Atualizações do CFD Module

Para usuários do CFD Module, a versão 5.2a do COMSOL Multiphysics® traz uma nova opção para cálculos mais rápidos de determinadas simulações de escoamento não isotérmico, a capacidade de facilmente considerar a gravidade em aplicações de CFD, a opção de usar a aproximação de Boussinesq para modelar escoamento não isotérmico incompressível, e muito mais. Veja abaixo mais detalhes sobre as atualizações feitas no CFD Module.

Opção de Escoamento Fracamente Compressível

A nova opção Weakly compressible flow para compressibilidade pode ser usada em escoamento não isotérmicos quando as variações de densidade em relação à pressão são insignificantes. Esse é o caso para a maioria dos escoamentos com números de Mach menores que 0,3. A vantagem de usar essa opção em vez da opção Compressible flow (Ma < 0.3) é que as ondas de pressão, que se propagam na velocidade do som, não precisam ser solucionadas em simulações dependentes do tempo. Isso permite que um passo temporal maior seja usado, resultando em cálculos mais rápidos.

Problema de referência para ventilação resolvido usando a nova opção de escoamento fracamente compressível. O gráfico mostra a temperatura (K) em iso-superfícies, superfícies e nas linhas de fluxo do campo de velocidade. Problema de referência para ventilação resolvido usando a nova opção de escoamento fracamente compressível. O gráfico mostra a temperatura (K) em iso-superfícies, superfícies e nas linhas de fluxo do campo de velocidade.
Problema de referência para ventilação resolvido usando a nova opção de escoamento fracamente compressível. O gráfico mostra a temperatura (K) em iso-superfícies, superfícies e nas linhas de fluxo do campo de velocidade.

Para a opção de escoamento incompressível, os valores de referência e são usados para definir as propriedades do fluido, tais como e . Para a nova opção Weakly compressible, as propriedades do fluido são funções da temperatura (preferencialmente obtidas a partir de uma interface Heat Transfer), mas não da pressão. Portanto, e . Na opção Compressible flow (Ma<0.3) tanto quanto são usados para avaliar as propriedades do fluido. A notação (Ma < 0.3) indica que a estabilização e as condições de contorno podem não ser adequadas para números Mach maiores, embora a formulação totalmente compressível das equações de energia, momento e continuidade seja solucionada.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para exemplos que usam a opção Weakly compressible flow ao definir a compressibilidade nas interfaces Flow:

Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/heat_exchanger_ni
CFD_Module/Non-Isothermal_Flow/displacement_ventilation

Novo Recurso e Propriedade de Gravidade

Uma nova propriedade de gravidade está disponível nas interfaces Single-Phase Flow e Non-Isothermal Flow. Ao marcar a caixa de seleção Include gravity, uma força de volume igual a é adicionada em todos os domínios onde o escoamento de fluido estiver ativo e um recurso Gravity aparecerá na árvore do modelo. A propriedade Gravity adiciona uma opção para compensar a pressão hidrostática onde condição de contorno do tipo pressão são especificadas, como em condição Outlet, Open Boundary, ou Boundary Stress.

Há a possibilidade de se indicar uma posição de referência que defina onde são obtidos os valores de referência de pressão e a temperatura. A posição de referência é usada pelos recursos de condição de contorno a fim de compensar a pressão hidrostática. Por exemplo, quando a opção para compensar a pressão hidrostática for selecionada em uma condição de contorno Outlet, uma distribuição da pressão igual a será adicionada à pressão definida pelo usuário na saída. Essa compensação é exata para escoamento incompressível e fornece uma boa aproximação do perfil de pressão na saída nas demais opções. Além disso, há uma opção para usar a pressão reduzida para, por exemplo, incluir automaticamente a pressão hidrostática na definição da variável dependente pressão.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa a opção Include gravity da interface Laminar Flow:

CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/gravity_tutorial

 
Simulação de um escoamento devido a gravidade gerado por uma descontinuidade da salinidade.

A Aproximação Boussinesq no Escoamento Não Isotérmico

Ao simular um escoamento não isotérmico incompressível usando um material para o o qual o coeficiente de expansão térmica esteja definido, uma força de flutuação com uma dependência linear da temperatura é adicionada automaticamente, enquanto todas as propriedades do fluido (tais como densidade, viscosidade e condutividade térmica) permanecem constantes. Geralmente conhecida como aproximação de Boussinesq, essa é uma abordagem popular para modelagem de aplicações que envolvem escoamento não isotérmico. Uma alternativa para especificar o ponto de linearização usando um material embarcado é definir a densidade de referência e o coeficiente da expansão térmica explicitamente no nó Non-Isothermal Flow Multiphysics.

