CFD Module

Multiphysikalische Lösung für die numerische Strömungsmechanik (CFD)

CFD Module

Vergleich des Strömungsfelds in einer 2D-Approximation mit dem 3D-Modell eines Reaktors mit Trennstegen und turbulenter Strömung.

Für alle Strömungsanwendungen

Das CFD Module ist die Plattform für die Simulation von Geräten und Systemen, die komplexe Fluidströmungsmodelle beinhalten. Wie alle Module der COMSOL Produktpalette enthält auch das CFD Module vorgefertigte Physikinterfaces, die so konfiguriert sind, dass der Benutzer seine Modelleingaben auf der Benutzeroberfläche vornehmen kann. Diese Eingaben werden anschließend zum Formulieren von Modellgleichungen verwendet. Mit den jeweiligen Physikinterfaces, die im CFD Module enthalten sind, lassen sich die meisten Strömungsarten modellieren. Nicht nur kompressible, nicht-isotherme und nicht-newtonsche Strömungen lassen sich beschreiben, sondern auch Zweiphasenströmungen und Strömungen in porösen Medien – allesamt im laminaren und turbulenten Strömungsbereich. Das CFD Module wird als Standardwerkzeug für die Simulation der numerischen Strömungsmechanik (CFD-Simulation) eingesetzt. Zusammen mit den anderen Modulen der COMSOL Produktpalette lassen sich aber auch multiphysikalische Simulationen erstellen, bei denen Fluidströmungen eine Rolle spielen.

Über die Benutzeroberfläche des CFD Module haben Sie vollständigen Zugriff auf alle Schritte des Modellierungsprozesses. Dies umfasst die folgenden Schritte:

  • Auswahl der entsprechenden Strömungsbeschreibung (z. B. Einphasen- oder Zweiphasenströmung, laminar oder turbulent usw.)
  • Erstellen oder Importieren der Modellgeometrie
  • Definieren der Fluideigenschaften
  • Hinzufügen von Quellen- und Senken oder Bearbeiten der Gleichungen, die dem Fluidmodell zugrunde liegen (bei Bedarf)
  • Auswahl der Netzelemente und Steuern der Netzdichte an unterschiedlichen Positionen
  • Auswahl der Löser und Löseroptimierung (bei Bedarf)


