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CFD Module

Simulare flussi monofase e multifase

Per eseguire simulazioni fluidodinamiche computazionali potete affidarvi al CFD Module, un prodotto aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics®. Il CFD Module fornisce gli strumenti per modellare i capisaldi dell'analisi fluidodinamica, tra cui:

  • Flussi interni ed esterni
  • Flussi incomprimibili e comprimibili
  • Flussi laminari e turbolenti
  • Flussi monofase e multifase
  • Flussi in mezzi liberi e porosi

Il CFD Module include anche funzionalità multifisiche per la modellazione di flussi non isotermi con trasferimento di calore coniugato, flusso reattivo, interazione fluido-struttura (FSI) ed elettroidrodinamica (EHD).

Le capacità multifisiche sono virtualmente illimitate all'interno del modulo e, in combinazione con altri moduli della gamma di prodotti COMSOL, è possibile aggiungere ulteriori accoppiamenti multifisici. Ad esempio, il CFD Module può essere utilizzato insieme allo Structural Mechanics Module per combinare la fluidodinamica con grandi deformazioni strutturali e simulare l’interazione fluido-struttura. L'ambiente di simulazione ha lo stesso aspetto indipendentemente dall’oggetto della modellazione.

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Modello di un'auto sportiva con due specchietti laterali e due portiere con linee di flusso gialle che mostrano il campo di flusso dalla parte anteriore a quella posteriore dell'auto.
Visualizzazione dettagliata di un modello di miscelatore che mostra la velocità e il flusso.
Visualizzazione dettagliata di un cilindro in un canale con l'intensità della velocità e il flusso.

Flusso laminare e creeping

È possibile modellare il flusso laminare transitorio e stazionario con le equazioni di Navier–Stokes o il flusso scorrevole con le equazioni di Stokes.

Oltre a modellare fluidi con densità e viscosità costanti, il modulo consente lo studio di fluidi in cui viscosità e densità dipendono dalla temperatura, dalla composizione locale, dal campo elettrico o da qualsiasi altro campo o variabile modellato. In generale, le fonti di densità, viscosità e quantità di moto possono essere funzioni arbitrarie di qualsiasi variabile dipendente, nonché di derivate delle variabili dipendenti.

Per i fluidi non newtoniani, sono disponibili tre modelli di reologia predefiniti per la viscosità, come Power Law, Carreau, Bingham, Herschel–Bulkley o Casson, per configurare facilmente il modello.

Esistono anche funzionalità per la modellazione del flusso laminare in strutture in movimento, come l'apertura e la chiusura di valvole o giranti.

Flusso turbolento

Una serie completa di modelli di turbolenza di Navier-Stokes con media di Reynolds (Reynolds-averaged Navier–Stokes, RANS) è disponibile nelle interfacce di flusso predefinite del CFD Module. Questi modelli permettono di simulare una vasta gamma di flussi turbolenti stazionari e transitori. Le equazioni del modello possono essere aggiornate o estese direttamente nell'interfaccia utente per creare modelli di turbolenza che non sono ancora inclusi.

Modelli di turbolenza RANS

Modelli eddy viscosity
  • Algebric yPlus
  • L-VEL
  • k-ε
  • k-ε realizzabile
  • k-ω
  • SST
  • k-ε Low-Re
  • Spalart-Allmaras
  • v2-f
Modelli Reynolds-Stress Turbulence
  • Wilcox R-ω
  • SSG–LRR

Trattamento della parete

Una vista dettagliata della risoluzione delle pareti e della velocità di flusso in un modello di bacino per il trattamento delle acque.
Funzioni di parete

Robusto e applicabile per mesh rade, con precisione limitata.

Vista in primo piano di un modello Eppler 387 che mostra la transizione dello strato limite.
Trattamento a basso numero di Reynolds

Risolve il flusso fino alle pareti. Accurato, ma richiede una mesh fine.

Visualizzazione dettagliata di un modello di idrociclone che mostra la velocità del fluido.
Trattamento automatico delle pareti

Permette di ereditare la robustezza fornita dalle funzioni di parete, con una precisione di trattamento low-Re nelle regioni ben risolte.

