CFD モジュールアップデート

COMSOL Multiphysics® バージョン 5.3a の CFD モジュールには, 新たにリアライザブル k-ε 乱流モデル, 浮力誘起乱流, 完全発達乱流の流入境界条件が加わりました. 詳細は以下をご覧ください.

リアライザブルk-ε 乱流モデルインターフェースの導入

この新しい流体流れインターフェースは, 我々の乱流モデルシリーズによく使われるRANS乱流モデルを加えたものです. 従来の乱流モデルにもリアライザビリティ拘束は含まれていました. この拘束は平均的に乱流を生成することにより, 物理的に意味のある結果を導きます. 新しいリアライザブルk-ε 乱流モデルは, 生成された乱流がドメインの各点で方程式によりこの拘束を受ける, すなわち, より厳密な平均拘束のやり方を行います.

A demonstration of the realizable k-ε turbulence model, new with COMSOL Multiphysics 5.3a. キューブのある面に垂直に当る乱流. リアライザブルk-ε 乱流モデルが大きなせん断応力により生成され, それが非現実的な結果を生むのを抑制します. キューブのある面に垂直に当る乱流. リアライザブルk-ε 乱流モデルが大きなせん断応力により生成され, それが非現実的な結果を生むのを抑制します.

回転機械に全乱流モデルを完備

新しいバージョンの CFD モジュールは回転機械と連成可能な全ての乱流モデルがそろいました. 前バージョンでは一部の乱流モデルだけしか回転機械と連成できませんでした. これにより, 従来は回転座標でマニュアルで定義しなければならなかった回転機械の乱流のモデル化が非常に簡単になりました.

A centrifugal pump model. 新しい乱流モデルと回転機械の組合せでモデル化された遠心力ポンプ. 新しい乱流モデルと回転機械の組合せでモデル化された遠心力ポンプ.

混相モデルと気泡流れが全乱流モデルを装備

気泡流れ, および, 混相モデルインターフェースが全乱流モデルを含み, 壁方程式ベースのk-εとリアライザブルk-ε以外では, 自動的に壁を取り扱います. さらに, 内部壁境界条件が可能になりました. この条件は薄壁のメッシュ化を必要とすることなく, インペラー, ローター, フィンなどのシミュレーションを可能にします.

 
乱流気泡流れのベンチマークモデル. 気泡誘起乱流も含まれています. アニメーションは下から見ることができる気泡の体積率を示します.

浮力による乱流

浮力は流体内に体積力を発生させ, それが自然に不安定を生み出します. 最終的にはこの不安定はカオス的になり, 乱流の発生につながります. CFDモジュールの重力機能に新しく浮力による乱流のオプションが加わりました. このオプションを選択するには, 下図のようにチェックボックスを選択してください.

完全発達乱流の流入境界条件

完全発達乱流の流入境界条件は, 流入流路が上流である長さを持っており, 流れが完全に発達しているという仮定のもとで, 流入断面に速度プロファイルと乱流変数値を与えます. 前のバージョンでは, 断面速度プロファイルをうまく予測するためには流路に非常に長い流入部分が必要でした. この新しい境界条件は非常に小さい計算負荷で非常に正確に流入プロファイルを与えることができます.

An example of modeling fully developed turbulent flow. 星形の断面を持つノズルからの流入は完全に発達した乱流流入条件を用いてモデル化されます. 星形の断面を持つノズルからの流入は完全に発達した乱流流入条件を用いてモデル化されます.

新しい境界条件:流入

新しい「流入」境界条件は, 解析を簡略化するためにモデルから除外された仮想ドメインからの熱の流入を既知の上流条件とともに適用します. 従来, 「温度」境界条件を課していた流入口にこの新しい境界条件を課すと, 上流での現象における温度と圧力を考慮します. さらに, 流入口に隣接するエッジ (2Dでは点) の温度を制限するのではなく, 上流の条件と一致する熱流束を割り当てます. 全体として, より正確で現実的な物理モデルが得られます. アプリケーションライブラリのすべてのモデルは、この境界条件を使って更新されています.

