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CFD Module

Simulieren Sie ein- und mehrphasige Strömungen

Führen Sie mit dem CFD Module, einem Add-On zur COMSOL Multiphysics® Software, computergestützte Strömungssimulationen durch. Das CFD Module bietet Werkzeuge für die Modellierung der Eckpfeiler der Strömungsanalyse von Fluiden, darunter:

  • Interne und externe Strömungen
  • Inkompressible und kompressible Strömungen
  • Laminare und turbulente Strömungen
  • Einphasige und mehrphasige Strömungen
  • Freie und poröse Medienströmungen

Das CFD Module enthält auch Multiphysik-Funktionen für die Modellierung von nichtisothermen Strömungen mit konjugiertem Wärmetransport, reagierenden Strömungen, Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) und Elektrohydrodynamik (EHD).

Die Multiphysik-Fähigkeiten innerhalb des Moduls sind nahezu unbegrenzt und können durch Kombination mit anderen Modulen aus der COMSOL Produktpalette um zusätzliche Multiphysik-Kopplungen erweitert werden. So kann beispielsweise das CFD Module zusammen mit dem Structural Mechanics Module verwendet werden, um Strömungen mit großen strukturellen Verformungen zu kombinieren und FSI zu simulieren. Die Simulationsumgebung sieht dabei unabhängig vom Modell immer gleich aus.

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Ein Modell eines Sportwagens mit zwei Seitenspiegeln und zwei Türen mit gelben Stromlinien, die das Strömungsfeld von der Vorderseite zum Heck des Wagens zeigen.
Detailansicht eines Mischermodells mit Darstellung der Geschwindigkeit und des Verlaufs des Fluids.
Detailansicht eines Zylinders in einem Kanal, die die Größe der Geschwindigkeit und die Strömung zeigt.

Laminare und kriechende Strömung

Modellieren Sie instationäre und stationäre laminare Strömungen mit den Navier-Stokes-Gleichungen oder Kriechströmungen mit den Stokes-Gleichungen.

Neben der Modellierung von Fluiden mit konstanter Dichte und Viskosität unterstützt das Modul auch die Untersuchung von Fluiden, bei denen Viskosität und Dichte von der Temperatur, der lokalen Zusammensetzung, dem elektrischen Feld oder einem anderen modellierten Feld oder einer sonstigen Variablen abhängen. Im Allgemeinen können Dichte-, Viskositäts- und Impulsquellen beliebige Funktionen von abhängigen Variablen sowie Ableitungen von abhängigen Variablen sein.

Für nicht-Newtonsche Fluide stehen allgemeine, vordefinierte Rheologiemodelle für die Viskosität zur Verfügung, wie z. B. Power Law, Carreau, Bingham, Herschel-Bulkley oder Casson, um die Modellierung zu erleichtern.

Darüber hinaus enthält das Modul Funktionen zur Modellierung laminarer Strömungen in beweglichen Strukturen, wie z. B. in sich öffnenden und schließenden Ventilen oder rotierenden Impellern.

Turbulente Strömung

Im CFD Module stehen eine Reihe von RANS-Turbulenzmodellen (Reynolds-gemittelte Navier-Stokes) in vordefinierten Strömungsinterfaces zur Verfügung. Diese Modelle können verwendet werden, um ein breites Spektrum an stationären und instationären turbulenten Strömungen zu simulieren. Die Modellgleichungen können auch direkt in der Benutzeroberfläche geändert oder erweitert werden, um Turbulenzmodelle zu erstellen, die noch nicht enthalten sind.

RANS Turbulenzmodelle

Eddy-Viscosity-Modelle
  • Algebraic yPlus
  • L-VEL
  • k-ε
  • Realizable k-ε
  • k-ω
  • SST
  • Low-Re k-ε
  • Spalart–Allmaras
  • v2-f
Reynolds-Spannungs-Turbulenzmodelle
  • Wilcox R-ω
  • SSG–LRR

Wandbehandlung

Ein Modell eines Wasseraufbereitungsbeckens, das die Wandauflösung auf den Oberflächen sowie Geschwindigkeit in Stromlinien zeigt.
Wandfunktionen

Robust und für grobe Netze geeignet, mit begrenzter Genauigkeit.