Weitere Bilder

  • Strömung in einer statischen Mischapparatur. Das Ausmaß des Mischvorgangs wird anhand der Partikeltrajektorien ermittelt. Strömung in einer statischen Mischapparatur. Das Ausmaß des Mischvorgangs wird anhand der Partikeltrajektorien ermittelt.
  • Strömungsfeld in einer Rührmaschine mit Ablenkblechen, berechnet mit dem Interface für rotierende Maschinen. Strömungsfeld in einer Rührmaschine mit Ablenkblechen, berechnet mit dem Interface für rotierende Maschinen.
  • Nicht-isotherme Strömung: Simulation eines Luftaustauschsystems mit einem Plot der Isoflächen für die Temperatur. Für die Simulation der nicht-isothermen Strömung und der Turbulenz wird das k-Epsilon-Turbulenzmodell verwendet. Nicht-isotherme Strömung: Simulation eines Luftaustauschsystems mit einem Plot der Isoflächen für die Temperatur. Für die Simulation der nicht-isothermen Strömung und der Turbulenz wird das k-Epsilon-Turbulenzmodell verwendet.
  • Zweiphasenströmung: Mithilfe des Euler-Euler-Modells wird eine zirkulierende Wirbelschicht modelliert, in der feste Partikel durch ein Gas verflüssigt und durch ein vertikales Steigrohr transportiert werden. Zweiphasenströmung: Mithilfe des Euler-Euler-Modells wird eine zirkulierende Wirbelschicht modelliert, in der feste Partikel durch ein Gas verflüssigt und durch ein vertikales Steigrohr transportiert werden.
  • Nicht-newtonsche Strömung: Scherrate, dynamische Viskosität und Volumenstrom einer Polystyrol-Lösung sowie Volumenstrom für ein entsprechendes newtonsches Fluid - alle als Funktion des Drucks. Nicht-newtonsche Strömung: Scherrate, dynamische Viskosität und Volumenstrom einer Polystyrol-Lösung sowie Volumenstrom für ein entsprechendes newtonsches Fluid - alle als Funktion des Drucks.
  • Turbulente Strömung: Benchmark-Studie des SST-Turbulenzmodells (Scherspannungstransport) für die Strömung an einer Tragfläche. Dargestellt sind die rechnerischen (Linie) und experimentellen (Markierungen) Ergebnisse für den Druckkoeffizienten entlang der Tragfläche. Dabei wurden die experimentellen Daten nur an der Unterdruckseite gesammelt [siehe N. Gregory und C. L. O’Reilly, „Low-Speed Aerodynamic Characteristics of NACA 0012 Aerofoil Section, including the Effects of Upper-Surface Roughness Simulating Hoar Frost“, A.R.C., R. & M. No. 3726, 1970]. Turbulente Strömung: Benchmark-Studie des SST-Turbulenzmodells (Scherspannungstransport) für die Strömung an einer Tragfläche. Dargestellt sind die rechnerischen (Linie) und experimentellen (Markierungen) Ergebnisse für den Druckkoeffizienten entlang der Tragfläche. Dabei wurden die experimentellen Daten nur an der Unterdruckseite gesammelt [siehe N. Gregory und C. L. O’Reilly, „Low-Speed Aerodynamic Characteristics of NACA 0012 Aerofoil Section, including the Effects of Upper-Surface Roughness Simulating Hoar Frost“, A.R.C., R. & M. No. 3726, 1970].
  • Nicht-newtonsche Strömung: Scherrate, dynamische Viskosität und Volumenstrom einer Polystyrol-Lösung sowie Volumenstrom für ein entsprechendes newtonsches Fluid - alle als Funktion des Drucks. Nicht-newtonsche Strömung: Scherrate, dynamische Viskosität und Volumenstrom einer Polystyrol-Lösung sowie Volumenstrom für ein entsprechendes newtonsches Fluid - alle als Funktion des Drucks.

Physikinterfaces für jede Strömungsart

Die Werkzeuge zur Definition der unterschiedlichen Beschreibungen von Fluidströmungen sind in benutzerfreundlichen Physikinterfaces zusammengefasst und dort jederzeit verfügbar. Im Hintergrund definieren diese Interfaces den Impulserhaltungssatz sowie Masse- und Energiegleichungen zur Beschreibung von Fluidströmungen. Dabei wird auch der Anteil multiphysikalischer Kopplungen mit anderen physikalischen Bereichen berücksichtigt. Diese Gleichungen werden außerdem in stabilisierter Form formuliert. Diese können dann von COMSOL zur Erstellung der Finite-Elemente-Diskretisierung für den Raum und die Finiten Differenzen für Zeitableitungen bei stationären oder zeitabhängigen Fragestellungen verwendet werden. Die stabilisierten Formulierungen werden von den Physikinterfaces an die ausgewählte Beschreibung und die Funktionen für die Strömungseigenschaften angepasst. Die Physikinterfaces schlagen dann geeignete Löserkonfigurationen und Lösereinstellungen für die beschriebene Strömungsart vor. Individuelle Physikinterfaces stehen für die folgenden Fluidströmungsarten zur Verfügung:

  • Einphasenströmung: Das CFD Module berechnet zum Modellieren von Strömungen in allen Geschwindigkeitssystemen mehrere Varianten der Navier-Stokes-Gleichungen. Dazu gehört die Modellierung von langsamen oder schleichenden Strömungen (Stokes-Strömung), von laminaren und schwach kompressiblen sowie von turbulenten Strömungen. Turbulente Strömungen werden mit RANS-Gleichungen (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modelliert. Zur Verfügung stehen die Turbulenzmodelle k-Epsilon (k-ε), k-Epsilon (k-ε) mit niedriger Reynoldszahl, k-Omega (k-ω), Scherspannungstransport (Shear Stress Transport, SST) und Spalart-Allmaras..