移動メッシュを使った回転機械インターフェースの改良

「回転機械流体流れ」インターフェースは, 「回転ドメイン」ノードを流体流れフィジックスから分離することで改良されました. これらのインタフェースの1つを追加すると, 「定義」> 「移動メッシュ」の下に「回転ドメイン」ノードと同様に単相流れインタフェースが追加されます. この分離によって, 任意の流体流れインターフェースと回転機械とを組み合わせることができます. この柔軟性が増しても, 以前のバージョンの COMSOL Multiphysics® で回転機械と別々の移動メッシュで流体の流れを定義するのと同じくらい簡単です. 移動メッシュはモデル内の空間座標を制御し, ドメインが回転しているモデル内のすべてのフィジックスインターフェイスに適用できます。これにより, 例えば, ミキサーおよび攪拌反応器中の化学種輸送との流体の組み合わせを単純化することができます.

 
新しい層流のための回転機械インターフェースを使った撹拌混合液体のチュートリアルモデル. 回転機械インターフェースは, 激しく撹拌するミキサーとタンクリアクターのための全ての乱流モデルと連成できます.

すべての乱流モデルをサポートする新しい流体 - 構造相互作用インタフェース

新しい「流体-構造相互作用」マルチフィジックスカップリングは, 以前のバージョンの {:comsol} ソフトウェアで使用されていたインターフェースを置き換えました. 新しいカップリングは, 複数のシングルフィジックスインターフェイスとマルチフィジックスノードを組み合わせて, モダンスタイルにマッチしたものになっています. このアプローチでは, 構成フィジックスインターフェースのすべての機能を流体構造相互作用 (FSI) モデリングに使用することができます. 構造面では, FSI解析に多くの境界条件と材料モデルが追加されました. 例えば, 剛性ドメイン, 圧電, および非線形弾性材料モデルなどです. 流体側では, すべての乱流モデルが利用できるようになり, 多くの新しい境界条件が利用可能になりました. モデルウィザードから流体-構造相互作用インターフェースを追加すると, 「定義」セクションに「固体力学」インターフェース, 「層流」インターフェイス, 「流体-構造相互作用」マルチフィジックスカップリングノード, 「移動メッシュ」ノードが表示されます. アプリケーションライブラリの全ての流体構造相互作用モデルがこの新しいカップリング機能を使って更新されました.

A model of a sports car wing that is subjected to turbulent flow. テストベンチで200 km / h(125 mph)の乱流 (流線) を受けたスポーツカーウィングの圧力 (カラーテーブル) と変形 (表面で50倍に誇張) . このモデルは, 新しいフィジックスインターフェイスで一方向流体-構造相互作用を使用して定義されます. テストベンチで200 km / h(125 mph)の乱流 (流線) を受けたスポーツカーウィングの圧力 (カラーテーブル) と変形 (表面で50倍に誇張) . このモデルは, 新しいフィジックスインターフェイスで一方向流体-構造相互作用を使用して定義されます.

時間依存問題のパフォーマンスと安定性の大幅な向上

時間依存問題の解法を修正し, より滑らかでより堅牢なソリューションプロセスになりました.精度を損なうことなく最大で50パーセント高速になりました.

A model of flow around a sphere. カルマン渦を下流に作る球の周りの時間依存モデル. COMSOL Multiphysics® バージョン 5.3a でより高速に解くことができます. カルマン渦を下流に作る球の周りの時間依存モデル. COMSOL Multiphysics® バージョン 5.3a でより高速に解くことができます.

自由および多孔質媒体流れインターフェースの改良

「自由および多孔質媒体流れ」インターフェースの新しいバージョンでは, 層流または乱流と多孔質媒体の流れを連成することができます. このインターフェースは多孔質電極のモデル化する電気化学インターフェースとの連成で独特の効果を持ちます.