Eine Detailansicht eines Eppler-387-Modells, die den Übergang der Randschichten zeigt.
Behandlung bei niedriger Reynolds-Zahl

Löst die Strömung bis hin zu den Wänden auf. Präzise, erfordert aber ein feines Netz.

Detailansicht eines Hydrozyklonmodells mit Darstellung der Fluid-Geschwindigkeit.
Automatische Wandbehandlung

Kombiniert die Robustheit der Wandfunktionen mit der Genauigkeit der Low-Re-Behandlung in gut aufgelösten Regionen.

Large Eddy Simulation (LES)

Die Large Eddy Simulation (LES) wird zur Auflösung größerer dreidimensionaler instationärer turbulenter Wirbel verwendet, wobei die Auswirkungen kleinerer Wirbel näherungsweise beschrieben werden. In Verbindung mit der Grenzschichtvernetzung liefert diese Technik eine genaue Beschreibung eines instationären Strömungsfeldes sowie genaue Ströme und Kräfte an den Rändern. Die LES-Modelle - das residuale variable Multiskalenmodell (RBVM), das residuale variable Multiskalenmodell mit Viskosität (RBVMWV) und das Smagorinsky-Modell - sind auf inkompressible und kompressible Strömungen anwendbar.

Detached Eddy Simulation (DES)

Die Detached Eddy Simulation (DES) kombiniert RANS und LES, wobei RANS in den Randschichten und LES an anderen Stellen verwendet wird. DES kombiniert das Spalart-Allmaras-Turbulenzmodell mit den LES-Modellen: RBVM, RBVMWV, oder Smagorinsky. Die Wandbehandlung für Spalart-Allmaras ist entweder eine niedrige Reynolds-Zahl oder eine automatische Wandbehandlung.

Der Vorteil der DES ist, dass sie ein weniger dichtes Randschichtnetz erfordert als eine reine LES. Dies reduziert den Speicherbedarf und die Berechnungszeit bei der Lösung der Modellgleichungen erheblich. Die DES-Modelle sind für 3D, zeitabhängige, inkompressible, einphasige Strömungen anwendbar.

Detailansicht eines Tintenstrahldüsenmodells, das die Geschwindigkeit bei 40 μs zeigt.
Detailansicht eines Modells eines Prallplattenmischers, das die turbulente Strömung zeigt.
Detailansicht einer Ölblase, die durch ein Wasserbehältermodell aufsteigt.
Detailansicht eines Elektrokoaleszenzmodells mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Mehrphasenströmung und freie Oberflächen

In getrennten mehrphasigen Strömungssystemen können Oberflächenverfolgungsmethoden verwendet werden, um das Verhalten von Blasen und Tröpfchen sowie von freien Oberflächen zu modellieren und zu simulieren. In solchen Fällen können mithilfe der Level-Set- und Phasenfeld-Methoden die Form der Phasengrenze sowie Oberflächenspannungseffekte und Topologieänderungen detailliert beschrieben werden.

Für Szenarien, in denen Blasen, Tröpfchen oder Partikel im Vergleich zum Berechnungsgebiet klein und in großer Anzahl vorhanden sind, stehen Modelle der dispersen Mehrphasenströmung zur Verfügung. Diese Modelle erfassen die Massen- oder Volumenanteile der verschiedenen Phasen und den Einfluss, den die dispergierten Blasen, Tröpfchen oder Partikel auf die Impulsübertragung im Fluid in einem gemittelten Sinn haben. Zu den verfügbaren Strömungsmodellen gehören Blasenströmungs-, Mischungs-, Euler-Euler- und Phasentransport-Mischungsmodelle.