Large Eddy Simulation (LES)

La Large eddy simulation (LES) è usata per risolvere i vortici turbolenti instabili tridimensionali più grandi, mentre gli effetti dei vortici più piccoli sono rappresentati per approssimazione. Quando è combinata con la mesh dello strato limite, questa tecnica offre una descrizione accurata di un campo di flusso transitorio così come di flussi e forze ai confini. I modelli LES — la multiscala variazionale basata sui residui (RBVM), la multiscala variazionale basata sui residui con viscosità (RBVMWV) e Smagorinsky — si possono applicare a flussi comprimibili e incomprimibili.

Detached Eddy Simulation (DES)

La simulazione detached eddy (DES) combina RANS e LES: RANS viene utilizzata negli strati limite e LES altrove. La DES combina il modello di turbolenza Spalart-Allmaras con i modelli LES RBVM, RBVMWV o Smagorinsky. Il trattamento delle pareti per Spalart-Allmaras è a basso numero di Reynolds o automatico.

Il vantaggio della DES è che richiede una mesh dello strato limite meno fitta rispetto a un LES puro. Ciò riduce notevolmente i requisiti di memoria e il tempo di calcolo durante la risoluzione delle equazioni del modello. I modelli DES sono applicabili a flussi monofase 3D, dipendenti dal tempo e incomprimibili.

Visualizzazione in dettaglio di un modello di ugello a getto d'inchiostro che mostra la velocità a 40 μs.
Visualizzazione dettagliata di un modello di miscelatore a deflettori che mostra il flusso turbolento.
Visualizzazione dettagliata di una bolla d'olio che sale attraverso un modello di contenitore d'acqua.
Visualizzazione in dettaglio di un modello elettrocoalescente che mostra il campo elettrico.

Flussi multifase e superfici libere

Nei sistemi di flusso multifase separati, è possibile utilizzare metodi di rilevamento della superficie per modellare e simulare il comportamento di bolle e goccioline, nonché di superfici libere. In questi casi, utilizzando i metodi level set e phase field, la forma dell'interfaccia di fase, gli effetti di tensione superficiale e i cambiamenti di topologia possono essere descritti in dettaglio.

Quando bolle, goccioline o particelle sono piccole rispetto al dominio computazionale e ne esiste un gran numero, si possono usare modelli di flusso multifase dispersi. Questi modelli tengono traccia della frazione di massa o volume delle diverse fasi e dell'influenza che le bolle, goccioline o particelle disperse hanno sul trasferimento di quantità di moto nel fluido in senso mediato. Tra i modelli di flusso disponibili: Bubbly Flow, Mixture, Eulero–Eulero e i modelli di miscela a trasporto di fase.

Flusso in mezzi porosi

IIl CFD Module semplifica la simulazione dei flussi nei mezzi porosi utilizzando quattro diversi modelli. Il modello Darcy's law è una descrizione robusta e computazionalmente poco costosa per i flussi in strutture porose. È disponibile anche per il flusso multifase. Il modello Brinkman Equations è un'estensione della legge di Darcy che tiene conto della dissipazione di energia cinetica mediante taglio viscoso, e può includere effetti inerziali. Rilevante per strutture altamente aperte con alta porosità, questo modello è più generale della legge di Darcy, ma anche più costoso dal punto di vista computazionale.

I modelli Free and Porous Media Flow, Brinkman e Free and Porous Media Flow, Darcy accoppiano il flusso nei domini porosi con il flusso laminare o turbolento (Brinkman) nei domini liberi. I modelli formulano le equazioni di Brinkman o di Darcy per il dominio poroso e le equazioni di Navier–Stokes per i domini liberi. Il flusso turbolento nei mezzi porosi può essere simulato nella versione Brinkman con uno dei modelli RANS basati su epsilon o omega con contributi aggiuntivi secondo Pedras-de Lemos o Nakayama-Kuwahara, o una loro combinazione.