    Alle Variablen der Navier-Stokes-Gleichungen und alle Ausdrücke in den Turbulenzmodellen können bearbeitet werden. Beispielsweise kann man Gleichungen einbeziehen, die auf Modellvariablen von anderen gekoppelten Physikinterfaces beruhen. Für den Lösungsprozess der Turbulenzmodelle stehen viele weitere Werkzeuge zur Verfügung. Unter anderem gibt es Werkzeuge für die Spezifikation von Wandfunktionen und die Vernetzung von Randschichten, für hybride Netze oder für die Anpassung von Netzdichte und Netzplatzierung.
  • Nicht-isotherme Strömung: Wärmebedingte Auftriebskräfte werden standardmäßig in laminaren und turbulenten Strömungen berücksichtigt, wenn eine Kopplung mit Wärmeübertragung erfolgt. Das CFD Module enthält sofort einsatzbereite Multiphysikinterfaces für die nicht-isotherme und konjugierte Wärmeübertragung. Mit dem Modul können frei wählbare multiphysikalische Kopplungen miteinander kombiniert werden, um schwach kompressible Strömungen (z. B. Strömungen mit Machzahlen kleiner als 0,3) zu definieren.
  • Kompressible Strömung: Das CFD Module kann auch für Machzahlen größer als 0,3 kompressible Strömungen modellieren, bei denen Temperaturabweichungen durch Wärmeübertragung, Kompression oder Reibungskräfte zu erheblichen Kompressibilitätseffekten führen, wie beispielsweise einem Verdichtungsstoß. Die in COMSOL Multiphysics integrierten, anpassungsfähigen Vernetzungsfunktionen sind besonders beim Berechnen von Verdichtungsstoßwellen und Bereichen mit großen Veränderungen des Fluidströmungsprofils hilfreich.
  • Zweiphasenströmung: Für die Modellierung von Zweiphasenströmungen stehen Physikinterfaces und unterstützende Gleichungen zur Verfügung. Wenn auch das Verfolgen der beweglichen Grenzflächen, die zwei oder mehr nicht vermischbare Fluide separieren, modelliert werden muss, verwendet das CFD Module die Phasenfeld- und Level-Set-Methode.

