Aggiornamenti del CFD Module

Agli utenti del CFD Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre il nuovo modello di turbolenza v2-f per le simulazioni su superfici curve, un solutore multigrid algebrico (AMG) che agevola notevolmente la risoluzione di simulazioni CFD e un trattamento automatico del flusso a parete per un'alta precisione nei flussi turbolenti. Tutti gli aggiornamenti del CFD Module sono descritti in dettaglio di qui seguito.

Nuova interfaccia di fluidodinamica per il modello di turbolenza v2-f

Il modello di turbolenza v2-f, un'estensione del modello di turbolenza k-ε, offre soluzioni molto accurate per i flussi che presentano forti anisotropie nella turbolenza. Un esempio d'uso ideale per questo modello di turbolenza è il caso di un flusso su superfici curve, come nel separatore ciclonico dell'immagine. Questo modello registra correttamente il campo di moto, compreso il vortice libero, difficile di per sé nelle simulazioni cicloniche e quasi impossibile da eseguire con i modelli di turbolenza standard a due equazioni.

Separatore ciclonico modellato con il modello di turbolenza v2-f e separatore ciclonico modellato con il CFD Module Linee di flusso e campo di pressione (a sinistra) e nucleo del vortice (a destra) nel modello di flusso in un separatore ciclonico. Linee di flusso e campo di pressione (a sinistra) e nucleo del vortice (a destra) nel modello di flusso in un separatore ciclonico.

Link dell'Application Gallery:
Flow in a Hydrocyclone

Trattamento automatico del flusso a parete in turbolenza

La nuova funzionalità per i flussi turbolenti consente, durante la soluzione, di passare automaticamente da una formulazione di modello di turbolenza a basso numero di Reynolds alle funzioni di parete. Questa funzionalità è disponibile e selezionata come impostazione predefinita per i seguenti modelli di turbolenza: Algebraic yPlus, L-VEL, k-ω, SST, Low Reynolds number k-ω, Spalart Allmaras e v2-f.

Se la risoluzione della mesh vicino alla parete è adeguata, viene utilizzata una formulazione a basso numero di Reynolds. Tuttavia, quando la mesh è molto rada, vengono utilizzate automaticamente le funzioni di parete con il modello di turbolenza selezionato. Il passaggio tra le due può avvenire nello stesso modello. La funzionalità per il trattamento automatico delle pareti per flussi turbolenti assicura la precisione consentita dalla risoluzione della mesh, mantenendo nello stesso tempo la robustezza fornita dalle funzioni di parete.

Modello che dimostra la funzionalità di trattamento automatico delle pareti La risoluzione della mesh della parete in unità adimensionali viscose (in questa figura, legenda di colore Aurora Borealis) determina la funzionalità per il trattamento automatico delle pareti - una formulazione del modello di turbolenza a basso numero di Reynolds o una funzione di parete. Minore è il valore delle unità adimensionali viscose, maggiore è l'accuratezza della risoluzione della mesh a parete e la sua applicabilità per l'utilizzo di una formulazione di modello di turbolenza a basso numero di Reynolds. La risoluzione della mesh della parete in unità adimensionali viscose (in questa figura, legenda di colore Aurora Borealis) determina la funzionalità per il trattamento automatico delle pareti - una formulazione del modello di turbolenza a basso numero di Reynolds o una funzione di parete. Minore è il valore delle unità adimensionali viscose, maggiore è l'accuratezza della risoluzione della mesh a parete e la sua applicabilità per l'utilizzo di una formulazione di modello di turbolenza a basso numero di Reynolds.

Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza il nuovo trattamento automatico delle pareti:
CFD_Module/Single-Phase_Benchmarks/pipe_elbow

"Traduzione" automatica tra modelli di turbolenza

Una strategia di successo per modellare i flussi turbolenti consiste all'inizio nell'uso di un modello di turbolenza relativamente semplice per capire il sistema e per perfezionare la configurazione del modello. Una volta che il modello di lavoro genera risultati accettabili, si potrà definire un modello di turbolenza più sofisticato - anche se forse computazionalmente più oneroso - per una maggiore precisione.

