用移动网格建模ComsolMultiphysics®中的自由表面

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经过Ed Fontes

2018年5月31日

在上一篇博客文章中,我们使用基于字段的方法(级别集和相位字段)进行了讨论,以建模自由表面。移动网格的另一个选择可以处理不经历拓扑变化的自由液体表面。在此博客文章中,我们将演示如何使用移动网格方法对自由表面进行建模并将结果与​​基于现场的方法进行比较。

自由液体表面问题

为了演示移动的网格功能,我们将使用与我们在有关阶段字段和级别集方法的上一篇博客文章。该模型是一个实心条,部分浸入水中的水中。请注意,移动网格功能实际上也用于规定在级别集合和相位场方法中的地表上来回的小矩形条的运动,以及移动的网格方法。

矩形条的模型几何形状在具有自由表面的液体中移动。
示例问题的几何和定义。

自由表面的移动网格方法规定了矩形条的位移,并跟踪水面的位移。我们通过在动量方程中添加源来解释模型中的重力。为了将移动网格方法的结果与相位场和级别设置方法进行比较,我们为墙壁使用Navier Slip条件。滑动长度等于元素长度的大小。

用移动网格建模自由表面

与前面讨论的级别集合和相位场方法相比,ComsolMultiphysics®软件中的移动网格无网格表面建模功能是相同问题的完全不同的方法。使用移动的网格接近,自由表面被建模为几何表面,将两个域分开。表面张力和其他表面力直接作为边界条件在自由表面上施加。

使用免费表面特征,在任何给定时间,自由表面的位移速度作为表面的流体速度获得。移动网格方程的溶液平滑地置换了整体流体内部的网格节点。这Navier-Stokes方程反过来又在移动坐标系上进行配制,该系统是从同时求解的移动网格方程中获得的。

使用这种方法,除了通过表面张力和压力效应以外,未对自由表面上方的气体结构域中的流场进行建模。因此,不可能在当前实施的情况下获得气相中的流场。(当然,可以通过手动添加第二流流量接口或使用流体流体界面可用的功能两相流,移动网格此外,在微流体模块中的界面。comsol多物理学中的移动网格实现无法治疗自由表面的拓扑变化,例如断裂波。

与水平集和相位场方法相比,在某种程度上,游离表面的建模是清洁器,因为我们可以直接将表面张力和其他表面力直接应用于边界条件,如上所述。由于自由表面上方的空气域中的流体流量无法求解导致性能的显着改善,因为Navier-Stokes系统的自由度数量减少到基于现场方法使用的自由度的一半。在这种情况下,由于水与空气之间的密度和动态粘度的较高比率,忽略了空气域的影响。下一节将讨论结果差异。

比较移动网格与相位场结果

下图显示了使用移动网格计算的自由表面,与使用相位场方法计算的结果相比。我们可以看到两种方法之间的一致性是不错的,并且自由表面的形状和速度场的流线都是相似的。

但是,模型并不相同。相位情况下的自由表面上方的空气结构域对相位场方法中的表面具有很小的阻尼作用。空气结构域不存在于移动的网格外壳中,而表面仅“看到”流体表面顶部的恒定气压。换句话说,移动的网格盒中的自由表面不必取代空气,并且可以使用这种能量来产生稍高的波和更波动的表面。

0.07秒后移动网格方法的仿真结果。
0.07秒后,相位场方法的仿真结果。
0.57秒后移动网格方法的仿真结果。
0.57秒后,相位场方法的仿真结果。
1秒钟后移动网格方法的仿真结果。
1秒后,相位场方法的仿真结果。

自由表面和速度场的形状在不同时间,使用移动网格界面进行两相流(左)和相位场方法(右)进行计算。

下面的动画显示了从移动网格方法的自由表面的解决方案,我们可以将其与我们的使用相位字段方法的先前动画。我们可以清楚地看到,与相位场动画相比,自由表面更加波浪状,反应更快。这可能是由于移动网格中缺失的空气域,其在级别集合中的存在和相位方法抑制了自由表面的运动。