    Das CFD Module enthält auch Physikinterfaces für Strömungsmodelle mit dispersen Zweiphasenströmungen, die Strömungen mit vielen Partikeln, Tropfen oder Blasen beschreiben. Hier kommen die Blasenströmungs-Methode, ein Mischmodell und das Euler-Euler-Modell zum Einsatz. Das zuletzt genannte Modell eignet sich für hohe Blasenkonzentrationen, bei denen die Blasen häufig kollidieren und erhebliche Veränderungen der relativen Geschwindigkeit zwischen den Phasen aufweisen. Das Heat Transfer Module beinhaltet Interfaces zum Modellieren von Kondensation und Luftfeuchtigkeit. Dabei werden die Phasenänderungen mithilfe von bereits in COMSOL integrierten Stufenfunktionen beschrieben.
  • Strömung in porösen Medien: Mit dem CFD Module lässt sich auch der Transport von Einphasen- und Zweiphasenfluiden in porösen Medien modellieren. Hier kommen das Darcy-Gesetz und das Darcy-Gesetz mit Brinkman-Erweiterung zur Anwendung. Das Darcy-Gesetz eignet sich für poröse Medien, deren Poren so klein sind, dass viskose Effekte vernachlässigt werden können und die Strömung durch die vorhandene Druckdifferenz erfolgt. Die Brinkman-Gleichungen hingegen beinhalten Ausdrücke, die viskose Effekte berücksichtigen. Außerdem gibt es eine interne Bedingung, mit der die Grenzfläche zwischen der freien Kanalströmung und den porösen Medien modelliert werden kann.
  • Rotierende Maschinen: Die Interfaces für rotierende Maschinen sind mit Modellierwerkzeugen ausgestattet, die rotierende Teile beschreiben. Durch diese Teile wird die Geometrie dynamisch verändert. In diese Kategorie fallen z. B. die Rührflügel in einer Mischapparatur oder die Flügel eines Propellers, der sich in einer Fluiddomäne dreht. Mithilfe des zusätzlich verfügbaren Frozen Rotor-Ansatzes lässt sich die Rotation durch zusätzliche Ausdrücke in den Strömungsgleichungen näherungsweise berechnen. Durch diese Näherung kann die Geometrieänderung durch Rotation vernachlässigt werden. Über dieses Physikinterface, das wesentlich weniger Rechenleistung benötigt als eine Berechnung der tatsächlichen Rotation, kann man der Formulierung der stationären Navier-Stokes-Gleichungen noch Zentrifugal- oder Corioliskräfte hinzufügen. So lässt sich ein optimaler Näherungsansatz für die Modellierung von Anwendungen wie Turbinen, Zentrifugalabscheidern und Mischapparaturen erstellen. Zum Modellieren von rotierenden Strömungen steht ein Interface für Drallströmungen zur Verfügung. Dieses Physikinterface enthält eine Out-of-Plane-Drall-Geschwindigkeitskomponente für achsensymmetrische Modelle, die einen dreidimensionalen, in einer 2D-Geometrie definierten Geschwindigkeitsvektor erzeugt. Dadurch werden auch hier gegenüber einer vollständigen 3D-Modellierung die Computerressourcen geschont.
  • Dünnschichtströmung: Das CFD Module enthält ein spezielles Physikinterface, mit dem die Strömung von Flüssigkeiten oder Gasen, die in dünnen Schichten zwischen zwei Flächen oder auf einer Fläche gebunden sind, modelliert werden kann. Eine Anwendungsmöglichkeit stellt die Simulation eines Schmierfilms dar.
  • Nicht-newtonsche Strömung: Für die Beschreibung von Viskosität und Scherrate von Polymeren und anderen nicht-newtonschen Fluiden enthält das CFD Module das Carreau-Modell und das Potenzgesetz, ermöglicht aber auch die Definition benutzerdefinierter Gleichungen oder den Import externer Daten. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Viskoelastizitätsmodelle definieren. In COMSOL Multiphysics sind Stufenfunktionen eingebaut, die sich zum Modellieren großer oder plötzlicher Veränderungen der Fluideigenschaften eignen. Hiermit lassen sich beispielsweise Bingham-Fluide beschreiben.
  • Strömung durch dünne Siebe: Das Modellieren von Prozessen, die perforierte Platten, Gitter oder Drahtgeflechte beinhalten, wird mit der eingebauten Thin Screens-Funktion vereinfacht. Enthalten sind Korrelationen für Refraktions- und Widerstandskoeffizienten, mit denen die Effekte einer Strömung durch ein Sieb in Betracht gezogen werden. Berücksichtigt wird dabei auch, ob es sich um eine laminare oder turbulente Strömung handelt und die Strömung vor oder hinter dem Sieb berechnet wird.
  • Fluidströmung und Wärmeübertragung: Das CFD Module enthält ein Interface für die konjugierte Wärmeübertragung. Mit diesem lässt sich eine vollständig gekoppelte Wärmeübertragung in Körpern und Fluiden beschreiben, einschließlich laminarer und turbulenter Fluidströmungen. Die Berechnung erfolgt standardmäßig für eine nicht-isotherme Strömung. Die Funktion kann mit jedem anderen Physikinterface, das Temperaturen beinhaltet, gekoppelt werden. Das trifft u. a. auf das Oberfläche-zu-Oberfläche Interface im Heat Transfer Module, Joulesche Erwärmung und die Reaktionswärme in den Chemischer Stofftransport-Interfaces zu. In den Physikinterfaces für die Wärmeübertragung in porösen Medien wird außerdem die Wärmeleitung in dem Volumenkörper mit der Wärmeleitung und Konvektion in der Strömungsphase kombiniert. Berücksichtigt werden dabei auch der turbulente Weg der Strömung und deren entsprechende Wärmeausbreitung.
  • Reaktive Strömung: Hierfür gibt es ein spezielles Interface, das die laminare und turbulente Strömung mit dem Transport von chemischen Stoffen in verdünnten und konzentrierten Lösungen koppelt. Man kann dieses Interface auch mit anderen Interfaces des Chemical Reaction Engineering Modules koppeln, die chemische Reaktionen beschreiben.

