単相流, 混相流のシミュレーション
COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオン製品である CFD モジュールを使用して, 計算流体力学 (CFD) のシミュレーションを実行します. CFD モジュールで利用できる流体解析のための基礎モデリングツールは次のとおりです:
CFD モジュールには, 共役熱伝達, 反応流, 流体構造相互作用 (FSI), 電気流体力学 (EHD) による非等温流をモデル化するマルチフィジックス機能も含まれています.
マルチフィジックス機能はモジュール内では事実上無制限であり, COMSOL 製品の他のモジュールと組み合わせると, 追加のマルチフィジックスカップリングを追加できます. たとえば, CFD モジュールを構造力学モジュールと一緒に使用して, 流体流と大きな構造変形を組み合わせて FSI をシミュレートできます. シミュレーション環境は, モデル化されているものに関係なく同じです.
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ナビエ・ストークス方程式を使用して過渡流や定常流をモデル化するか, ストークス方程式でクリープ流れをモデル化します.
一定の密度と粘度を持つ流体をモデル化するだけでなく, モジュールは, 粘度と密度が温度, 局所組成, 電場, またはその他のモデル化された場または変数に依存する流体の研究をサポートします. 一般に, 密度, 粘度, および運動量ソースは, 従属変数の任意の関数, および従属変数の導関数にすることができます.
非ニュートン流体の場合, モデルを簡単に設定できるように, べき乗則, Carreau, Bingham, Herschel–Bulkley, Casson などの粘度用の定義済みの汎用レオロジモデルがあります.
また, バルブの開閉やインペラーの回転など, 移動構造内の層流をモデル化する機能もあります.
CFD モジュールの定義済み流れインターフェースでは, 包括的なレイノルズ平均ナビエ・ストークス (RANS) 乱流モデルが利用できます. これらのモデルを使用して, さまざまな定常および過渡乱流をシミュレートできます. モデル方程式をユーザーインターフェースで直接更新または拡張して, まだ含まれていない乱流モデルを作成することもできます.
ロバストで, 粗いメッシュにも適用できますが, 精度には限界があります.
壁に沿って流れる流動を求めます. 正確ですが, 細かいメッシュが必要です.
壁関数によるロバスト性を維持し, 高解像度の領域では低レイノルズ数処理と同じ精度が得られます.
ラージエディシミュレーション (LES) は, 3次元の大きな非定常乱流渦を求解するために使用されますが, 小さな渦の影響はおおよそで表されます. 境界層メッシュと組み合わせることで, 過渡的な流れ場や, 境界での流束および力の正確な記述を得ることができます. LES モデルでは, 残留基盤変分マルチスケールモデル (RBVM), 粘度のある残留基盤変分マルチスケールモデル (RBVMWV), およびスマゴリンスキーが利用可能です.
DES は RANS と LES を組み合わせたもので, RANS は境界層で使用され, LES はその他の場所で使用されます. DES は Spalart–Allmaras 乱流モデルと LES モデル (RBVM, RBVMWV, または Smagorinsky) を組み合わせたものです. Spalart–Allmaras の壁処理は, 低レイノルズ数または自動壁処理のいずれかです.
DES の利点は, 純粋な LES よりも必要な境界層メッシュの密度が低いことです. これにより, モデル方程式を解く際のメモリ要件と計算時間が大幅に削減されます. DES モデルは, 3Dの時間依存の非圧縮性単相流れに適用できます.
分離された多相流系では, 表面追跡法を使用して, 気泡や液滴, および自由表面の挙動をモデル化およびシミュレートできます. このような場合, レベルセット法とフェーズフィールド法を使用することで, 相境界の形状, 表面張力の影響, およびトポロジの変化を詳細に記述できます.
分散多相流モデルは, 計算領域に比べて小さい気泡, 液滴, または粒子が多数存在するシナリオで使用できます. これらのモデルは, さまざまな相の質量または体積分率と, 分散した気泡, 液滴, または粒子が流体の運動量の移動に及ぼす影響を平均的に追跡します. 使用可能な流れモデルには, 気泡流, 混合, オイラー・オイラー, および相輸送混合モデルがあります.