Temperatura (parte superior) e magnitude da velocidade (parte inferior) para convecção entre placas paralelas aquecidas por baixo, simuladas usando a aproximação de Boussinesq. Temperatura (parte superior) e magnitude da velocidade (parte inferior) para convecção entre placas paralelas aquecidas por baixo, simuladas usando a aproximação de Boussinesq.
Temperatura (parte superior) e magnitude da velocidade (parte inferior) para convecção entre placas paralelas aquecidas por baixo, simuladas usando a aproximação de Boussinesq.

Escoamento Rotacional para o Recurso Fan

Uma opção Swirl flow agora pode ser selecionada como direção do escoamento em uma entrada. A rotação à jusante do ventilador é determinada configurando-se a taxa de rotação e uma taxa de redemoinho, definida pela velocidade angular do escoamento em relação à das pás.

O escoamento rotacional gerado à  jusante de uma ventoinha posicionada na entrada de um duto. O escoamento rotacional gerado à jusante de uma ventoinha posicionada na entrada de um duto.
O escoamento rotacional gerado à jusante de uma ventoinha posicionada na entrada de um duto.

Sub-recurso Pressure Work Disponível em Transferência de Calor em Meios Porosos

A temperatura da parte fluida de um meio poroso pode ser influenciada pelo trabalho realizado pelas mudanças na pressão. Para refletir isso nos modelos, o recurso Pressure Work foi atualizado para suportar meios porosos, além de escoamentos em meios livres e agora está disponível como um sub-recurso do nó Porous Medium.

Nova Interface de Multifísica Reacting Flow

Para melhorar o estudo de escoamento de fluidos e reações em gases e líquidos, a nova interface multifísica Reacting Flow combina as interfaces Single-Phase Flow e Transport of Concentrated Species. Antes disponível como uma interface autônoma, a nova interface multifísica Reacting Flow proporciona melhor controle das configurações em cada interface de física, bem como dos acoplamentos multifísicos entre elas.

Ao usar o novo acoplamento Reacting Flow, o processo de resolução de qualquer interface acoplada separadamente, ou ao mesmo tempo, foi consideravelmente aprimorado. Para escoamentos reativos, isso é importante para criar as condições iniciais adequadas, ou testar como os resultados são afetados pelo acoplamento. A interface multifísica Reacting Flow suporta escoamentos reativos laminares e turbulentos, bem como escoamentos e reações em meios porosos.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa a nova interface multifísica Reacting Flow:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_withMass_and_Heat_Transfer/roundjet_burner

Nova Funcionalidade no Transporte de Espécies Concentradas: Porous Media Transport Properties

O novo recurso Porous Media Transport Properties permite estudar o transporte de múltiplos componentes em uma solução que flui através de um meio poroso. A nova funcionalidade inclui modelos para calcular as propriedades efetivas de transporte que são dependentes da porosidade do material em combinação com o transporte em misturas concentradas.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa o novo recurso Porous Media Transport Properties da interface Transport of Concentrated Species:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Porous_Catalysts/carbon_deposition

A distribuição de porosidade em um reator para a decomposição térmica de metano em um catalisador sólido Ni-Al2O3 é estudada usando o recurso Porous Media Transport Properties. A porosidade diminui à medida que se forma fuligem na reação de decomposição. A distribuição de porosidade em um reator para a decomposição térmica de metano em um catalisador sólido Ni-Al2O3 é estudada usando o recurso Porous Media Transport Properties. A porosidade diminui à medida que se forma fuligem na reação de decomposição.
A distribuição de porosidade em um reator para a decomposição térmica de metano em um catalisador sólido Ni-Al2O3 é estudada usando o recurso Porous Media Transport Properties. A porosidade diminui à medida que se forma fuligem na reação de decomposição.

Pseudo Time Stepping na Interface Transport of Concentrated Species

A nova funcionalidade de pseudo time-stepping na interface Transport of Concentrated Species melhora significativamente a taxa de convergência para solvers em estudos estacionários. Esse recurso é particularmente útil quando o fluxo de espécies é dominado pela advecção (grandes números de Péclet), por exemplo, em escoamentos reativos turbulentos.