COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

CFD Module Updates

New Fluid Flow Interface for the v2-f Turbulence Model

k-ε 난류 모델의 확장인 v2-f 난류 모델은 강한 난류 이방성을 갖는 유동에 대해 매우 정확한 해를 제공합니다. 다른 것보다 이 난류 모델을 사용하는 경우의 예는 아래 이미지에서 보여지는 사이클론 분리기와 같이 흐름이 곡면에 발생할 때입니다. 이 모델은 사이클론 시뮬레이션에서 표준적인 두 가지 방정식 난류 모델로는 수행하기가 거의 불가능하며 본질적으로 어려운 자유 와류를 포함하여 흐름 패턴을 성공적으로 포착합니다.

사이클론 분리기 유체모델에서 유선 및 압력 장(왼쪽) 그리고 와류코어(오른쪽)

사이클론 분리기 유체모델에서 유선 및 압력 장(왼쪽) 그리고 와류코어(오른쪽)


Automatic Wall Treatment for Turbulent Flow

벽 경계 난류에 대한 새로운 기능을 통해 모델을 해결할 때 낮은 레이놀즈 넘버 난류 모델 공식과 벽 함수를 자동으로 전환 할 수 있습니다. 이 기능은 대류 yPlus, L-VEL, k-ω, SST, Low Reynolds number k-ω, Spalart Allmaras 및 v2-f와 같은 난류 모델에 사용할 수 있으며 기본적으로 선택되어 있습니다.
벽에 가까운 메시 해상도가 적당하다면, 낮은 레이놀즈 공식이 사용됩니다. 그러나 메시가 너무 거친 경우 선택한 난류 모델과 함께 wall function이 자동으로 대신 사용됩니다. 두 모델간 전환은 동일한 모델에서 발생할 수 있습니다. 난류 유동에 대한 벽을 자동으로 처리하는 기능은 메시 기능이 허용하는 정확도를 제공하는 동시에 wall function에 의해 제공되는 견고성을 제공합니다.


점성 무차원 단위(이 그림에서 색상 범례는 Aurora Borealis)에서 벽의 메시 해상도는 낮은 레이놀즈 난류모델 공식 또는 wall function 중 하나인 벽을 자동으로 처리하는 기능을 결정합니다. 점성 무차원 단위의 값이 낮을수록 벽의 메시 분해능이 높고 낮은 레이놀즈 난류모델 공식을 사용할  가능성이 높아집니다.

점성 무차원 단위(이 그림에서 색상 범례는 Aurora Borealis)에서 벽의 메시 해상도는 낮은 레이놀즈 난류모델 공식 또는 wall function 중 하나인 벽을 자동으로 처리하는 기능을 결정합니다. 점성 무차원 단위의 값이 낮을수록 벽의 메시 분해능이 높고 낮은 레이놀즈 난류모델 공식을 사용할 가능성이 높아집니다.

Application Library path for an example that uses automatic wall treatment:

CFD_Module/Single-Phase_Benchmarks/pipe_elbow

Algebraic Multigrid (AMG) Solver for CFD


Smoothed Aggregation Algebraic Multigrid (SA-AMG) 방법은 COMSOL Multiphysics®의 CFD에 대한 특수화된 매끄러운 작업(smoother)(SCGS, Vanka 및 SOR Line)와 함께 수행되도록 확장되었습니다.

대체 기하학적 멀티 그리드 (geometric multigrid, GMG) 솔버를 사용하려면 일반적으로 여러 메시 레벨을 고려해야 하며, 서로 다른 크기의 다양한 기하학적 세부 사항을 사용하여 메시를 구성하고 계산하려고 할 때 문제가 발생할 수 있습니다. SA-AMG 솔버는 하나의 메시 레벨만 필요로하므로 메시 프로세스가 훨씬 쉬워지고 큰 문제와 “어려운” 형상에 대한 해결 프로세스가 훨씬 강력해집니다.

예를 들어, 태양열 패널의 유체 – 구조 상호 작용 모델 (이미지)에서, 패널을 지지하는 스트럿 및 빔은 주변의 대기 영역과 비교하여 작습니다. 이러한 차원의 차이는 공기 도메인을 작은 부품 및 구성 요소와 함께 효율적으로 메시하는 것을 어렵게하며, 크기가 다른 3 개의 메시가 생성되는 경우 더욱 어려워집니다. SA-AMG 솔버는 하나의 메시 레벨만 필요로 하므로 훨씬 쉽게 얻을 수 있습니다.

태양 전지판을 지나는 유체 흐름과 유체 구조 상호 작용에 의한 표면의 압력 분포. 주변 공기 영역에 대한 지지 스트럿 및 보의 치수 크기의 차이는 메시를 구성할 때 어려움을 초래합니다. SA-AMG 솔버를 사용하면 솔루션 프로세스에 하나의 메시 레벨만 필요하며 메시 3 단계가 필요한 GMG 솔버의 솔루션 프로세스에 비해 훨씬 빠르고 쉽습니다.