Strömung in porösen Medien

Das CFD Module vereinfacht die Simulation der Strömung von Fluiden in porösen Medien durch vier verschiedene Strömungsmodelle für poröse Medien. Das Darcy's Law Modell ist eine robuste und rechnerisch kostengünstige Beschreibung von Strömungen in porösen Strukturen. Es ist auch für mehrphasige Strömungen verfügbar. Das Modell Brinkman Equations ist eine Erweiterung des Darcy'schen Gesetzes, das die Dissipation von kinetischer Energie durch viskose Scherung berücksichtigt und Trägheitseffekte einbeziehen kann. Dieses Modell, das für sehr offene Strukturen mit hoher Porosität relevant ist, ist allgemeiner als das Darcy-Gesetz, aber auch rechenintensiver.

Das Modell Free and Porous Media Flow verbindet die Strömung in porösen Bereichen mit der laminaren oder turbulenten Strömung in freien Bereichen. Das Modell formuliert die Brinkman-Gleichungen für den porösen Bereich und die Navier-Stokes-Gleichungen für die freien Bereiche.

Weitere Einzelheiten zu spezifischen Merkmalen und Funktionen finden Sie im Porous Media Flow Module oder Subsurface Flow Module.

Ein Modell, das die turbulente Strömung durch einen Luftfilter zeigt. Die Geschwindigkeit auf der stromaufwärts gelegenen Seite des porösen Filters und die nach Druck gefärbten Stromlinien werden beide im Farbspektrum Prism angezeigt.
Ein Überschalldüsenmodell mit Mach-Zahlen-Konturen im Farbspektrum Prism.

Strömung mit hoher Mach-Zahl

Modellieren Sie transsonische und Überschallströmungen von kompressiblen Fluiden sowohl in laminaren als auch in turbulenten Regimen. Das laminare Strömungsmodell wird typischerweise für Niederdrucksysteme verwendet und definiert automatisch die Gleichungen für Impuls-, Massen- und Energiebilanzen für ideale Gase. Strömungen mit hoher Mach-Zahl sind auch für alle RANS-Turbulenzmodelle verfügbar.

In beiden Fällen kann bei der Lösung dieser Modelle eine automatische Netzverfeinerung verwendet werden, um das Schockmuster aufzulösen, indem das Netz in Regionen mit sehr hohen Geschwindigkeits- und Druckgradienten verfeinert wird.

Strömung in rotierenden Maschinen

Rotierende Maschinen, wie z.B. Mischer und Pumpen, sind in Prozessen und Anlagen, in denen Fluide fließen, häufig anzutreffen. Das CFD Module bietet Interfaces für rotierende Maschinen, die die Gleichungen für die Strömung von Fluiden in rotierenden Frames formulieren und sowohl für laminare als auch für turbulente Strömungen verfügbar sind. Probleme können entweder mit einer vollständigen zeitabhängigen Beschreibung des rotierenden Systems oder mit einem gemittelten Ansatz gelöst werden, der auf der Annäherung eines eingefrorenen Rotors basiert. Der Ansatz des gefrorenen Rotors ist rechnerisch kostengünstig und kann verwendet werden, um gemittelte Geschwindigkeiten, Druckänderungen, Mischungsgrade, gemittelte Temperatur- und Konzentrationsverteilungen und vieles mehr zu berechnen.

Im Allgemeinen kann das CFD Module auch Strömungsprobleme nicht nur bei rotierenden Bezugssystemen, sondern bei allen beweglichen Bezugssystemen lösen, wie z. B. beim Öffnen und Schließen von Ventilen. Bewegliche Bezugssysteme können auch zur Lösung eines Problems verwendet werden, bei dem eine Struktur in Bezug auf eine andere Struktur mit dazwischenliegender Strömung gleitet, was durch den Einsatz eines beweglichen Netzes einfach einzurichten und zu lösen ist.

