COMSOL Multiphysics® ソフトウェアの最新バージョンでは, モデルツリーのマルチフィジックスノードでカップリングが事前定義された, 構成インターフェースを個別のフィジックスインターフェースとして含む新しいマルチフィジックスインターフェースがいくつか追加されました. これにより, 構成フィジックスインターフェースの柔軟性と, 事前定義されたマルチフィジックスカップリングのユーザーフレンドリな性質を組み合わせた, 両方の長所が得られます. COMSOL Multiphysics® の最新バージョン (バージョン 5.2a) も, 新しい反応流マルチフィジックスインターフェースを備えており, 例外ではありません.
ガスと液体の流体流れと反応のスタディ
化学反応工学, CFD, プラズマの各モジュールには, Maxwell-Stefan 方程式や混合平均モデルなど, 濃縮溶液中の化学種輸送に関する方程式のさまざまなバリエーションが含まれています. 濃縮溶液では, モデル方程式は溶液内のすべての種間の相互作用を考慮する必要がありますが, 希薄溶液のモデルには溶質と溶媒間の相互作用のみが含まれます. 以下の図は, これら2つの説明の違いを示しています.
希薄溶液 (左) と濃縮溶液 (右). 希薄溶液内の相互作用は, 溶媒と溶質, および溶媒と溶媒間の相互作用によって支配されます. 濃縮溶液では, すべての種が互いに相互作用します.
これらの相互作用に加えて, 濃縮溶液内の速度場は, すべての化学種の流束の合計として定義されます, i:
(1)
ここで, n は kg/(m2s) 単位の流束を表し, ρ は密度 (kg/m3) を表します. 希薄溶液の場合, 速度場は溶媒の速度によって与えられます:
(2)
上記の画像と 式 (1) からわかるように, 濃縮溶液の場合, 化学種輸送と流体流れは密接に結びついています.
COMSOL Multiphysics® の新しい反応流マルチフィジックスインターフェースの利用
COMSOL Multiphysics® の以前のバージョンでは, 反応流インターフェースは, 独自のドメイン設定と境界条件を持つ単一のマルチフィジックスインターフェースであり, 特に流れと化学種の輸送および反応を結合するために設計されていました. このアプローチは, すべてが事前定義されていたため, 本質的にユーザーフレンドリでした. ただし, この事前定義されたフィジックスインターフェースでは, COMSOL Multiphysics® の一般的な柔軟性の一部が失われていました. たとえば, 濃縮種の輸送方程式と流れ方程式に個別に大きな変更を加えたいとします. これを行うには, 事前定義されたマルチフィジックスインターフェースを使用する代わりに, 2種類のフィジックスインターフェースを個別に追加して問題を定義し, 手動でマルチフィジックスカップリングを構築する必要があります.
濃縮溶液用の新しい反応流インターフェースを使用すると, 輸送方程式と流体流れ設定を個別に操作する機能を維持しながら, この密なカップリングを処理できます. カップリング自体は, マルチフィジックスノードで定義されます. このような機能を使用すると, たとえば, 層流から乱流に変更したり, 輸送モデルを Maxwell-Stefan 方程式から混合平均モデルに変更したりできます.
これがモデルツリーとマルチフィジックスノードの設定にどのように表示されるかを見てみましょう. 次のスクリーンショットに示すように, カップリングはマルチフィジックスノードで事前定義されていますが, 構成フィジックスインターフェースの通常のノードはすべて変更できます. 事前定義されたカップリングは質量流束を制御し, すべての化学種にわたって合計すると, 流れの連続方程式を満たします. そのため, 2セットの方程式は双方向で完全に連成されています.
反応流マルチフィジックスノードが選択されたモデルツリー. ここでは, どのフィジックスインターフェースを連成するかを選択できます. また, 乱流反応流を含めることができるように流れモデルを変更することもできます. これは, 以前のマルチフィジックスインターフェースと比較して, 使いやすさを維持しながら柔軟性がさらに向上したものです.
新しい反応流マルチフィジックスインターフェースのもう1つの利点は, スタディノードにあります. 流体の流れ方程式を解いて, 総流束の適切な初期推定値を取得することができます. 2番目のステップでは, 流体の流れ方程式の前の解によって与えられた速度場を使用して, 化学種の輸送のみを解くことができます.
これで, 流体の流れと溶液の構成に関する適切な解が得られました. これを, 完全連成問題の初期推測として使用できます. したがって, 最後のスタディステップ (ステップ 3) では, 完全連成スキームで流体の流れと化学種の輸送を解きます. ただし, 完全連成スキーム自体も3Dで多数の化学種に対して連続的になる場合がありますが, すべての化学種と流体の流れに対するループは自動的に実行されることに注意してください.
3つのスタディステップ (1, 2, 3) は, それぞれ流体流れ, 化学種輸送, 完全連成の問題を解きます. 自動生成されたソルバー構成には, 流れ場と濃度場を保存する中間ステップと, 保存された解を初期推測として使用して完全連成の問題を解く最終ステップが表示されます.
新しい反応流マルチフィジックスインターフェースを利用すると, 以下に示すようなさまざまな興味深い問題を求解できます. この例では, メタンを水素に変換する管状反応器内の流れと濃度を確認できます. このモデルは, 濃縮溶液内の化学種の輸送, 自由媒体と多孔質媒体内の流体の流れ, 吸熱反応と反応器の円筒形外壁の加熱ジャケットによる熱伝達を組み合わせています.
メタンを水素に変換する反応器内の水素の濃度. この反応は吸熱反応であり, 円筒壁に熱が供給されるため, 壁の近くでより多くの水素が生成されます.
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