A tal fine, abbiamo introdotto una nuova funzionalità che "traduce" il significato delle variabili di turbolenza da un modello di turbolenza a un altro. Ciò significa che non è necessario ridefinire le impostazioni del dominio e le condizioni al contorno per un secondo modello di turbolenza. Inoltre, è possibile utilizzare la soluzione esistente come condizione iniziale per aumentare la robustezza e accelerare la conversione nella soluzione del secondo problema del modello di turbolenza.

Solutore multigrid algebrico (AMG) per CFD

Il metodo multigrid algebrico Smoothed aggregation (SA-AMG) è stato esteso e supporta ora algoritmi di smoothing specializzati per la CFD in COMSOL Multiphysics®: SCGS, Vanka e SOR Line.

L'utilizzo del solutore multigrid geometrico (GMG) alternativo richiede di solito la creazione di diversi livelli di mesh, che possono causare problemi quando si tenta di risolvere modelli con dettagli geometrici di dimensioni diverse. Il solutore SA-AMG richiede solo un livello di mesh, semplificando quindi la generazione della mesh e rendendo più robusto il processo di soluzione per problemi complessi e geometrie "difficili".

Ad esempio, nel modello di interazione fluido-struttura di un pannello solare (v. immagine), la struttura che sostiene i pannelli è di piccole dimensioni rispetto al dominio d'aria che la circonda. Questa differenza dimensionale complica la generazione di una mesh efficiente del dominio insieme alle parti e ai componenti più piccoli; la difficoltà cresce ancora se si rende necessaria la creazione di tre mesh di dimensioni diverse. Il solutore SA-AMG richiede solo un livello di mesh, molto più facile da generare.

Modello di pannello solare creato con COMSOL Multiphysics versione 5.3

Campo di moto intorno a un pannello solare e distribuzione di pressione sulla sua superficie, che mostra una interazione fluido struttura. La differenza nelle dimensioni dei montanti di supporto e delle travi rispetto al dominio di aria circostante complica la creazione della mesh del modello. Con il solutore SA-AMG, è necessario un solo livello di mesh per il processo di soluzione, rendendolo molto più semplice e veloce rispetto alla soluzione con il solutore GMG, che richiede tre livelli di mesh.

Campo di moto intorno a un pannello solare e distribuzione di pressione sulla sua superficie, che mostra una interazione fluido struttura. La differenza nelle dimensioni dei montanti di supporto e delle travi rispetto al dominio di aria circostante complica la creazione della mesh del modello. Con il solutore SA-AMG, è necessario un solo livello di mesh per il processo di soluzione, rendendolo molto più semplice e veloce rispetto alla soluzione con il solutore GMG, che richiede tre livelli di mesh.

Percorsi dell'Application Library con esempi che utilizzano il solutore multigrid algebrico:
CFD_Module/Single-Phase_Benchmarks/ahmed_body
CFD_Module/Nonisothermal_Flow/displacement_ventilation

Nuova formulazione e nuovi tutorial per flussi ad alto numero di Mach

L'interfaccia High-Mach Number Flow combina le equazioni della quantità di moto con l'equazione dell'energia per i flussi non viscosi vicini o superiori a Mach 1. Questa interfaccia è stata migliorata per offrire una maggiore precisione grazie a una nuova formulazione delle equazioni per la quantità di moto. Inoltre l'Application Library offre tre nuovi tutorial che illustrano i flussi supersonici: Euler Bump 3D, Expansion Fan e Supersonic Ejector. Questi esempi riproducono i risultati di studi scientifici.


