COMSOL® 製品概要

CFDモジュールでの流体流れアプリシミュレーション

単相流・多相流のためのCFDモデリングソフトウェア

COMSOL Multiphysics®シミュレーションプラットフォームのアドオンであるCFDモジュールで, 流体流れ, または他の物理現象と組み合わさった流体流れを含むシステムのモデル定義と計算ができます.

CFDモジュールで利用できる流体の流れ解析基礎モデリングツール

  • 非圧縮性流れ・圧縮性流れ
  • 層流・乱流
  • 単相流・多相流
  • 自由多孔質媒体流・開領域での流れ
  • 薄膜流

これらの機能は構造的流体流れインターフェースに含まれており, 2D, 2D軸対称または3Dにおける時間依存性 (過渡) で定常状態の流動を定義, 計算, 解析するのに使われます. CFDモジュールには, 上記一覧のほかにも非ニュートン性流体や回転機器, 高マッハ数流れ等の計算に使える機能もついています.

流れ解析ではマルチフィジックスをモデルに組み入れられる能力が重要です. CFDモジュールで共役熱伝達と反応流を一つのソフトウェア環境下で同時に解析しモデル化することができます. またCOMSOL®製品の他モジュールと組み合わせ, 流体構造関係等の他のマルチフィジックス機能も利用できます.

Did You Know? A physics interface is a user interface for a specific physics area that defines equations together with settings for mesh generation, solvers, visualization, and results.

CFDモジュールでシミュレーションできること

COMSOL Multiphysics®をCFDモジュールで拡張すると, COMSOL Multiphysics®ソフトウェアの中心機能に加え特殊CFDシミュレーション機能も利用できるようになります. 下記の機能一覧は関連するフィジックスインターフェースを通じて利用できます. これらの定義や計算をするにあたり, 流体は非圧縮性として初期設定されていますが, リストから選択するだけで簡単に弱圧縮性または完全圧縮性に変更することができます.

層流・クリープ流

層流インターフェース・クリープ流インターフェースで, 過度流や定常流を比較的低いレイノルズ数でモデリングする機能が利用できます. 液体粘度は局所組成や局所熱, 流体流動と組み合わせてモデル化された他のフィールドに影響されます. 非ニュートン性流体のためには, べき法則, カロー, ビンガムなど粘度用の定義済みレオロジーモデルを使い簡単にモデル化設定ができます.

一般的に, 密度・粘度・運動量源は, 熱・組成・せん断率・その他従属変数・従属変数微分などの任意関数であることが可能です. このような設定によって粘弾性流用の任意モデルを定義できます.

A model of a polystyrene solution injected through a nozzle. Shear-rate-dependent viscosity on the flow of a linear polystyrene solution injected through a nozzle, simulated using the non-Newtonian Carreau model.

乱流

CFDモジュールの対応する流体流れインターフェースで大型渦シミュレーションに加え, 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. 下記の乱流モデルが過度流と定常流に利用できます.

二方程式モデル

  • k-ε モデル
    実現可能性制約のある標準 k-ε モデル
  • Realizable k-ε モデル
    実現可能性を満たすために変更された係数を持つ k-ε モデル
  • k-ω モデル
    実現可能性係数のある改定版 Wilcox k-ω モデル (1998年)
  • SST モデル
    自由流内 k-ε モデルと壁に近接した k-ω モデルとの組合せ
  • 低レイノルズ数 k-ε モデル
    壁面に近い流れを計算するAKN k-ε モデル

追加の輸送方程式モデル

  • Spalart-Allmaras モデル
    空気力学応用のために開発された回転矯正のある1方程式モデル
  • v2-f モデル
    壁面乱流速度変更を計算することで乱流異方性を説明する k-ε モデルの拡張

代数乱流モデル

  • 代数 yPlus モデル
    • 乱流粘度は, まず局所速度と次元壁面距離に基づいたレイノルズ数を使って粘度ユニット内の壁面距離のために計算されてから評価される
    • ロバストで計算効率は高いが, より洗練された他モデルに比べると精密さに欠ける
  • L-VEL モデル
    • 乱流粘度は, まず局所速度と次元壁面距離に基づいたレイノルズ数を使って粘度ユニット内の壁面平行速度のために計算されてから評価される
    • ロバストで計算効率が高いが, より洗練された他モデルに比べると精密さを欠く

ラージエディシミュレーション (LES) モデル

  • RBVM
    • 残留基盤変分マルチスケールモデル
  • RBVMWV
    • 粘度のある残留基盤変分マルチスケールモデル
  • スマゴリンスキー
    • スマゴリンスキーモデルの変分マルチスケールバージョン

壁面処理

下記リストに従って, 乱流インターフェースを異なる種類の壁面処理と組み合わせることができます.