Kozeny-Carman 浸透性モデル

COMSOL Multiphysics® バージョン 5.3a の「ダルシー則」インターフェースで利用可能な Kozeny-Carman 浸透性モデルでは, 粒状性媒体の浸透性を多孔性と粒子直径から見積もります.

2相ダルシー則における薄障壁機能

「2相ダルシー則」インターフェースを使用して, 内部境界に透過性の壁を定義することができるようになりました. これらの内部境界は薄くて低透過性の構造を表すために使用することができます. 「薄障壁」機能はジオテキスタイルや穴あきプレートなどの薄い構造のメッシュが多くなるのを防ぎます. さらに, 内壁の透磁率は等方性または異方性のいずれにも設定できます.

新しいチュートリアルモデル:ハイドロサイクロンの流れ

前回のCOMSOL Multiphysics®リリースで導入された v2-f 乱流モデルは, ハイドロサイクロンのモデリングに適しており, 非常に正確な結果を得ることができます. このチュートリアルモデルは, 自分のモデルで乱流モデルを実施するのに役立ちます. 液体サイクロンにおける速度場および圧力低下の結果は文献の結果と非常に良く一致しています.

A plot from the Flow in a Hydrocyclone tutorial model. 液体サイクロンにおける流れと粒子軌跡. より軽い粒子は流れに付いて上方の出口に向かう主流に従います. 重い粒子は遠心力のために径方向外側に排出され, 出口の小さな部分を通って排出されます. 液体サイクロンにおける流れと粒子軌跡. より軽い粒子は流れに付いて上方の出口に向かう主流に従います. 重い粒子は遠心力のために径方向外側に排出され, 出口の小さな部分を通って排出されます.

アプリケーションライブラリパス:
CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/hydrocyclone

新しいチュートリアルモデル:かすり背景場を持つ音響ライナー

このモデルは, かすり流れを持つ音響ライナーの音響特性を計算する方法を示します. ライナーは細いスリットを備えた8つの共振器から成り, 背景流の流れはマッハ数0.3です. ライナー上の音圧レベルを計算し, 公開された研究論文の結果と比較します. CFDモジュールの SST 乱流モデルを使用して流量を計算します. 次に音響モジュールの「線形化ナビエ・ストークス (周波数領域) 」インターフェースを使用して音響を計算します.

このモデルを実行するには CFD モジュールが必要です.

 
平面波としての音速変動はライナーの最初の4つの共振器の上を伝播します. カラープロットは速度振幅を示し, 矢印は速度ベクトルを示します. ライナーの表面の穴の近くでは渦が流体-音響相互作用によって生成されます.


アプリケーションギャラリリンク:
Acoustic Liner with a Grazing Background Flow

新しいチュートリアルモデル:コリオリ流量計

質量流量計または慣性流量計としても知られているコリオリ流量計は, それを通って流れる流体の質量流量を測定するために使われます. その原理は, 振動する管を通る流体の慣性が質量流量に比例して管をねじるという事実を使っています. 典型的には密度, 体積流量を評価します.

このモデルは曲線ジオメトリでできた一般的なコリオリ流量計をシミュレートする方法を示しています. 流体が弾性構造体である湾曲したダクトを通過するとき, 振動の際にダクトの動きと相互作用します. ダクト上の2点の変形の間の位相差がコリオリ効果によって引き起こされます. それを用いてシステムを通る質量流量を評価します.

このモデルは「固体力学」インターフェースと連成した「線形化ナビエ・ストークス (周波数領域) 」をビルトインのマルチフィジックス連成を通して使います. 背景平均流は乱流 (SST) インターフェースを使ってモデル化します. このように, 流体-構造相互作用 (FSI) は周波数領域で効果的にモデル化することができます.

 

3つの質量流量に対するコリオリ流量計パイプの動き. 流量計は構造体の固有振動数で作動します. 変形振幅および位相は視覚化のために誇張されています. 流量が増加すると上流と下流の位相差が増加します.

アプリケーションギャラリリンク:
Coriolis Flow Meter: FSI Simulation in the Frequency Domain