Modello dei dischi di Mach creato con il CFD Module ed esempio reale dei dischi di Mach Shock Diamonds nel campo di velocità del flusso supersonico nel modello di un espulsore supersonico (a sinistra). Shock Diamonds dietro i motori di un jet SR-71 (a destra); immagine per gentile concessione da parte di NASA. NASA non provmuove il software COMSOL Multiphysics®. Shock Diamonds nel campo di velocità del flusso supersonico nel modello di un espulsore supersonico (a sinistra). Shock Diamonds dietro i motori di un jet SR-71 (a destra); immagine per gentile concessione da parte di NASA. NASA non provmuove il software COMSOL Multiphysics®.


Percorso dell'Application Library con i nuovi tutorial High-Mach Number Flow:
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/euler_bump
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/expansion_fan
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/supersonic_ejector

Nuova condizione al contorno Interior Wall

Le interfacce Darcy's Law, Richards Equations e Two-Phase Darcy's Law ora consentono di definire le pareti interne sottili. La funzione Interior Wall è utile per evitare la generazione della mesh per strutture impermeabili sottili incorporate in mezzi porosi, ad esempio muri di contenimento, piastre, lastre e altri, riducendo così il tempo e le risorse computazionali necessarie.

Nuova condizione al contorno Thin Barrier

Nelle interfacce Darcy's Law e Richards Equations, ora è possibile definire le pareti permeabili sui contorni interni con la condizione al contorno Thin Barrier. Questi contorni interni sono usati in genere per rappresentare strutture sottili a bassa permeabilità. Con la condizione al contorno Thin Barrier, si evita di generare la mesh di strutture sottili, ad esempio di geotessili o piastre forate, riducendo così il tempo e le risorse computazionali necessarie.

Nuovo tutorial: Risonatore di Helmholtz con flusso, interazione fluidodinamica-acustica

I risonatori di Helmholtz vengono utilizzati nei sistemi di scarico, poiché possono attenuare una ristretta banda di frequenze specifiche. La presenza di un flusso nel sistema altera le proprietà acustiche del risonatore e la transmission loss nella porzione di sistema. In questo tutorial, un risonatore di Helmholtz è situato in un ramo laterale rispetto al condotto principale. Oggetto dello studio è la transmission loss attraverso il condotto principale in presenza di un flusso.

Il flusso medio è calcolato con il modello di turbolenza SST per Ma = 0,05 e Ma = 0,1. Il problema acustico viene quindi risolto utilizzando l'interfaccia Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (LNS). La velocità media di flusso, la pressione e la viscosità turbolenta sono accoppiate al modello LNS. I risultati vengono confrontati con le misurazioni riportate nella letteratura tecnica e le ampiezze e le posizioni di risonanza mostrano un buon accordo con i dati sperimentali (come si vede nel grafico 1D). L'equilibrio tra l'attenuazione e gli effetti di flusso deve essere modellato in modo rigoroso perché la posizione di risonanza sia corretta.

Nota: questo modello richiede l'Acoustics Module e il CFD Module.

Modello di un risonatore di Helmholtz caratterizzato dall'interazione di flusso e acustica La distribuzione del livello di pressione sonora (davanti), le linee di flusso (al centro) e l'ampiezza della velocità di flusso di background (dietro) in un risonatore di Helmholtz utilizzato come ramo laterale di un condotto principale. La distribuzione del livello di pressione sonora (davanti), le linee di flusso (al centro) e l'ampiezza della velocità di flusso di background (dietro) in un risonatore di Helmholtz utilizzato come ramo laterale di un condotto principale.


Grafico 1D del tutorial Risonatore di Helmholtz con flusso, interazione flusso-acustica Transmission loss calcolata utilizzando il modello LNS per tre configurazioni di flusso. Transmission loss calcolata utilizzando il modello LNS per tre configurazioni di flusso.


Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

Nuova interfaccia Reacting Flow in Porous Media

La modellazione di letti impaccati, reattori monolitici e altri reattori catalitici eterogenei è stata molto semplificata con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media. Questa interfaccia permette di definire i processi di diffusione, convezione, migrazione e reazione di specie chimiche per il flusso in mezzi porosi, senza dover impostare interfacce separate e poi accoppiarle. L'interfaccia multifisica combina automaticamente tutti gli accoppiamenti e le interfacce fisiche necessari per modellare la catalisi eterogenea con un flusso in mezzi porosi e con il trasporto di specie chimiche diluite o concentrate.