  • 壁面機能
    • ロバストで粗いメッシュに適用可
    • 限られた精密度
    • なめらかな壁面・粗い壁面
    • k-ε, Realizable k-ε, k-ω などのモデルによるサポート
  • 低レイノルズ数処理
    • 壁に沿って流れる流動を計算
    • 精密精確
    • 細かいメッシュが必要
    • 標準 k-ε ・Realizable k-ε モデル以外の乱流モデル全てによるサポート
  • 自動壁面処理
    • 低レイノルズ数処理と壁面機能間の切替え
    • 局所メッシュ解像による精確性
    • 壁面機能によるロバスト性の維持
    • 標準 k-ε モデル・ Realizable k-ε モデル以外の全乱流モデル用に初期設定

ユーザー定義の乱流モデル

グラフィカルユーザーインターフェース (GUI) で直接モデル方程式の変更や拡張ができ, ソフトウェアに含まれていない乱流モデルを作成が可能になります.

 

薄膜流

可動機械部品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-シェル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等の固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.

薄膜流-シェルインターフェースで, 狭い構造内流れのレイノルズ方程式の定式化や求解や, 薄型構造の厚み全体の流れ関数を用いた質量・運動量収支の定式化を行います. これにより, 厚みのメッシュ化が不要であることが分かります. また, この機能によってギャップ全体のメッシング関連問題を避け, 計算時間が短縮できます.

An example of modeling thin film flow in a tilted pad bearing. Pressure and flow in a thin liquid film in a tilted pad bearing. The deformation of the solid structure due to the flow and pressure is shown and multiplied by a factor of around 4000.

多相流

分離した多相流において, 表面追跡法を使い, 気泡や液滴の行動, 自由表面を詳しくシミュレーションすることができます. その場合, 表面追跡法を用いて, 各々の多相流についての表面張力効果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と分散した気泡や水滴, 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.

下記に, 過渡流・安定流に利用できる分離または分散多相流モデルについて詳しく説明します.

分離多相流モデル

  • レベルセット法
    • 層流・乱流に使用
    • 適合格子細分化法による複数相間の界面計算
    • 単相流内の気体に接する自由液体表面の追跡
  • フェーズフィールド法
    • 層流・乱流に使用
    • 層流に使用できる三相流モデル
    • 適合格子細分化法による複数相間の界面計算
    • 単相流内の気体に接する自由液体表面の追跡

分散多相流モデル

  • 気泡流モデル
    • 層流・乱流に使用
    • 液体内のかなり少量の分散気泡 (< 0.1) に使用
    • 気泡は連続液体 (平衡) に相対して加速しないと仮定
    • ロバストで低コスト計算が可能
  • 混相流モデル
    • 気泡流モデルに類似したより一般的なモデル
    • 連続層に相対した分散層加速は無視できるものと仮定して, 液体や乳化液体, エアロゾル, 液体内の懸濁固体粒子の気泡を精確に説明
    • 気泡流モデルよりも高コストだが, 比較的低コストな計算
  • オイラー・オイラーモデル
    • 層流・乱流に使用
    • 最も一般的な分散多相流モデル
    • 気泡流, 乳化, 液体懸濁液, エアロゾル, 気体内の懸濁固体粒子に対して使用
    • 通常, 液体からの気体排除や流動床などへ適用
    • 最も高コストな計算方法
  • 相輸送
    • 任意位相数のための輸送方程式計算
    • 単相流インターフェースと組み合わせての多相流のモデル化, または多相流インターフェースと組み合わせての多数集団のモデル化が可能
An example of modeling three-phase flow with COMSOL Multiphysics and the CFD Module.

A separated three-phase flow problem is modeled using the Three-Phase Flow, Phase Field interface.

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.

多孔質媒体流モデル

  • ダルシーの法則
    • 多孔構造内の流れをロバストかつ低コスト計算で説明
    • 多相流に利用可能
  • ブリンクマン方程式
    • 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
    • 高い多孔性のある非常に開放的な構造に関連
    • ダルシーの法則インターフェースよりもより一般的で計算コストは割高
  • 自由多孔質媒体流
    • 多孔領域内の流れと開領域内の層流または乱流をカップリング
    • 多孔領域のブリンクマン方程式と自由流の層流または乱流方程式を定式化

高マッハ数による流れ

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, 高マッハ数の流れが利用できます.