CFD モジュールを使用すると, 4つの異なる多孔質媒体流れモデルを使用して, 多孔質媒体内の流体流れを簡単にシミュレートできます. ダルシー則モデルは, 多孔質構造内の流れを堅牢かつ計算コストのかからない方法で記述します. このモデルは, 多相流にも使用できます. ブリンクマン方程式モデルは, 粘性せん断による運動エネルギーの散逸を考慮したダルシー則の拡張であり, 慣性効果を含めることができます. このモデルは, 高多孔性を持つ非常に開いた構造に関連し, ダルシー則よりも一般的ですが, 計算コストも高くなります.
自由多孔質媒体流モデルは, 多孔質領域の流れと自由領域の層流または乱流を連成します. このモデルは, 多孔質領域のブリンクマン方程式と自由領域のナビエ・ストークス方程式を定式化します.
特定の機能の詳細については, 多孔質媒体流モジュール または 表面下流モジュール を参照してください.
層流と乱流の両方の領域で, 圧縮性流体の遷音速および超音速流をモデル化します. 層流モデルは, 通常, 低圧系れ使用され, 理想気体の運動量, 質量, およびエネルギーバランスの方程式を自動的に定義します. 高マッハ数流れは, すべての RANS 方程式乱流モデルでも使用できます.
どちらの場合でも, これらのモデルを解く際は, 自動メッシュ細分化を用いて, 非常に高速で圧力勾配のある領域のメッシュを細分化することで, 衝撃波パターンを求解することができます.
ミキサーやポンプなどの回転機械は, 流体の流れが発生するプロセスや装置でよく使用されます. CFD モジュールは, 層流と乱流の両方で使用できる, 回転座標系で流体の流れ方程式を定式化する回転機械インターフェースを提供します. 問題は, 回転系の完全な時間依存記述, またはフローズンローター近似に基づく平均化アプローチのいずれかを使用して求解できます. フローズンローターアプローチは計算コストが低く, 平均速度, 圧力変化, 混合レベル, 平均温度および濃度分布などを推定するために使用できます.
一般的に, CFD モジュールは, 回転座標系だけでなく, バルブの開閉など, 任意の移動座標系上の流体流れの問題も求解できます. 移動座標系は, 流体流れが間に介在する別の構造に対して構造がスライドする問題を求解するためにも使用できます. これは, 移動メッシュを使用することで簡単に設定および求解できます.
可動機械部品 (トライボロジ) 間や, 破損構造間の薄油膜などの薄領域内の流れを説明するには, CFD モジュールの薄膜流インターフェースを使います. この定式化は通常, 潤滑や弾性流体力学, MEMS 内などの気体や液体の存在に起因する可動部品間の流体減衰のモデリングに使われます.
浅水方程式により, 水平方向の長さスケールが垂直方向の長さスケールよりはるかに大きいという条件下で, 自由表面下の流れをモデル化できます. 浅水方程式は, ナビエ・ストークス方程式を水深平均化することで得られます. 従属変数は, 水深と運動量流束です. 方程式は, 津波や洪水の影響をモデル化するために使用できます.
COMSOL Multiphysics® を使用したモデリングでは, 複数の物理現象であっても, 単一の物理現象の問題と全く変わりません.
温度に依存する流体特性と浮力. そして, 固体‐流体内部境界を越えた熱流束はありません.
乱流モデルと LES を使用した共役熱伝導. そして, 固体‐流体境界上の正確な熱流束.
流体‐構造相互作用 (FSI) で, 流れが構造物に与えた負荷によって構造物は変形しますが, その変形は流れに影響を与えないほど小さいです.
流れが構造物に与えた負荷によって構造物は大きく変形し, 流れに影響を与える流体 ‐ 構造相互作用 (FSI).
混合平均モデルまたはフィックの法則を使用した, 希釈混合と濃縮混合の多成分輸送および反応.
層流の完全マクスウェル・ステファン多成分輸送方程式.
濃縮および希釈された化学種の輸送と反応を伴う高マッハ数の流れ.