Neben den vordefinierten Formulierungen können auch Ausdrücke definiert werden, die beliebige Funktionen der modellierten Variablen darstellen. Diese werden in die Bearbeitungsfelder zur Angabe von Quellen- und Senken, zur Beschreibung von Materialeigenschaften oder zur Definition von Randbedingungen eingegeben. So können beispielsweise mithilfe eigener Funktionen physikalische Eigenschaften definiert werden, um den Einfluss von Zusammensetzung, Temperatur, Scherrate oder einer beliebigen anderen Modellvariablen zu beschreiben. Es ist auch möglich, Randbedingungen sowie Quellen- und Senken als Funktionen der modellierten Variablen zu definieren, oder diese mit anderen Physikinterfaces zu koppeln. Diese Aufgaben können direkt auf der Benutzeroberfläche ausgeführt werden. Umständliche Benutzer-Subroutinen gehören der Vergangenheit an. Mit den modellierten Variablen können beliebige Gleichungen definiert werden, z. B. zum Bilden eines Mittelwerts über Domänenquerschnitte oder über Domänenvolumen. Dadurch ist es möglich, eine Fluidströmung auch anhand verschiedener Darstellungen der Reynolds-, Mach- und Grashof-Zahl zu charakterisieren.

Beim Hinzufügen von Quellen- und Senken und beim Definieren von physikalischen Eigenschaften als Funktionen können Sie in einem weiteren Schritt in den oben beschriebenen Physikinterfaces auch die zugrunde liegenden Gleichungen ändern und zusätzliche, nicht standardmäßige Kopplungen zu anderen Physikinterfaces erzeugen.

Viele Physikinterfaces unterstützen auch komplexe Beschreibungen von Randbedingungen. Neben Gleit- und Haft-Randbedingungen können Sie auch Wandbedingungen (z. B. gleitende Wände, bewegliche Wände und perforierte Wände) erstellen. Sie können sogar offene Wände konfigurieren, bei denen angenommen wird, dass das Fluid selbst eine Grenzfläche entwickelt. Wandfunktionen und die entsprechenden Optimierungsparameter werden für turbulente Strömungsmodelle definiert. Für Ein- und Auslässe können Sie eine Geschwindigkeit oder ein Geschwindigkeitsprofil mit Druck-, Spannungs- oder Massenfluss-Bedingungen eingeben. Als Randbedingung kann auch eine periodische Strömung definiert werden, die die Auslassströmung eines Randes mit dem Einlass eines anderen Randes verknüpft. Periodische Randbedingungen sind hilfreich beim Modellieren einer Elementarzelle in einer Geometrie, die aus einer Baugruppe mit sich wiederholenden Elementarzellen besteht.