태양 전지판을 지나는 유체 흐름과 유체 구조 상호 작용에 의한 표면의 압력 분포. 주변 공기 영역에 대한 지지 스트럿 및 보의 치수 크기의 차이는 메시를 구성할 때 어려움을 초래합니다. SA-AMG 솔버를 사용하면 솔루션 프로세스에 하나의 메시 레벨만 필요하며 메시 3 단계가 필요한 GMG 솔버의 솔루션 프로세스에 비해 훨씬 빠르고 쉽습니다.


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Application Library path for an example that uses the algebraic multigrid solver:

CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/solar_panel

New Formulation and Tutorials for High-Mach Number Flow


High-Mach Number Flow 인터페이스는 운동량 방정식과 마하 1 이상의 비점성 흐름에 대한 에너지 방정식을 결합합니다. 이 인터페이스의 정확성은 운동량 방정식의 공식을 개발함으로써 향상되었습니다. 또한 Application Library에서 초음파 유동을 설명하는 세가지 새로운 튜토리얼 모델인 Euler Bump 3D, Expansion Fan, Supersonmic Ejector가 추가되었습니다. 이러한 예제들은 모두 과학적 연구 결과를 재현합니다.

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Application Library path for the new High-Mach Number Flow tutorials:

CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/euler_bump
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/expansion_fan
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/supersonic_ejector

New Interior Wall Boundary Condition


Darcy’s Law, Richards Equations 및 Two-Phase Darcy’s Law 인터페이스는 이제 얇은 내부 벽을 정의 할 수 있습니다. 내부 벽 기능는 벽, 판, 슬래브 등 옹벽과 같은 다공성 매체에 박혀있는 얇은 비 투과성 구조물을 피하여 계산 시간과 자원을 줄이는 데 유용합니다.

New Thin Barrier Boundary Condition


Darcy ‘s Law 및 Richards Equations 인터페이스에서 이제 Thin Barrier 경계 조건을 사용하여 내부 경계에 투과성 벽을 정의 할 수 있습니다. 이러한 내부 경계는 일반적으로 얇고 낮은 침투성 구조를 나타내는 데 사용됩니다. Thin Barrier 경계 조건을 사용하면 지오텍스타일(geotextile) 또는 천공 플레이트와 같은 얇은 구조를 맞물리게하지 않아 계산 시간과 리소스를 줄일 수 있습니다.

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New Tutorial: Helmholtz Resonator with Flow, Interaction of Flow and Acoustics


헬름홀츠 공진기는 특정 좁은 주파수 대역을 감쇄시킬 수 있기 때문에 배기 시스템에 사용됩니다.시스템에 흐름이 존재하면 공진기의 음향 특성과 서브 시스템의 전송 손실이 변경됩니다. 이 튜토리얼 모델에서 헬름홀츠 공진기는 주 덕트에서 측면 분기에 위치합니다. 주 덕트를 통한 전송 손실은 흐름이 유입될 때 관찰됩니다.
평균 유량은 Ma = 0.05 및 Ma = 0.1에 대해서 SST 난류 모델을 사용하여 계산됩니다. 음향문제는 LNS(Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain) 인터페이스를 사용하여 계산됩니다. 평균 유속, 압력 및 난류 점도는 LNS 모델에 결합됩니다. 결과는 저널 논문에서 찾은 측정치와 비교되며 진폭과 공명 위치는 측정 데이터와 잘 일치합니다 (1D 플롯에서 볼 수 있음). 감쇄와 유동 영향 간의 균형은 공명 위치가 정확하도록 엄격하게 모델링해야 합니다.
참고 : 이 모델에는 Acoustics Module과 CFD Module이 모두 필요합니다.

메인 덕트에 대한 사이드 브랜치에 위치한 헬름홀츠 공진기의 음향 음압레벨 분포(전면), 표면 유선(중간) 및 배경 유속 진폭(후면)

메인 덕트에 대한 사이드 브랜치에 위치한 헬름홀츠 공진기의 음향 음압레벨 분포(전면), 표면 유선(중간) 및 배경 유속 진폭(후면)


전송 손실은 3가지 유동 구성(Ma=0.1, 0.05, 0.005)에 대해 LNS 모델을 사용하여 계산됩니다.

전송 손실은 3가지 유동 구성(Ma=0.1, 0.05, 0.005)에 대해 LNS 모델을 사용하여 계산됩니다.


Application Library path:

Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

New Reacting Flow in Porous Media Interface


충전층 반응기, 관형 반응기, 그리고 다른 촉매 불균일 반응기 모델링은 새로운 Reacting Flow in Porous Media 다중물리 인터페이스로 상당히 간단하게 됩니다. 이 기능은 별도의 인터페이스를 설정하거나 이들을 연동하지 않고도 다공성 매질 유동에 대한 화학종들의 확산, 대류, 전기영동, 그리고 반응을 정의합니다. 이 다중물리 인터페이스는 다공성 매질 유동과 희석 또는 농축된 화학 종의 전달현상이 있는 불균일 촉매 모델링에서 요구되는 물리현상 인터페이스들과 그것들의 연동을 자동적으로 조합합니다.