Per maggiori dettagli su caratteristiche e funzionalità specifiche, consultare il Porous Media Flow Module o il Subsurface Flow Module.

Modello di mezzo libero e poroso che mostra il flusso turbolento attraverso un filtro dell'aria. La velocità sul lato a monte del filtro poroso e le linee di flusso colorate in base alla pressione sono entrambe visualizzate nella tabella dei colori Prism.
Modello di ugello supersonico che mostra i contorni del numero di Mach.

Flussi ad alti numeri di Mach

È possibile modellare flussi transonici e supersonici di fluidi comprimibili, sia in regime laminare che turbolento. Il modello laminare si utilizza in genere per i sistemi a bassa pressione e definisce automaticamente le equazioni per il momento, la massa e il bilancio energetico per i gas ideali. L'interfaccia per flussi ad alti numeri di Mach è disponibile per i modelli di turbolenza k-ε e Spalart-Allmaras.

In entrambi i casi, quando si risolvono questi modelli si può utilizzare il raffinamento automatico della mesh per risolvere il modello di shock, raffinando la mesh nelle regioni con gradienti di velocità e pressione molto elevati.

Fluidodinamica in macchine rotanti

Le macchine rotanti, come miscelatori e pompe, sono comuni nei processi e nelle apparecchiature di interesse fluidodinamico. Il CFD Module fornisce interfacce per macchine rotanti che formulano le equazioni della fluidodinamica inel sistema di riferimento rotante e sono disponibili per flussi laminari e turbolenti. È possibile risolvere i problemi utilizzando la descrizione completa dipendente dal tempo del sistema rotante, oppure utilizzare un approccio mediato basato sull'approssimazione del rotore congelato (frozen rotor). L'approccio del rotore congelato è poco dispendiosa dal punto di vista computazionale e può essere utilizzata per stimare velocità medie, variazioni di pressione, livelli di miscelazione, temperatura media, distribuzioni di concentrazione e altro ancora.

In generale, il CFD Module può anche risolvere problemi di moti fluidi non solo su frame rotanti, ma su qualsiasi sistema di riferimento mobile: per esempio, l'apertura e la chiusura di valvole. È possibile utilizzare sistemi di riferimento mobili anche per risolvere un problema in cui una struttura scorre rispetto a un'altra struttura con un flusso all'interno, cosa semplice da configurare e risolvere utilizzando una mesh mobile.

Modello di una pompa centrifuga con un diagramma di sezione che mostra la magnitudo della velocità.
Un modello di cuscinetto autolubrificante che mostra i contorni della pressione, lo spessore del film e le linee di flusso della velocità di Darcy.

Flusso di film sottile

Per descrivere flussi in domini sottili, come sottili pellicole di olio tra parti meccaniche in movimento (tribologia) o strutture con fratture, il CFD Module offre le interfacce Thin Film Flow. Questa formulazione viene in genere utilizzata per modellare la lubrificazione, l'elastoidrodinamica o gli effetti dello smorzamento del fluido tra parti in movimento dovuto alla presenza di gas o liquidi (per esempio, nei MEMS). L'accoppiamento predefinito Thin-Film e Porous Media Flow può essere utilizzato per modellare flussi di autolubrificazione e squeeze-film.

Equazioni per acque poco profonde

Le equazioni delle acque poco profonde permettono di modellare il flusso sotto una superficie libera, purché che la scala di lunghezza orizzontale sia molto maggiore rispetto alla scala di lunghezza verticale. Le equazioni per acque poco profonde si ottengono mediando la profondità nelle equazioni di Navier–Stokes. Le variabili dipendenti sono la profondità dell'acqua e il flusso di quantità di moto. Le equazioni possono essere usate per modellare gli effetti degli tsunami e delle inondazioni.

Visualizzazione in dettaglio della superficie del livello dell'acqua in un modello di runup dello tsunami.
Visualizzazione in dettaglio dell'impatto di un'onda d'acqua su una colonna.

