“CFD 模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品,面向计算流体力学仿真,提供从层流、湍流、单相流和多相流,到可压缩流动、自由表面、多孔介质流动及薄膜流的建模工具。它的特点是将专业流体流动接口与 COMSOL 的多物理场建模环境结合起来,可继续分析非等温流动、反应流、流固耦合和电流体动力学等复杂现象,并能与产品库中的其他模块组合使用。无论仿真对象如何变化,软件的操作环境始终保持一致。
核心功能
湍流、LES 与 DES 建模
模块在预定义流动接口中提供全面的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)湍流模型,覆盖多种涡黏模型、雷诺应力模型以及壁函数、低雷诺数处理和自动壁处理。用户可以直接在用户界面中更新或扩展模型方程,构建定制化湍流模型。对于非定常湍流,模块还提供大涡模拟(LES),包括 RBVM、RBVMWV 和 Smagorinsky 模型;分离涡模拟(DES)则结合 RANS 与 LES,在边界层区域采用 RANS、其他区域采用 LES,并适用于三维瞬态不可压缩单相流分析。
多相流、自由表面与多孔介质流动
分离式多相流系统可以使用表面跟踪方法模拟气泡、液滴以及自由表面的运动,并通过水平集和相场方法描述相边界的动态形变、表面张力和拓扑结构变化。针对大量微小气泡、液滴或颗粒的分散多相流,模块支持气泡流、混合物、欧拉–欧拉模型和相传递混合物模型。多孔介质流动部分提供达西定律、布林克曼方程,以及自由和多孔介质流动的耦合模型,可将多孔域中的方程与自由域中的纳维-斯托克斯方程结合。
非牛顿流与高马赫数流动
非牛顿流体建模包含幂律、Carreau、Bingham、Herschel–Bulkley 和 Casson 等预定义黏度模型,也提供 Oldroyd-B、Giesekus 和 FENE-P 等黏弹性模型,用于处理黏度随剪切速率、温度、组分或其他建模变量变化的流动。高马赫数流动功能可模拟可压缩流体在层流和湍流状态下的跨音速与超音速流动,并支持基于 RANS 方程的湍流模型;自动网格细化可用于解析速度和压力梯度极高区域中的激波形态。
旋转机械、薄膜流与浅水方程
旋转机械接口支持在旋转坐标系中建立流体流动方程,可采用全瞬态方法描述旋转系统,也可以使用冻结转子近似计算平均速度、压力变化、混合程度、平均温度和浓度分布。通过动网格,还能模拟相对滑动结构之间的流动。薄膜流接口适用于机械运动部件之间的薄油膜、裂隙结构、润滑、弹性流体动力学和流体阻尼分析,并支持薄膜和多孔介质流动耦合。浅水方程通过对纳维-斯托克斯方程进行深度平均,可用于模拟海啸和洪水等自由表面流动现象。
多物理场、网格、求解与结果评估
模块可用于非等温层流和湍流、一般反应流、流固耦合、高马赫数反应流、搅拌器多相流、颗粒跟踪以及管道流和 CFD 等场景,其中部分功能需要结构力学模块、化学反应工程模块、搅拌器模块、粒子追踪模块或管道流模块。流体流动接口预定义域方程、边界条件、初始条件、网格、研究和绘图;物理场控制网格可生成边界层网格。求解器支持阻尼牛顿法、代数或几何多重网格,以及自动时间步进。结果评估功能可生成速度场、压力场、流线图、表面图、体图和曳力系数等派生值。
使用方式
“CFD 模块”集成在 COMSOL Multiphysics® 平台中,通过预定义流体流动接口开展建模、网格划分、研究和结果可视化。用户可以在 COMSOL 内使用模型开发器配置流动方程,也可以借助内置 App 开发器基于现有模型创建定制化仿真 App,用于自动化重复任务、生成报告、定义输入输出或共享模型。官网提供“联系 COMSOL”入口,并说明专业工程师可以协助评估技术可行性和推荐许可形式。
适用人群与场景
需要分析内流与外流、不可压缩与可压缩流动、层流与湍流的工程和科研人员,可以使用该模块建立相应流体模型。涉及气泡、液滴、自由表面、颗粒或多孔介质的分析,可使用多相流和多孔介质接口。进行换热、反应、流固耦合、旋转机械、润滑、海啸或洪水分析时,可利用其多物理场接口与相关模块组合建模。
注意事项
部分多物理场功能需要其他 COMSOL 模块,例如流固耦合相关功能需要结构力学模块、MEMS 模块或多体动力学模块;高级反应流需要化学反应工程模块、电池模块或燃料电池和电解槽模块;搅拌器、颗粒跟踪及管道流功能也分别注明了对应模块要求。官网正文未公布具体价格或免费额度,仅提供评估与试用、许可证选项及联系 COMSOL 的入口。