CFD モジュール

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:

  • 内部および外部流れ
  • 非圧縮性および圧縮性流れ
  • 層流および乱流
  • 単相および多相流れ
  • 自由表面および多孔質材料流れ

マルチフィジックス機能のモジュール内の組み合わせ, および COMSOL Multiphysics® の他のアドオンモジュールとの組み合わせは, 事実上無制限です. CFD モジュールでは, 非等温流れと共役熱伝達, 反応流, 流体—構造相互作用 (FSI), および電気流体力学 (EHD) の解析モデルリングツールを利用できます. また, マルチフィジックスカップリングを COMSOL 製品の他のモジュールと一緒に追加することも可能で, たとえば, FSI で流体と大規模な構造変形を組み合わせることもできます. モデリング対象に関わらず, シミュレーション環境は同じように見えます.

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2つのサイドミラーと2つのドアを備えたスポーツカーのモデルで, 黄色の流線が車の前部から後部への流れ場を示しています.

層流およびクリープ流れ

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, 粘度を持つ流体に加え, 密度, 粘度が温度, 局所組成, 電場, またはモデル化された他の場や変数に影響される流体をモデル化し, 調べることができます. 一般的に, 密度, 粘度, 運動量源は, 従属変数, 従属変数微分の任意関数とすることができます.

非ニュートン性流体の場合, べき法則, Carreau, Bingham, Herschel–Bulkley, Casson など, 一般的なものの, 事前定義された粘度に関するレオロジモデルを使い, 簡単にモデル化設定ができます.

また, バルブの開閉や回転インペラーといった可動構造物の層流をモデル化することもできます.

乱流

CFD モジュールの事前定義された流れインターフェースで, 包括的な一連の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すると, 幅広い定常乱流, 過渡乱流をシミュレーションできます. また, ユーザーインターフェースから直接, モデルの方程式の変更や拡張を行い, 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.

RANS Turbulence Models

二方程式モデル
  • k-ε
  • リアライザブル k-ε
  • k-ω
  • SST
  • Low-Re k-ε
他の輸送方程式モデル
  • Spalart–Allmaras
  • v2-f
代数乱流モデル
  • 幾何学的 yPlus
  • L-VEL

壁面処理

水処理流域モデルの壁の解像度と速度の流れの詳細図.
壁面機能

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.

3D 翼型モデルの流れと圧力の詳細図.
低レイノルズ数処理

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.

流体速度を示す液体サイクロンモデルの詳細図.
自動壁面処理

壁面機能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)

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.

多相流と自由表面

分離した多相流において, 表面追跡法を使い, 気泡や液滴の挙動, 自由表面をシミュレーションすることができます. その場合, レベルセット法とフェーズフィールド法を用いて, 表面張力効果やトポロジの変化などの界面形状が細かく説明されます.

気泡や液滴, 粒子が計算領域に比べると小さく, 多数に存在する場合は, 分散多相流モデルを使います. このモデルは異相の質量分率, 体積分率と分散した気泡や液滴, 粒子が流れ全体における運動量の移動に与える影響を追跡します. 利用可能な流れモデルは, 気泡流モデル, 混相流モデル, オイラー・オイラーモデル, 混相輸送モデルです.

多孔質媒体流

CFD モジュールで, 三つの異なる多孔質媒体流モデルを使い, 多孔質媒体内の流体流れをシミュレーションできます. ダルシーの法則モデルは, 多孔質構造内の流れをロバストかつ計算コストの低い方法で表します. また, 多相流にも利用可能です. 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散逸に適用されるダルシーの法則の拡張であり, 慣性効果を含めることができます. 高い多孔性のある非常に開放的な構造に関連しており, ダルシーの法則よりも一般的ですが, 計算コストは高くなります.

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.

高マッハ数流れ

層流と乱流における圧縮性流体の遷音速流と超音速流をモデル化します. 層流モデルは通常, 低圧システムで使われ, 理想的な気体の運動量, 質量, エネルギー平衡方程式を自動定義します. k-ε モデルと Spalart-Allmaras モデルには, 高マッハ数流れが利用できます.

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, 衝撃パターン求解することができます.

回転機器内の流体流れ

ミキサーやポンプなどの回転機械は, 流体の流れが起こるプロセスや装置でよく見られます. CFD モジュールには回転機械インターフェースがあり, 回転座標系内の流体流れ方程式を定式化し, 層流, 乱流に使用できます. 完全時間依存性記述, もしくはフローズンローター近似値に基づいた平均アプローチを使用して, 問題を解決することができます. 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, 濃度分布などを見積もるのに使用できます.