Creazione di modelli multifisici del mondo reale

Modellare fenomeni fisici multipli in COMSOL Multiphysics® non è diverso da affrontare un problema di fisica singola.

Visualizzazione dettagliata del flusso d'aria e della temperatura in un modello di dissipatore di calore.

Flusso laminare non isotermo

Proprietà del fluido dipendenti dalla temperatura e forze di galleggiamento; temperatura e flusso di calore costanti sull'interfaccia fra solido e fluido.

Visualizzazione in dettaglio del fumo prodotto da un bastoncino d'incenso in tre momenti diversi.

Flusso turbolento non isotermo

Formulazione Low-Re o funzioni termiche di parete per il trasferimento di calore coniugato alle frontiere solido-fluido con RANS o LES.

Visualizzazione in dettaglio della velocità e della deformazione in un modello di un pannello solare.

FSI: studi one-way

Interazione fluido–struttura in cui il flusso crea un carico su una struttura ma le deformazioni sono così piccole che non hanno impatto sul flusso.

Visualizzazione in dettaglio dell'interazione fluido-struttura dell'acqua in un contenitore.

FSI: completamente accoppiato1

Interazione fluido–struttura in cui il flusso crea carichi su una struttura, le deformazioni sono importanti e influenzano il flusso.

Visualizzazione in dettaglio di un serbatoio che mostra la fermentazione della birra.

Flusso reagente generale

Trasporto multicomponente e reazioni in miscele diluite e concentrate; si utilizza il modello mediato dalla miscela o la legge di Fick.

Visualizzazione in dettaglio di un reattore tubolare multijet che mostra le superfici di isoconcentrazione.

Flusso reagente avanzato2

Equazioni di trasporto multicomponente di Maxwell–Stefan complete per i flussi laminari.

Vista in primo piano di un modello di ugello con contorni.

Flusso reattivo ad alto numero di Mach2

Flusso ad alto numero di Mach con trasporto di specie chimiche e reazioni per specie concentrate e diluite.

Visualizzazione in dettaglio di un modello di miscelatore che mostra il campo di flusso.

Miscelatori3

Flussi multifase e superfici libere per macchine rotanti, oltre a una Part Library per giranti e serbatoi.

Visualizzazione in dettaglio di un modello di un tubo a gomito che mostra la velocità sotto forma di particelle.

Particle tracing4

Modelli di flusso multifase Euler–Lagrange, dove le particelle o le goccioline sono modellate come entità discrete.

Visualizzazione in dettaglio del modello di uno scambiatore di calore a tubo che mostra la pressione e la velocità.

Pipe flow e CFD5

Tubazioni e canali collegati a domini fluidi 2D/3D con flussi non isotermi, sia per flussi laminari che turbolenti.

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

Funzionalità generali adattate per risolvere problemi CFD

Il CFD Module offre funzionalità specializzate per le simulazioni di fluidodinamica e si integra perfettamente nella piattaforma COMSOL Multiphysics® per garantire un flusso di lavoro coerente.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Fluid-Structure Interaction evidenziato e un modello di striscia bimetallica mostrato nella finestra Graphics.

Interfacce di fluidodinamica

Per modellare flussi laminari, turbolenti, multifase, comprimibili, ad alti numeri di Mach e a film sottile, nonché equazioni in acque poco profonde, il CFD Module fornisce un gran numero di interfacce di fluidodinamica su misura dei diversi regimi. Ogni interfaccia fluidodinamica definisce set di equazioni di dominio, condizioni al contorno, condizioni iniziali, mesh predefinite, studi predefiniti con impostazioni del solutore per analisi stazionarie e transitorie, grafici predefiniti e valori derivati.

Vista in primo piano del nodo Heat Capacity selezionato nel Model Builder e un modello di guarnizione di un motore nella finestra Graphics.

Materiali

Il CFD Module include una Material Library con i gas e i liquidi più comuni. La combinazione con il Chemical Reaction Engineering Module o il Liquid & Gas Properties Module permette di accedere a descrizioni generiche relative alle proprietà termodinamiche dei fluidi (come viscosità, densità, diffusività, conduttività termica, calore di formazione e trasformazione di fase).