이 다중물리 인터페이스가 층류와 난류에 대해 비슷한 것을 보완하기 때문에, 사용자는 고려되는 물리 현상에 대해 새로운 인터페이스를 재정의하고 설정하지 않고도 다른 종류의 유동 모델에 대한 새로운 연동을 전환하거나 정의할 수 있습니다. 이 설정 창은 정의된 물성 또는 화학 반응속도의 어떤 손실 없이 화학종의 물질전달뿐만 아니라 모델링 하기 위한 유동 종류 선택을 지원하고 있습니다. 이것은 사용자가 다른 반응기 구조를 비교하고, 하나의 반응기에서 자유 흐름 및 다공성 매질, 심지어 두 영역이 연결된 흐름을 모델링 할 수 있음을 의미합니다. (이미지를 확인하세요.)

그림설명

반응기의 다공성 촉매층을 통과하도록 하는 두번째 반응물을 포함한 자유 흐름으로서 수직 관을 통해서 주입된 반응물의 농도 등고 표면을 보여주는 다공성 소형 반응기 모델. 이 모델은 새로운 Reacting Flow in Porous Media 다중물리 인터페이스로 완전히 정의 가능합니다.


새로운 Reacting Flow in Porous Media 인터페이스에 대한 예제의 Application Library 경로 :

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

New Transport of Diluted Species in Fractures Interface


틈(fracture)은 길이나 넓이 치수에 비교했을 때 매우 작은 두께를 갖습니다. 크기 치수의 큰 차이로 인한 종횡비 때문에, 틈 표면의 두께에 메시를 구성하는 과정에서 이러한 틈에서 화학종의 전달현상을 모델링 하는 것은 종종 어려움이 있습니다. 새로운 Transport of Diluted Species in Fractures 인터페이스는 표면 메시로써 횡 방향 치수로 메시된 쉘(shell)로 틈을 처리합니다.

이 인터페이스는 다공성 구조물로 고려된 틈에서 공극률뿐만 아니라 평균 틈 두께를 정의할 수 있습니다. 화학종의 전달현상에 대해, 이 인터페이스는 공극률의 영향을 포함하기 위해 효과적인 확산 정의를 지원합니다. 대류 전달현상은 Thin-Film flow 인터페이스를 연동하거나 또는 틈을 통과하는 유동흐름을 정의한 식을 포함하여 가능합니다. 추가로, 틈, 틈의 표면, 또는 틈을 포함하는 다공성 매질 발생하는 화학반응을 정의할 수 있습니다.

그림설명

얇은 틈 곡면에 따른 희석용액의 전달현상. 곡면은 유동과 화학종의 전달현상이 발생하는 표면을 통한 각인된 비틀린 경로로 구성됩니다.



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Fracture Surfaces in the Transport of Diluted Species in Porous Media Interface


전달현상이 틈이 있는 다공성 3차원 구조물에서 발생하는 경우, 새로운 Fracture 경계 조건은 사용자가 3D 구조체로써 메시를 하지 않고 얇은 틈에서 전달현상을 모델링하도록 지원합니다. Fracture 경계 조건은 Transport of Diluted Species in Porous Media 인터페이스에 포함되며 (그림을 확인하세요.), Transport of Diluted Species in Fractures 인터페이스에서와 같은 설정을 갖습니다. (위에서 설명을 참고하세요.). 유동과 화학종 전달현상은 3차원 다공성 매질 구조물과 유동과 틈에서의 화학종 전달현상간에 완벽하게 연동됩니다.

아래 그림은 다공성 반응기 모델에서 농도 분포를 보여줍니다. 모델에서, 비틀어진 틈은 다공성 매질을 통한 전달현상보다 더 빠른속도에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 다공성 촉매로 더 깊게 반응물은 새어나갑니다. 이것은 더 높은 물질 전달 속도를 주는 주변 다공성 촉매와 비교하여 틈 표면이 더 높은 평균 공극률을 갖기 때문입니다.

틈 표면에서 표면 농도와 3차원 반응기를 통과하는 농도 등고선. 틈 표면에서 더 높은 물질 전달 속도는 촉매층으로 반응하지 않은 종의 더 큰 침투(오른쪽에서 왼쪽으로)를 제공합니다. 틈 표면에서 매우 적은 농도 변화(0.63부터 0.62 mol/m3까지)를 볼 수 있습니다.

틈 표면에서 표면 농도와 3차원 반응기를 통과하는 농도 등고선. 틈 표면에서 더 높은 물질 전달 속도는 촉매층으로 반응하지 않은 종의 더 큰 침투(오른쪽에서 왼쪽으로)를 제공합니다. 틈 표면에서 매우 적은 농도 변화(0.63부터 0.62 mol/m3까지)를 볼 수 있습니다.


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