzata dai cambiamenti di pressione. Per riflettere questa condizione nei modelli, la funzione Pressure Work è stata aggiornata con il supporto di mezzi porosi oltre al flusso libero ed è ora disponibile come funzionalità secondaria del nodo Porous Medium.

Nuova interfaccia multifisica Reacting Flow

Per migliorare lo studio della fluidodinamica e delle reazioni in gas e liquidi, la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow combina le interfacce Single-Phase Flow e Transport of Concentrated Species. Precedentemente disponibile come interfaccia stand-alone, la nuova interfaccia Reacting Flow offre un controllo migliore delle impostazioni in ogni interfaccia fisica così come negli accoppiamenti multifisici tra loro.

Utilizzando il nuovo accoppiamento Reacting Flow, è stato migliorato molto il processo di soluzione separato o contemporaneo delle interfacce accoppiate. Questo è importante per il flusso reagente al fine di generare le condizioni iniziali ideali o per verificare come l'accoppiamento influenza i risultati. L'interfaccia multifisica Reacting Flow supporta flussi reagenti laminari e turbolenti, così come il flusso e le reazioni in mezzi porosi.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow: Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_withMass_and_Heat_Transfer/roundjet_burner

Nuova funzionalità in Transport of Concentrated Species: Porous Media Transport Properties

La nuova funzione Porous Media Transport Properties consente di studiare il trasporto multicomponente in una soluzione che scorre in un mezzo poroso. La nuova funzionalità include i modelli per calcolare le proprietà di trasporto efficace che dipendono dalla porosità del materiale, in combinazione con il trasporto in miscele concentrate.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza la nuova funzione Porous Media Transport Properties nell'interfaccia Transport of Concentrated Species: Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Porous_Catalysts/carbon_deposition

La distribuzione della porosità in un reattore per la decomposizione termica del metano su un catalizzatore solido Ni-Al2O3 è oggetto di studio con la funzione Porous Media Transport Properties. La porosità diminuisce via via che si forma fuliggine nella reazione di decomposizione. La distribuzione della porosità in un reattore per la decomposizione termica del metano su un catalizzatore solido Ni-Al2O3 è oggetto di studio con la funzione Porous Media Transport Properties. La porosità diminuisce via via che si forma fuliggine nella reazione di decomposizione.
La distribuzione della porosità in un reattore per la decomposizione termica del metano su un catalizzatore solido Ni-Al2O3 è oggetto di studio con la funzione Porous Media Transport Properties. La porosità diminuisce via via che si forma fuliggine nella reazione di decomposizione.

Pseudo time-stepping nell'interfaccia Transport of Concentrated Species

La nuova funzionalità per l'interfaccia Transport of Concentrated Species migliora sensibilmente la velocità di convergenza dei solutori di studi stazionari. È utile soprattutto quando il flusso della specie è dominato dall'avvezione (numero di Péclet grande), ad esempio nei flussi reagenti di tipo turbolento.