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), v2-f 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.