一般的には, CFD モジュールはバルブの開閉などの回転系だけでなく, あらゆる動標系上の流体流れ問題の求解に使われます. たとえば, ある構造物が別の構造物に対してスライドし, その間を流体が流れる, という問題は動標系を使って解くことができますが, 移動メッシュを用いることで簡単に設定および解決できます.

薄膜流

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

浅水方程式は, 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もはるかに大きいという条件で, 自由表面下の流れをモデル化することができます. 浅水方程式は, ナビエ・ストークス方程式の深さを平均化することによって得られます. 従属変数は, 水深と運動量フラックスです. この方程式は, 津波と洪水のモデリングに使用できます.

現実世界のマルチフィジックスモデルの作成

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.

ヒートシンクモデルの空気の流れと温度の詳細図.

非等温層流

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.

3つの異なる時間に線香によって生成された煙の詳細図.

非等温乱流

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.

太陽電池パネルモデルの速度場と変形の詳細図.

FSI: One-way スタディ

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.

コンテナ内の水の流体と構造の相互作用の詳細図.

FSI: 完全連成1

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).

ビールの発酵を示すタンクの詳細図.

一般的な反応流

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.

等濃度面を示すマルチジェット管状反応器の詳細図.

高度な反応流2

層流の完全マクスウェル・ステファン多成分輸送方程式.

流れ場を示すミキサーモデルの詳細図.

ミキサー3

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.

粒子としての速度を示すパイプエルボモデルの詳細図.

粒子追跡4

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.

圧力と速度を示す熱交換器パイプモデルの詳細図.

パイプ流とCFD5

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.

  1. 構造力学モジュール, MEMS モジュール, またはマルチボディダイナミクスモジュールが必要です
  2. 化学反応工学モジュール, バッテリデザインモジュール, または燃料電池&電解槽モジュールが必要です
  3. ミキサーモジュールが必要です
  4. 粒子追跡モジュールが必要です
  5. パイプ流れモジュールが必要です

CFD 問題求解のための一般的機能

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.

流体-構造相互作用ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにバイメタルストリップモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

流体流れインターフェース

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.

混合気プロパティの設定ウィンドウと, グラフィックスウィンドウのエンジンガスケットモデルのクローズアップ図.

材料

CFD モジュールには最も一般的な気体および液体を含む材料ライブラリがついています. 化学反応工学モジュールや, 液体&気体特性モジュールを組み合わせて, 気体の熱力学的特性 (粘度, 密度, 拡散率, 熱電導, 生成熱, 相変態など) の一般的記述を見ることができます.

高マッハ数流の層流設定ウィンドウの拡大図と, グラフィックスウィンドウに表示されたオイラーバンプのモデル.

離散化

流体流れインターフェースは, ガラーキン最小2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, 空間の数式モデル (2D, 2D 軸対称, 3D) を生成します. テスト機能は, 輸送方程式の双曲線項と圧力項を安定させる設計になっています. 衝撃波捕獲法によって, スプリアス振動はさらに減少します. 加えて, 非連続ガラーキン定式化が, 内部境界, 外部境界上の運動量, 質量, エネルギーを保存する際に使われます.

グラフィックウィンドウに表示された1D ドラッグプロットとサッカーボールモデルのクローズアップ図.

結果の評価と可視化

流体流れインターフェースでは, 速度, 圧力の場を解析する数多くの初期設定プロットが発生します. 流線型プロットを使用すると, 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すると, 圧力, 速度ベクトルの大きさを表示できます. 派生値と変数の豊富なリストがあり, 簡単なアクセスで抵抗係数などの解析結果を抽出できます.

ジオメトリノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにアーメドボディモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

ジオメトリ

インポート済み CAD ジオメトリ周辺に, バウンディングボックスなどの流れ領域を作ります. また, 流体流れに関係のない細目を自動または手動で削除するツールも利用できます. 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, 修復や無効化の操作を実行できます. CAD 用に内蔵されているジオメトリツールによって, 複雑なジオメトリやドメインを作成することができます.

メッシュ統計ウィンドウとグラフィックスウィンドウのスポーツカーモデルをクローズアップした図.

メッシング

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.

マルチグリッドノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに液体サイクロンモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

ソルバー

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.

シミュレーションアプリケーションの入力設定と水処理槽モデルをグラフィックスウィンドウでクローズアップした図.

シミュレーションアプリ

COMSOL Multiphysics®アプリケーションビルダーで, どの既存モデル上にでもユーザーインターフェースを作ることができます. このツールは, 入力と出力を明確に定義し, 特定の目的のためのアプリケーションを作ることを可能にします. アプリは, 困難で反復率の高いタスクの自動化, 報告書の新規作成, 更新, 専門家以外にもユーザーフレンドリーなインターフェースの提供, 組織内におけるモデルのアクセス利用増加, 顧客の競争力の獲得など様々な目的に利用できます.

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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