Einheitliche Plattform für multiphysikalische Simulationen

Strömungen sind ein wesentlicher Bestandteil vieler unterschiedlicher Prozesse und Anwendungen. Man muss das Strömungsverhalten verstehen und es häufig in Bezug auf die Auswirkungen auf andere Prozesse optimieren. Das effektive Kühlen der Festplatte eines Computers, die Ausbreitung der Energie in der Dämpfungsschicht eines Beschleunigungssensors und der Transport von Stoffen durch die verschiedenen Teile eines chemischen Reaktors sind nur einige Beispiele für eine Fluidströmung, die zu einem Prozess gehört, der in anderen physikalischen Bereichen beschrieben ist. In der Realität jedoch beeinflusst die von elektronischen Geräten abgegebene Wärme die Dichte des Fluids. Durch die Elastizität des Beschleunigungssensors wird die Strömung oszillierend. Durch die Reaktionen ändert sich die chemische Zusammensetzung und möglicherweise auch der Antriebsdruck der Fluidströmung. Das bedeutet, dass Sie für eine korrekte Beschreibung des gesamten Prozesses auch diese Effekte einbeziehen müssen.

COMSOL Multiphysics und das CFD Module unterstützen Sie durch die nahtlose Kopplung aller beteiligter physikalischen Bereiche bei der Beschreibung dieser Prozesse. Zudem können Sie uneingeschränkt und direkt von der Benutzeroberfläche auf alle Modellgleichungen zugreifen. Verwenden Sie auch die wechselseitig miteinander gekoppelten FSI-Formulierungen (Fluid Structure Interaction). Hiermit können Sie Szenarien modellieren, bei denen das Fluid eine Struktur verformt und diese Struktur wiederum aufgrund ihrer Deformation die Fluidströmung beeinflusst. Alle Physikinterfaces im CFD Module können mit jedem anderen Modul der COMSOL Produktpalette gekoppelt werden. Dadurch entsteht eine Standardplattform für alle Anwendungen, bei denen numerische Strömungsmechanik zu berücksichtigen ist.

COMSOL stellt auch Module bereit, bei denen Strömungen anders als im CFD Module modelliert werden. Diese lassen sich jedoch problemlos miteinander koppeln, so dass der Benutzer von den Vorzügen beider profitieren kann. Ein Beispiel hierfür ist das Pipe Flow Module. In diesem Modul werden vollständig entwickelte Strömungen in 2D- und 3D-Rohrleitungsnetzen modelliert. Zur Beschreibung der einzelnen Rohrleitungsabschnitte werden Kantenelemente mit einer Durchschnittsgeschwindigkeitskomponente verwendet, die tangential entlang der Kanten verläuft. So können Sie in einem Prozess die Strömung in einem Rohrleitungsnetz modellieren, das mit Tanks verbunden ist. Vermieden werden dabei die Vernetzung des Rohrleitungsquerschnitts und dadurch bedingte große 3D-Netze. COMSOL enthält eine Funktion, mit der eine nahtlose Zuordnung von Kantendaten zu Flächen und Volumen (und umgekehrt) möglich ist. Auf diese Weise lässt sich eine Verbindung zwischen Rohrleitungsnetzen und vollständig vernetzten 2D- oder 3D-Geometrien herstellen. Dadurch können Sie die numerischen Strömungseigenschaften eines bestimmten Bauelements innerhalb des gesamten Rohrleitungsnetzes berücksichtigen und die Betriebsbedingungen wechselseitig anpassen.

Alle physikalischen Eigenschaften werden mit einem einheitlichen Workflow auf derselben Standardbenutzeroberfläche modelliert. Daher können sich CFD-Ingenieure problemlos mit anderen Ingenieuren austauschen, die andere Merkmale desselben Bauteils oder Prozesses (z. B. strukturmechanische, elektrische oder chemische Eigenschaften) analysieren. Sie brauchen nur die Datei zu übersenden, die nicht zu untersuchenden physikalischen Eigenschaften zu deaktivieren, eine oder zwei andere Physikinterfaces hinzuzufügen und mit der Modellierung fortzufahren. Um eine vollständige multiphysikalische Simulation des Bauteils oder Prozesses zu erzielen, können diese neuen Physikinterfaces noch mit dem Interface gekoppelt werden, dass die Strömung beschreibt.