Ein Kreiselpumpenmodell mit einem Slice-Plot im Farbspektrum Jupiter Aurora Borealis, der die Geschwindigkeit anzeigt.
Ein Modell eines selbstschmierenden Lagers mit Druckkonturen, der Filmdicke im Farbspektrum Jupiter Aurora Borealis und Stromlinien der Darcy-Geschwindigkeit.

Dünnschichtströmung

Zur Beschreibung von Strömungen in dünnen Bereichen, wie zum Beispiel dünnen Ölfilmen zwischen beweglichen mechanischen Teilen (Tribologie) oder zerklüfteten Strukturen, bietet das CFD Module die Interfaces Thin Film Flow. Diese Formulierung wird typischerweise für die Modellierung von Schmierung, Elastohydrodynamik oder von Fluid-Dämpfung zwischen beweglichen Teilen aufgrund von Gasen oder Flüssigkeiten (zum Beispiel in MEMS) verwendet.

Flachwassergleichungen

Die Flachwassergleichungen ermöglichen die Modellierung der Strömung unterhalb einer freien Oberfläche unter der Bedingung, dass die horizontale Längenskala viel größer ist als die vertikale Längenskala. Die Flachwassergleichungen erhält man durch Tiefenmittelung der Navier-Stokes-Gleichungen. Die abhängigen Variablen sind die Wassertiefe und der Impulstransport. Die Gleichungen können verwendet werden, um die Auswirkungen von Tsunamis und Überschwemmungen zu modellieren.

Detaillierte Ansicht der Wasseroberfläche eines Tsunamimodells.
Detailansicht des Aufpralls einer Wasserwelle auf eine Säule.

Realitätsnahe Multiphysik-Modelle erstellen

Die Modellierung mehrerer physikalischer Phänomene in COMSOL Multiphysics® unterscheidet sich nicht von einem einfachen physikalischen Problem.

Eine Detailansicht des Luftstroms und der Temperatur eines Kühlkörpermodells.

Laminare nicht-isotherme Strömung

Temperaturabhängige Fluideigenschaften und Auftriebskräfte; kontinuierlicher Temperatur- und Wärmestrom an der Festkörper-Fluid-Grenze.

Detailaufnahme des Rauchs eines Räucherstäbchens zu drei verschiedenen Zeitpunkten.

Turbulente nicht-isotherme Strömung

Low-Re-Formulierung oder thermische Wandfunktionen für den konjugierten Wärmetransport an Festkörper-Fluid-Grenzen mit RANS oder LES.

Detaillierte Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes und der Verformung eines Solarpanelmodells.

FSI: Einwegstudien

Fluid-Struktur-Interaktion, bei der die Strömung eine Belastung auf eine Struktur ausübt, die Verformungen jedoch so gering sind, dass sie sich nicht auf die Strömung auswirken.

Ein detaillierter Blick auf die Fluid-Struktur-Interaktion von Wasser in einem Behälter.

FSI: Vollständig gekoppelt1

Fluid-Struktur-Wechselwirkung, bei der die Strömung Belastungen auf eine Struktur ausübt und die Verformungen so groß sind, dass sie die Strömung beeinflussen.

Detailansicht eines Tanks, der die Gärung von Bier zeigt.

Allgemeine reaktive Strömung

Mehrkomponententransport und Reaktionen in verdünnten und konzentrierten Gemischen, unter Verwendung des Modells der gemittelten Gemische oder des Fickschen Gesetzes.

Detailansicht eines Multijet-Röhrenreaktors mit Darstellung der Isokonzentrationsflächen.

Erweiterte reaktive Strömung2

Die vollständigen Maxwell-Stefan-Mehrkomponententransportgleichungen für laminare Strömungen.

Nahansicht eines Düsenmodells mit Konturen.

Reaktive Strömung mit hoher Mach-Zahl2

Strömung mit hoher Mach-Zahl und chemischem Speziestransport und Reaktionen für konzentrierte und verdünnte Spezies.