回転機械用の多相流と自由表面, および羽根や容器などの部品ライブラリ.
オイラー・ラグランジュ的多相流モデルで, 粒子または液滴は別々のエンティティとしてモデル化されます.
非等温流の2D/3D 流体領域に接続されたパイプと流路, 層流と乱流の両方に対応しています.
CFD モジュールには, 流体流れシミュレーションのための特殊機能がついており, COMSOL Multiphysics® プラットフォームとシームレスに連携し, 一貫したモデル構築ワークフローを実現します.
層流, 乱流, 多相流, 圧縮性流れ, 高マッハ数による流れ, 薄膜流, および浅水方程式をモデル化するために, CFD モジュールは, これらの流れのさまざまな条件に合わせて調整された多数の流体流れインターフェースを提供します. 各流体流れインターフェースは, ドメイン方程式, 境界条件, 初期条件, 事前定義されたメッシュ, 定常および過渡解析のソルバー設定を使用した事前定義されたスタディ, および事前定義されたプロットと派生値のセットを定義します.
CFD モジュールには, 最も一般的なガスと液体を含む材料ライブラリが含まれています. このモジュールを 化学反応工学モジュール または 液体 & 気体特性モジュール と組み合わせて使用すると, 流体の熱力学的特性 (粘度, 密度, 拡散率, 熱伝導率, 生成熱, 相転移など) の汎用的な記述にアクセスできます.
流体流れ インターフェースは, ガラーキン最小二乗法とペトロフ・ガラーキン法を使用して流れ方程式を離散化し, 空間 (2D, 2D軸対称, 3D) で数値モデルを生成します. テスト関数は, 輸送方程式の双曲項と圧力項を安定化するように設計されています. 衝撃を捕捉する技術により, スプリアス振動がさらに低減されます. さらに, 不連続ガラーキン定式化を使用して, 内部境界と外部境界で運動量, 質量, エネルギーを保存します.
流体流れインターフェースは, 速度場と圧力場を解析するための多数のデフォルトプロットを生成します. 流線プロットを使用して, 流れと流れの方向を可視化できます. サーフェスプロットとボリュームプロットを使用して, 圧力と速度ベクトルの大きさを表示できます. また, 抗力係数などの解析結果を抽出するために簡単にアクセスできる, 計算値と変数の広範なリストもあります.
インポートした CAD ジオメトリの周囲に境界ボックスなどの流れドメインを生成します. さらに, 流体の流れに関係のない詳細を自動または手動で削除するツールも用意されています. CAD インポートモジュール を使用すると, ほとんどの CAD ファイル形式をインポートし, 修復および詳細除去操作を実行できます. CAD の組み込みジオメトリツールでは, 複雑なジオメトリとドメインを作成することもできます.
CFD モジュールのフィジックス制御メッシュ機能は, メッシュシーケンスを生成する際に, 流体流れ問題の境界条件を考慮に入れます. 壁面条件が適用する表面で通常発生する速度勾配を決定するための, 境界層メッシュが自動的に生成されます.
通常, 流れ方程式はかなり非線形です. 数値モデル方程式を解くには, 自動ソルバー設定によって適切な減衰ニュートン法が選ばれます. より大型の問題には, ニュートン法の線形反復が, 輸送問題専用に設計された最先端の代数マルチグリッド法またはジオメトリックマルチグリッド法によって加速されます.
過渡問題においては, 前述の非線形ソルバーと組み合わせて, 自動時間ステップと自動多項式次数による自動時間ステップ法を使い, 出来る限り正確に速度, 圧力場を決定します.
COMSOL Multiphysics® に含まれる アプリケーションビルダー を使用して, 既存のモデルの上にユーザーインターフェースを構築できます. このツールを使用すると, 明確に定義された入力と出力を使用して, 非常に特殊な目的のアプリケーションを作成できます. アプリケーションは, 困難で反復的なタスクの自動化, レポートの作成と更新, 非専門家向けのユーザーフレンドリなインターフェースの提供, 組織内でのモデルへのアクセスの向上, 顧客との競争上の優位性の獲得など, さまざまな目的で使用できます.
どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.
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