Schritt für Schritt zur endgültigen CFD-Lösung

Die numerische Strömungssimulation für Geräte oder Prozesse erfordert häufig einen Workflow, der aus vielen einzelnen Lösungsschritten besteht. Das CFD Module enthält viele unterschiedliche Werkzeuge, Funktionen, Einstellungen und Schnittstellen, die Ihnen bei allen Schritten des Workflows Hilfestellung bieten.

Das CAD Import Module oder eines der LiveLink-Produkte hilft die für die Simulation benötigte Geometrie eines Bauteils, einer Komponente oder eines Prozesses aus einer CAD-Software zu importieren. Diese Produkte erlauben Ihnen anschließend Ihre Geometrie zu bearbeiten. Dabei lassen sich kleine Geometrieelemente und Artefakte entfernen, die für die Strömung irrelevant sind, aber die Vernetzung der CFD-Simulationen erschweren.

Wenn Sie die 3D-CAD-Konstruktion in das CFD Module geladen haben, möchten Sie vielleicht nicht direkt mit einer 3D-Simulation beginnen. COMSOL Multiphysics bietet hier die Möglichkeit, aus 3D-Geometrien 2D-Geometrien zu erstellen. Bei der Arbeit an einer 2D-Geometrie, z. B. einem repräsentativem Querschnitt, können Sie sich vorab mit einer Reihe von Simulationsparametern vertraut machen. Ohne die umfangreichen Computerressourcen in Anspruch zu nehmen, die für ein 3D-Modell erforderlich wären, können Sie folgende Aufgaben ausführen:

  • Untersuchen der Auswirkungen von Fluideigenschaften auf die Gesamtsimulation
  • Festlegen des geeigneten Turbulenzmodells
  • Festlegen der Anordnung einer geeigneten Vernetzung und der Randschichtenvernetzung
  • Auswählen der zu verwendenden Löser und Einstellungen
  • Untersuchen der Auswirkungen von multiphysikalischen Kopplungen auf die Fluidströmung
  • Einschätzen der bei einem 3D-Modell zu erwartenden Genauigkeit

Mit einem besseren Verständnis des Systems können Sie mithilfe des gewonnen Wissens und der optimalen Einstellungen des 2D-Modells eine vollständige 3D-Simulation ausführen. Diese Funktion ist besonders praktisch für die Verarbeitung von symmetrischen oder achsensymmetrischen 3D-CAD-Konstruktionen, da die 3D-Modellierung komplett umgangen wird und die Computerressourcen geschont werden.

Werkzeuge für mehr Flexibilität bei der Vernetzung und stabileres Lösen

Ein kritischer Schritt bei der Modellierung der numerischen Strömungsmechanik (CFD) für Geräte oder Prozesse ist häufig die Vernetzung. Das Netz muss ausreichend engmaschig sein, um Genauigkeit zu gewährleisten, aber nicht so fein, dass die Computerressourcen überlastet werden. COMSOL Multiphysics stellt viele unterschiedliche Werkzeuge bereit, mit denen Sie ein optimales Netz für Fluidströmungssimulationen erstellen können. Mit den integrierten unstrukturierten, strukturierten und extrudierten Netzen ist bei der Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen der Modelldomäne und deren Längenverhältnis sowie der Auswirkungen auf die Strömungsrichtung die nötige Flexibilität gegeben. Das CFD Module verwendet außerdem eine Randschichtenvernetzung. Dabei werden entlang von Begrenzungen (z. B. Wänden) strukturierte Netzschichten eingefügt und in die umgebenden strukturierten oder unstrukturierten Netze integriert. So entsteht ein insgesamt hybrides Netz.