COMSOL®ソフトウェアは, 理想的な気体のために, 運動量・質量平衡方程式と組み合わさって, エネルギー方程式を定式化します. どちらの場合も, これらモデルのメッシングの際には, 非常に高速で圧力勾配のある領域周辺を決めることで, 自動メッシュ改良により衝撃パターンが決まります.

An example of modeling high Mach number flow using COMSOL Multiphysics and the CFD Module. Shock diamonds in the velocity field of supersonic flow from an ejector are modeled using an interface for turbulent high Mach number flow.

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, 単相層流・乱流に使用できます. どちらも完全時間依存性記述によって問題を定義・解決するか, 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います. この機能の計算は低コストで, 速度・圧力変化・混合レベル・平均温度・濃度分布などの平均を見積もるのに使うことができます.

一般的には, CFDモジュールはあらゆる回転系だけでなく動標系上の流体流れ問題の求解に使われ, 移動メッシュを用いて求解を簡単に設定できます.

An example of modeling fluid flow in rotating machinery with the COMSOL software. Flow and pressure field in a centrifugal pump modeled using turbulent flow in rotating machinery.

実環境におけるマルチフィジックスモデルの作成

多くの場合, 流体流れモデルは熱伝達・構造機構・化学反応・動電流や磁気流体の磁気場などの他現象とカップリングされます. COMSOL Multiphysics®での複数物理現象のモデリングは, CFDモジュールに一般的なカップリング用既成マルチフィジックスインターフェースがあるため, 単一の物理問題を扱うのとまったく同じです.

CFDモジュールには, 流体領域内の流体流れとカプリングした流体領域・固体領域内の熱伝達モデルを定義するための専用フィジックスインターフェースがあります. これらのモデルは共役熱伝達モデルで, 熱伝達方程式が固体領域と流体領域の両方で定式化・計算される一方で, 流体流れ方程式は流体領域内で定義・計算されることを意味しています.

低レイノルズ数壁面処理を利用した層流・乱流モデル用として, 非等温流れインターフェースの初期設定において温度は固体-流体内部境界上にわたり連続的となっています. 壁面機能のある乱流モデルを使った乱流共役熱伝達のシミュレーションには, 非等温流れインターフェースが熱壁面機能を自動定義します.

低レイノルズ定式化と熱壁面機能のオプションによって, 乱流と組み合わさった共役熱伝達問題の定義と計算がシンプルになります.

 

構造機構モジュールを追加することで, 層流と乱流両方の流体構造連成 (FSI) 問題を定義し解くことができます. CFDモジュールには二種類のFSIオプションがあります.

  1. One-way FSIカップリング : ここでは流れが構造上に負荷を作るが, 変形の程度は流れへの影響を無視できるほど小さい.
  2. Two-way FSIカップリング : ここでは流れが構造上に負荷を作るが, 変形の程度は大きく, 流れ領域の形状を変えるため流れにも影響する.

Two-wayカップリングは流体領域での移動メッシュ問題を定義します. 固体‐流体表面での変位は, 流体による均衡と変形固体構造による反動力によって決まります. 定常時間依存スタディが, 層流・乱流の one-way FSI・two-way FSI問題の両方に利用できます.

 

CFDモジュールを使い乱流・層流の両方の反応流をモデル化できます. これによりリアクターやミキサー, 化学反応と流れが起こる他システムのスタディおよび設計が可能になります. 反応流インターフェースによって希釈混合と濃縮混合の多成分輸送を記述できます. 多成分輸送の混合平均モデルは濃縮溶液に使われます.

化学反応エンジニアリングモデルと組み合わせると完全マクスウェル-ステファン多成分輸送方程式が利用できます. 乱反応流には, 渦散逸モデルを使い, 希釈溶液と濃縮溶液の反応項内での乱気変動の説明をします. 濃縮混合における多成分輸送のシミュレーションには, 反応境界等のステファン項が自動的に考慮されます.

An example of modeling reacting flow using the COMSOL software.

The isoconcentration surfaces of a reactant in a multijet injection reactor are modeled using the Turbulent Reacting Flow interface.

回転機器用に多相流と自由表面を加えることで ミキサーモジュールはCFDモジュールの性能を拡張します. 更に, 羽根や容器などの部品ライブラリにアクセスして, ジオメトリ作成をストリームライン化することもできます. このような機能は製薬業界・食品業界のモデリングプロセスに最適です.