Visualizzazione in primo piano della finestra High Mach Number Flow Laminar Settings e di un modello di urto di Eulero mostrato nella finestra Graphics

Discretizzazione

Le interfacce descrittive del moto dei fluidi utilizzano i metodi Galerkin/least-square e Petrov–Galerkin per discretizzare le equazioni di flusso e generare il modello numerico nello spazio (2D, 2D asimmetrico e 3D). Le funzioni di test sono progettate per stabilizzare i termini iperbolici e il termine di pressione nelle equazioni di trasporto. Tecniche di cattura degli shock riducono ulteriormente le oscillazioni spurie. Inoltre, formulazioni di Galerkin discontinue vengono utilizzate per conservare momento, massa ed energia sulle frontiere interne ed esterne.

Visualizzazione in primo piano di un grafico di trascinamento 1D e del modello di un pallone da calcio nella finestra Graphics.

Valutazione e visualizzazione dei risultati

Le interfacce di fluidodinamica generano una serie di grafici predefiniti per analizzare i campi di velocità e pressione. Sono disponibili grafici delle linee di flusso per visualizzare il flusso e la sua direzione. Si possono usare grafici di superficie e di volume per mostrare la pressione e la grandezza del vettore velocità. Esiste un vasto elenco di valori derivati e variabili facilmente accessibili per estrarre risultati analitici, come il coefficiente di resistenza.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Geometry evidenziato e un modello di corpo ahmed mostrato nella finestra Graphics.

Geometria

È possibile generare domini di flusso, come un riquadro di delimitazione, attorno a geometrie CAD importate. Inoltre, sono disponibili strumenti per rimuovere automaticamente o manualmente i dettagli che non sono rilevanti per il campo d moto. Con il CAD Import Module, si può importare e riparare la maggior parte dei formati di file CAD ed è possibile eseguire operazioni di semplificazione. Gli strumenti di geometria integrati per il CAD sono anche in grado di creare geometrie e domini complessi.

Vista in primo piano della finestra Mesh Settings e un modello di auto sportiva nella finestra Graphics.

Mesh

La funzionalità mesh controllata dalla fisica nel CFD Module tiene in considerazione le condizioni al contorno nei problemi di CFD al fine di calcolare soluzioni accurate. Una mesh di strato limite viene generata automaticamente per risolvere i gradienti di velocità che di solito si presentano sulle superfici in cui vengono applicate condizioni di parete.

Vista in primo piano del Model Builder che mostra il nodo Turbolent Flow espanso e un modello di idrociclone visualizzato nella finestra Graphics.

Solutori

Le equazioni della fluidodinamica sono di solito altamente non lineari. Per risolvere le equazioni del modello numerico, le impostazioni del solutore automatico selezionano un metodo di Newton smorzato appropriato. Per problemi di grandi dimensioni, le iterazioni lineari nel metodo Newton sono accelerate da metodi multigrid algebrici o geometrici all'avanguardia, progettati in modo specifico per i problemi di trasporto.

Per i problemi transitori, le tecniche di time-stepping con time stepping automatico e ordini polinomiali automatici vengono utilizzate per risolvere i campi di velocità e pressione con la massima precisione possibile, in combinazione con i solutori non lineari menzionati sopra.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni di input in un'app di simulazione e del modello di un bacino di trattamento dell'acqua nella finestra Graphics.

App di simulazione

È possibile creare interfacce utente di qualsiasi modello esistente utilizzando l'Application Builder, che è incluso in COMSOL Multiphysics®. Questo strumento consente di creare app per scopi molto specifici con input e output ben definiti. Le app possono essere usate per molti scopi diversi, tra cui automatizzare attività complesse e ripetitive, creare e aggiornare report, fornire interfacce user-friendly per utenti non esperti, ampliare l'accesso ai modelli all'interno di un'organizzazione e ottenere un vantaggio competitivo nei confronti dei clienti.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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