Das CFD Module verwendet die meisten linearen, nicht linearen, zeitabhängigen und parametrischen Löser, die in COMSOL Multiphysics verfügbar sind. Für die Berechnung von 2D- und kleinen 3D-Modellen, die die Eigenschaft haben, leicht zu konvergieren, werden direkte Löser verwendet. Für größere oder komplexere Modelle kommen iterative Löser zum Einsatz. Zur Verfügung stehen auch Vorkonditionierer und Mehrgitterverfahren, die gemeinsam mit anderen Lösern eine Lösung der Simulation gewährleisten. Verfügbar sind auch Löser mit erweiterter Funktionalität, z. B. Crosswind- und Streamline-Diffusion, und Glättungsmethoden. Deren Werte können wie die meisten anderen Lösereinstellungen angepasst und optimiert werden. Das CFD Module verwendet zudem in einer einzigen Simulation Elemente verschiedener Ordnung. Elemente niedriger Ordnung dienen beispielsweise zum Berechnen einer Variablen (z. B. Druck), die übrigen Variablen werden mit Elementen höherer Ordnung gelöst.

Das Löser-Schema ermöglicht eine bessere Näherung für die Ausgangswerte eines Berechnungsprozesses. Dazu gehört die Konfiguration von Löser-Schemas, durch deren Berechnung sich Strömungen leichter beschreiben lassen (z. B. das laminare Strömungsfeld in einer bestimmten Modelldomäne). Anschließend wird diese Lösung als erste Schätzung für die Beschreibung einer turbulenten Strömung verwendet. Eine Lösung mit dem Frozen Rotor-Ansatz kann als erste Schätzung für eine vollständige Simulation der Rotationsmodelldomäne verwendet werden. Dadurch wird wesentlich weniger Rechenleistung benötigt.

Extrahieren exakter und erläuternder Daten aus Strömungssimulationen

Das CFD Module berechnet die wesentlichen Eigenschaften von Fluidströmungen. Dies sind unter anderem: Strömungsmuster, Druckverluste, Kräfte, die an von der Strömung betroffenen Objekten auftreten, sowie Strömungswiderstand und Auftrieb, Temperaturverteilung und Varianten der Fluidzusammensetzung in einem System. Es enthält außerdem ein hochwertiges Nachbearbeitungs-Werkzeuge für Flächen-, Stromlinien-, Band- und Pfeil-Plots sowie hochwertige Partikelverfolgungs-Plots. Auch Animationen können nachbearbeitet werden. Man kann auf alle Parameter- und Variablendaten in den zugrunde liegenden Gleichungen zugreifen. Zur Verfügung stehen außerdem zusätzliche Ausdrücke, die extrahiert und im Vergleich mit jedem anderen Parameter oder jeder anderen Variablen dargestellt werden können. Möglich ist auch die Nachbearbeitung von abgeleiteten Werten, wie Strömungswiderstands- und Auftriebsbeiwerte. Indem die physikalischen Möglichkeiten des Particle Tracing Modules in die Berechnung Ihrer CFD-Anwendungen einbezogen und mit der Berechnung gekoppelt werden, können die Auswirkungen von Partikeln auf die eigentliche Strömung (Lagrange-Euler) und auf alle anderen Parameter (durch Kollisionen und Eigendynamik) berücksichtigt werden.

Numerical Simulation-Based Topology Optimization Leads to Better Cooling of Electronic Components in Toyota Hybrid Vehicles

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

The Burning Need for Modeling

Sea Floor Energy Harvesting

Silent Air Cooling: A New Approach to Thermal Management

Cluster Simulation of Refrigeration Systems

Magnets Improve Quality of High-Power Laser Beam Welding

A Smooth Optical Surface in Minutes

Restoration of Lake Water Environments

The Science of Water Screening

Syngas Combustion in a Round-Jet Burner

Heat Sink

Droplet Breakup in a T-junction

Circulated Fluidized Bed

Displacement Ventilation

Inkjet Nozzle - Level Set Method

Capillary Filling - Level Set and Phase Field Methods

Laminar Flow in a Baffled Stirred Mixer

Separation Through Electrocoalescence

Airflow over an Ahmed Body