An example of modeling mixers using the COMSOL software. A mixer equipped with three impellers is modeled to show the flow pattern and shape of the free surface.

CFDモジュール内の分散流の多相流インターフェースは, 分散相を体積分率がモデル変数であるフィールドとして扱います. 粒子追跡モジュールと組み合わせて, CFDモジュールをオイラー的・ラグランジュ的多相流モデルのモデル化に使うことができ, そこでは分子や液滴が剛体粒子としてモデル化されます. 別途にモデル化された剛体粒子で, 流体と粒子間の相互作用は双方向性となり, 粒子が流体流れにも影響します. 更に, 比較的少量の粒子を調査する場合, オイラー的・ラグランジュ的モデルの計算は低コストです.

 

パイプ流モジュールによって流体流れ方程式が直線や曲線に沿って求解されるチャネル・パイプネットワーク用モデルを定義します. 本製品とCFDモジュールを組み合わせ, 2Dまたは3D流体領域を非圧縮, 微圧縮, 非等温または反応流に接続するパイプやチャネルを含むハイファイシミュレーションを作ることができます.

CFD問題求解のための一般的機能

COMSOL Multiphysics®でシミュレーションを構築する場合には, 全てのアドオンモジュールにおいてワークフローは一貫しています. CFDモジュールには流体流れシミュレーション特殊機能がついており, CFD解析に必要な性能・精密性を最大化できます. CFD特有の機能をここで説明します.

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等の流れ領域を作ります. 流体流れに無関係なCAD表示の詳細を自動または手動で削除することができます.

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. 化学反応エンジニアリングモジュールを組み合わせて, 気体の物理特性 (粘度・密度・拡散率・熱電導など) の一般的記述を見ることができます.

メッシング

CFDモジュールの物理による制御済みメッシュ機能は, 精確な求解のための流体流れ問題における境界条件となっています. 壁面条件が適用する表面に通常できる速度勾配を決定するための, 境界層メッシュが自動発生します.

離散化

流体流れフィジックスインターフェースはガラーキン最小2乗法を使って, 流れ方程式を分散し空間の数式モデル (2D, 2D軸対称, 3D) を発生させます. テスト機能は輸送方程式の双曲線項と圧力項を安定化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更に減少します. 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のに使われます.

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. より大型のな問題には, 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・圧力フィールドを決定します.

ポスト処理

流体流れインターフェースでは, 速度・圧力フィールドを解析する数多くの初期設定プロットが発生します. 派生値や変数の豊富なリストがあり, 簡単なアクセスで解析結果を抽出できます.

An example of a CFD model mesh. A benchmark CFD model of an Ahmed body. The boundary layer mesh at the wall surfaces is highlighted in blue.
A model of an inkjet droplet that uses adaptive mesh refinement. Adaptive mesh refinement in time. The phase boundary around an inkjet droplet (gray isosurface) and in the projected immediate path of the droplet are refined with a denser mesh to obtain a sharp phase boundary between the droplet and air.

CFDシミュレーションをストリームライン化するシミュレーションアプリ作成

COMSOL Multiphysics®の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, インプット・アウトプットを明確に定義して特定の目的のためのアプリケーションを作るのを可能にします. アプリは様々な目的に利用できます.

  • エラーなく復元するのが難しい複雑なパラメータ化済みシーケンスGUIオペレーションを記録し単独コマンドにリンクすることで困難で反復率の高いタスクを自動化
  • 出来る限りの高復元性・高品質を実現するための特定ルーティンに従った多数のパラメータ化済みシミュレーションからの報告書新規作成・更新
  • モデリングやシミュレーションの専門家以外でもよく理解し性能を最大限活用できるユーザーフレンドリーな特定モデル用インターフェース
  • シミュレーションを駆使した開発設計で投資回収最大化を目指した組織内におけるモデルのアクセス利用増加
  • ユーザーフレンドリーなアプリに含まれた高精度モデルに基づいて, 顧客が最も必要とする製品ラインを提供することができ, 優位な競争力の確保が可能
An example app for simulating water treatment basin designs. The Water Treatment Basin app demonstrates the use of parameterized geometry sequences; cumulative selection for the automatic definition of boundary conditions; and the building of graphical user interfaces for easy-to-use, tailored apps.

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.

"COMSOL へコンタクト" ボタンを押し, あなたの連絡先詳細と特別なコメントや質問があればそれを記入して, 送信していただくだけで済みます. 1営業日以内に我々のセールス担当者から返事が届きます.

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