Detailaufnahme eines Mischermodells mit Darstellung des Strömungsfeldes.

Rührwerke3

Mehrphasenströmung und freie Oberflächen für rotierende Maschinen, sowie eine Teilebibliothek für Impeller und Behälter.

Detailansicht eines Rohrbogenmodells mit Darstellung der Geschwindigkeit als Partikel.

Particle Tracing4

Euler-Lagrange-Mehrphasenströmungsmodelle, bei denen Partikel oder Tröpfchen als diskrete Einheiten modelliert werden.

Eine Detailansicht eines Wärmetauscherrohrmodells, das den Druck und die Geschwindigkeit zeigt.

Rohrströmung und CFD5

Rohre und Kanäle in Verbindung mit 2D/3D Fluiden mit nicht-isothermen Strömungen, sowohl für laminare als auch für turbulente Strömungen.

  1. Erfordert das Structural Mechanics Module, das MEMS Module oder das Multibody Dynamics Module
  2. Erfordert das Chemical Reaction Engineering Module, Battery Design Module oder Fuel Cell & Electrolyzer Module
  3. Erfordert das Mixer Module
  4. Erfordert das Particle Tracing Module
  5. Erfordert das Pipe Flow Module

Allgemeine Funktionalität, angepasst für die Lösung von CFD-Problemen

Das CFD Module bietet spezielle Funktionen für die Simulation von Fluiden und fügt sich nahtlos in die COMSOL Multiphysics® Plattform ein, um einen konsistenten Workflow für die Modellerstellung zu gewährleisten.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Fluid-Structure Interaction und einem Bimetallstreifenmodell im Grafikfenster.

Die Strömungsinterfaces

Zur Modellierung von laminaren, turbulenten, mehrphasigen, kompressiblen, Hoch-Machzahl- und Dünnschichtströmungen sowie der Flachwassergleichungen bietet das CFD Module eine große Anzahl von Strömungsinterfaces, die auf die verschiedenen Regime dieser Strömungen zugeschnitten sind. Jedes Strömungsinterface enthält Sätze von Gebietsgleichungen, Randbedingungen, Anfangsbedingungen, vordefinierte Netze, vordefinierte Studien mit Lösereinstellungen für stationäre und instationäre Analysen sowie vordefinierte Plots und abgeleitete Ergebnisse.

Eine Detailansicht des ausgewählten Knotens Heat capacity im Model Builder und ein Motordichtungsmodell im Grafikfenster.

Materialien

Das CFD Module enthält eine Materialbibliothek mit den gängigsten Gasen und Flüssigkeiten. In Kombination mit dem Chemical Reaction Engineering Module oder dem Liquid & Gas Properties Module können Sie auch auf generische Beschreibungen für thermodynamische Eigenschaften von Fluiden zugreifen (z. B. Viskosität, Dichte, Diffusivität, Wärmeleitfähigkeit, Bildungswärme und Phasenumwandlung).

Eine Nahansicht des Fensters High Mach Number Flow Laminar Settings und ein Euler-Bump-Modell im Grafikfenster.

Diskretisierung

Die Interfaces für die Strömung von Fluiden verwenden Galerkin/kleinste Quadrate und Petrov-Galerkin-Methoden, um die Strömungsgleichungen zu diskretisieren und das numerische Modell im Raum (2D, 2D-Achsensymmetrie und 3D) zu erzeugen. Die Testfunktionen sind so konzipiert, dass sie die hyperbolischen Terme und den Druckterm in den Transportgleichungen stabilisieren. Durch Stoßabfangtechniken werden unerwünschte Schwingungen weiter reduziert. Außerdem werden diskontinuierliche Galerkin-Formulierungen verwendet, um Impuls, Masse und Energie über interne und externe Grenzen hinweg zu erhalten.

Eine Nahansicht eines 1D-Widerstandsdiagramms und eines Fußballmodells im Grafikfenster.