从移动网格方法获得自由表面的动画。

我们还可以将默认的自由表面移动网格功能与完整的两相流动网格界面,能够考虑液体和气相中的流场。我们可以看到,与相位场方法的结果相比,移动网格的流场的模式和速度向量的大小非常相似。对于所有三种情况,自由表面的形状都非常相似(移动网格,相位场和带有两个相的移动网格),但是在这里,两个移动的网格盒具有更相似的形状。结论是,根据仿真结果,空气域对液体的速度场具有一定的阻尼作用。另外,移动网格和相位方法如何处理相边界处的壁表面的差异似乎是造成自由表面形状的差异(尽管很小)。

0.07秒后,两相流动网格接口的仿真结果。
0.57秒后,两相流动网格界面的仿真结果。
1秒后,两相流动移动网格接口的仿真结果。

结果使用两相流动网格界面。

自动重组和自由表面

对于相位字段,级别集和移动网格方法,我们还可以考虑使用自动重新安排,当元素的质量太差而无法满足所需质量时,它们会自动重新排列。该质量与元素的最大角度以及最大边缘和最小边缘之间的关系有关。A very large angle or a very compressed element means a poor element quality, which triggers an automatic remeshing when this functionality is selected.下图显示了对我们的小示例问题应用的自动重组。0.35 s后元素的质量足够差,足以触发重新捕捉,从而大大提高了网格的质量。

自由表面模拟结果在重新捕捉之前。
重组后的自由表面仿真结果。

触发前的网格(左)和重新捕捉后(右)。我们可以看到,小矩形杆右侧的元素在重新结束之前已伸展,但是在重新捕捉后看起来更多的各向同性。

流体结构相互作用和自由表面

在示例问题中,我们规定了表面上小矩形条的位移。通过将力施加到条上并实际计算由于流体施加的反孔而实际计算棒的位移,这是非常简单的。这给出了所谓的流体结构相互作用(FSI)问题。

从Comsol Multiphysics版本5.3a中,通过引入新的流体结构交互接口,可以促进使用FSI的自由表面问题(或两相流问题)的定义。下图显示了流体墙崩溃的经典问题,但现在也遇到了一个小障碍。表面张力,液体界面的位置和流动的影响与结构位移以及小晶须中的应力和应力完全耦合。

晶须的两相流FSI问题的动画,被传入的水脉冲击中。长度尺度为5 mm。

我们示例问题的一些结论

在这一系列博客文章的一部分中,我们得出的结论是,相位场方法在性能和准确性方面优于级别集方法,用于对存在表面张力效应的系统建模自由表面。我们示例问题的解决方案表明,具有自由表面功能的移动网格方法在性能与准确性方面更好。但是,它有两个缺点:

  • 它无法处理拓扑变化。
  • 默认情况下,它不考虑自由液体表面上方的空气(或其他气体)。

我们可以得出结论,移动网格方法应该是对自由表面进行建模的第一个替代方法,前提是我们不预见任何拓扑变化。如果我们有表面张力和拓扑变化,则相位场方法是最好的选择。也许在未来的博客文章中,我们可以比较这三种方法,即在有或没有拓扑变化的情况下,表面张力效果可忽略不计。

其他资源

阅读前面有关级别集和相位字段方法的博客文章

上面的所有示例都在应用程序库中可用。如果愿意,您可以复制并检查结果的有效性!访问本系列中提到的模型,并阅读有关建模免费表面的更多信息:

  1. 带有水平设置,相位场和移动网格的自由表面:比较
  2. 上升的泡沫
  3. 喷墨

评论(2)

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Sushil Patel
Sushil Patel
2018年6月29日

这真的很有趣。愿您提供.mph的文件,以用移动网格进行comsolMultiphysics®中的自由表面进行建模。

凯蒂·费尔克拉夫(Caty Fairclough)
凯蒂·费尔克拉夫(Caty Fairclough)
2018年6月29日

嗨,苏希尔,

谢谢你的评论。虽然现在尚不可用移动网格示例文件,但它们将在未来版本的Comsol Multiphysics中添加到应用程序库中。

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