Poiché questa interfaccia multifisica completa altre interfacce simili per il flusso laminare e turbolento, è possibile scambiare o definire nuovi accoppiamenti con altri tipi di modelli di flusso senza dover ridefinire e impostare una nuova interfaccia per i fenomeni fisici coinvolti. La finestra impostazioni consente di selezionare il tipo di flusso da modellare e il trasporto di specie chimiche, senza perdere la cinetica di reazione o le proprietà del materiale definite. È dunque possibile confrontare diverse strutture di reattore o, all'interno del medesimo reattore, modellare flussi liberi e in mezzi porosi, anche quando i due regimi sono collegati (v. immagine).

Modello di microreattore poroso con Reacting Flow in Porous Media

Modello di microreattore poroso che illustra le isosuperfici di concentrazione di un reagente iniettato attraverso un ago verticale. Il reagente si mescola a un flusso libero contenente un secondo reagente che attraversa un catalizzatore monolitico modellato come mezzo poroso. È ora possibile definire completamente il modello con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media.

Modello di microreattore poroso che illustra le isosuperfici di concentrazione di un reagente iniettato attraverso un ago verticale. Il reagente si mescola a un flusso libero contenente un secondo reagente che attraversa un catalizzatore monolitico modellato come mezzo poroso. È ora possibile definire completamente il modello con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media.

Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza la nuova interfaccia Reacting Flow in Porous Media:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

Nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures

Le fratture hanno spessori molto piccoli rispetto alle quote di lunghezza e larghezza. Spesso è difficile modellare il trasporto di specie chimiche in questi sistemi dovendo generare la mesh dello spessore di una frattura, a causa dell'elevato rapporto di forma tra le quote dimensionali. La nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures tratta la frattura come una shell, generando solo la mesh di superficie delle dimensioni trasversali.

L'interfaccia consente di definire lo spessore medio della frattura, nonché la porosità nei casi in cui la frattura sia considerata come una struttura porosa. Per il trasporto delle specie chimiche, l'interfaccia consente di definire i modelli di diffusività efficace per includere gli effetti legati alla porosità. Il trasporto convettivo può essere accoppiato a un'interfaccia Thin-Film Flow o includere equazioni personalizzate per definire il flusso attraverso la frattura. Inoltre, si possono definire reazioni chimiche che si verificano sulle superfici, all'interno delle fratture o in un mezzo poroso che le includa.

Trasporto di specie diluite lungo una superficie di frattura leggermente curva Trasporto di specie diluite lungo una superficie di frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche. Trasporto di specie diluite lungo una superficie di frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche.



Superfici di frattura nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media

Nei casi in cui il trasporto avvenga in un dominio poroso 3D con frattura, la nuova condizione al contorno Fracture consente di modellare il trasporto nelle fratture sottili senza doverle meshare come entità 3D. La condizione al contorno Fracture è inclusa nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media (v. immagine) e ha le stesse impostazioni dell'interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures (descritta sopra). Le equazioni del moto e il trasporto di specie chimiche si accoppiano in modo del tutto analogo tra un mezzo poroso 3D, equazioni del moto e trasporto di specie chimiche in frattura.

L'immagine seguente mostra il campo di concentrazione nel modello di un reattore poroso. Nel modello, una frattura distorta "perde" i reagenti in profondità nel catalizzatore poroso, da sinistra a destra, a una velocità maggiore rispetto al trasporto attraverso il mezzo poroso. Questo è dovuto al fatto che la superficie di frattura ha una porosità media molto più elevata rispetto al catalizzatore poroso circostante, il che risulta in una velocità di trasporto di massa superiore.

Modello di superficie di frattura Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3) Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3)