Auswertung und Visualisierung der Ergebnisse

Die Strömungsinterfaces erzeugen eine Reihe von Standardplots, um die Geschwindigkeits- und Druckfelder zu analysieren. Stromlinienplots sind verfügbar, um die Strömung und die Strömungsrichtung zu visualisieren. Oberflächen- und Volumendarstellungen können verwendet werden, um den Druck und die Größe des Geschwindigkeitsvektors darzustellen. Es gibt auch eine umfangreiche Liste von abgeleiteten Größen und Variablen, auf die leicht zugegriffen werden kann, um analytische Ergebnisse zu extrahieren, z. B. den Widerstandsbeiwert.

Eine Nahansicht des Model Builders mit hervorgehobenem Geometrieknoten und einem Ahmed-Körper-Modell im Grafikfenster.

Geometrie

Generieren Sie Strömungsgebiete, wie z.B. eine Bounding Box, um importierte CAD-Geometrien. Darüber hinaus stehen Werkzeuge zur Verfügung, um Details, die für die Strömung von Fluiden nicht relevant sind, automatisch oder manuell zu entfernen. Mit dem CAD Import Module können die gängigsten CAD-Dateiformate importiert und Reparatur- und Defeaturing-Operationen durchgeführt werden. Mit den integrierten Geometriewerkzeugen für CAD können komplexe Geometrien und Gebiete erstellt werden.

Eine Nahaufnahme des Netzstatistikfensters und eines Sportwagenmodells im Grafikfenster.

Vernetzung

Die physikalisch gesteuerte Netzfunktionalität im CFD Module berücksichtigt bei der Generierung der Netzsequenz die Randbedingungen des Strömungsproblems. Ein Randschichtnetz wird automatisch generiert, um die Geschwindigkeitsgradienten aufzulösen, die normalerweise an den Oberflächen entstehen, an denen Wandbedingungen angewendet werden.

Detailansicht des Model Builder mit dem erweiterten Knoten Turbulent Flow und einem Hydrozyklon-Modell im Grafikfenster.

Löser

Die Strömungsgleichungen sind in der Regel stark nichtlinear. Um die numerischen Modellgleichungen zu lösen, wählen die automatischen Lösereinstellungen eine geeignete gedämpfte Newton-Methode. Bei großen Problemen werden die linearen Iterationen der Newton-Methode durch moderne algebraische Mehrgitterverfahren oder geometrische Mehrgitterverfahren beschleunigt, die speziell für Transportprobleme entwickelt wurden.

Für instationäre Probleme werden Zeitschrittverfahren mit automatischen Zeitschritten und automatischen Polynomordnungen verwendet, um die Geschwindigkeits- und Druckfelder in Kombination mit den oben erwähnten nichtlinearen Lösern mit der höchstmöglichen Genauigkeit zu lösen.

Eine Nahaufnahme der Eingabeeinstellungen einer Simulations-App und eines Wasseraufbereitungsbeckenmodells im Grafikfenster.

Simulations-Apps

Mit dem Application Builder, der in COMSOL Multiphysics® enthalten ist, können zu jedem bestehenden Modell eigene Benutzeroberflächen erstellt werden. Dieses Werkzeug ermöglicht es, Apps für sehr spezifische Zwecke mit genau definierten Eingaben und Ausgaben zu erstellen. Apps können für viele verschiedene Zwecke verwendet werden: schwierige und sich wiederholende Aufgaben automatisieren, Berichte erstellen und aktualisieren, benutzerfreundliche Schnittstellen für Nicht-Experten bereitstellen, den Zugang zu Modellen innerhalb einer Organisation verbessern und einen Wettbewerbsvorteil bei Kunden erzielen.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics® Software Ihren Anforderungen entspricht, kontaktieren Sie uns bitte. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie persönliche Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen helfen, das Beste aus Ihrer Evaluierung herauszuholen und die beste Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse zu wählen.

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