单相流与多相流仿真
“CFD 模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品，提供专业的计算流体力学仿真功能，为以下各种不同类型的流体流动分析提供了丰富的仿真工具，包括：
“CFD 模块”还具备强大的多物理场建模能力，可高效模拟伴随共轭传热的非等温流动、反应流、流固耦合（FSI）、电流体动力学（EHD）等复杂现象。
此外，该模块的多物理场功能具备高度扩展性，可与 COMSOL 产品库中的其他模块灵活组合，实现更复杂的多物理场耦合场景。例如，该模块可与“结构力学模块”结合使用，对流体流动与大型结构变形进行耦合分析，实现流固耦合仿真。无论仿真对象如何变化，软件的操作环境始终保持一致。
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用户可以通过纳维-斯托克斯方程模拟瞬态/稳态层流，或使用斯托克斯方程求解蠕动流。
除常规恒参数流体外，本模块还可模拟黏度和密度随温度、局部组成、电场或任何其他物理场或变量变化的复杂流体。一般情况下，密度、黏度及动量源项均可定义为任意因变量及其导数的函数。
对于非牛顿流体，模块提供了幂律、Carreau、Bingham、Herschel–Bulkley 或 Casson 等多种预定义的通用流变模型，用于描述黏度特性，方便快速建立模型。
除此之外，该模块还支持模拟运动结构（如启闭阀门或旋转叶轮）中的层流，精准捕捉动态流动过程。
“CFD 模块”在预定义的流动接口中提供了全面的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）湍流模型，可精确模拟各类稳态和瞬态湍流现象。模块支持用户直接在用户界面中更新或扩展模型方程，快速构建定制化湍流模型，满足特定的仿真需求。
稳定且适用于粗化网格，精度有限。
解析直到壁面的流体流动，结果精确但需要细化网格。
继承了壁函数提供的稳定性，并且在高分辨率区域能够提供出色的低雷诺数处理精度。
大涡模拟（LES）是一种先进的计算流体力学算法，用于解析较大的三维非定常湍流涡，并通过近似方法表示小涡流的影响。与边界层网格划分一起使用时，该算法能够准确描述瞬态流场，并为边界上的通量和力提供精确的值。本模块提供多个 LES 模型，包括“基于残差的变分多尺度”（RBVM）、“基于残差的黏性变分多尺度”（RBVMWV）以及 Smagorinsky 模型，适用于不可压缩和可压缩流动。
分离涡模拟（DES）融合了雷诺平均（RANS）与大涡模拟（LES）方法，在边界层区域采用 RANS 模型，在其他区域则使用 LES 模型。DES 方法将 Spalart–Allmaras 湍流模型与 LES 模型（RBVM、RBVMWV 或 Smagorinsky）相结合，Spalart–Allmaras 模型提供低雷诺数或自动壁处理两种方案以适应不同的流动条件。
与纯 LES 方法相比，DES 的显著优势在于对边界层网格的密度要求较低，从而大幅降低了求解模型方程所需的内存和计算时间。DES 模型适用于三维瞬态不可压缩单相流的仿真分析。
在分离式多相流系统中，可以通过表面跟踪方法精确模拟气泡、液滴以及自由表面的运动特性。利用水平集和相场方法，可以详细描述相边界的动态形变、表面张力效应以及拓扑结构的变化过程。
针对计算域内存在大量微小气泡、液滴或颗粒的分散多相流场景，可以使用分散多相流模型进行模拟。此类模型能够跟踪各相的质量或体积分数，并基于平均化方法评估分散相（气泡、液滴或颗粒）对流体动量传递的影响。支持的流动模型包括：气泡流、混合物、欧拉–欧拉模型和相传递混合物模型。
“CFD 模块”提供了四种不同的多孔介质流动模型，帮助用户轻松模拟多孔介质中的流体流动。达西定律 模型是一种可靠且计算成本较低的多孔结构流动描述方法，并支持多相流仿真。布林克曼方程 模型在达西定律的基础上进行扩展，能够考虑由黏性剪切引起的动能耗散，并可进一步包含惯性效应，适用于孔隙率较高的高度开放结构，虽然比达西定律更具通用性，但计算成本也相对较高。
自由和多孔介质流动，布林克曼 和自由和多孔介质流动，达西 模型将多孔域中的流动与自由域中的层流或湍流（布林克曼）相耦合，其中，多孔域采用布林克曼或达西定律方程，自由域则使用纳维-斯托克斯方程进行建模。在布林克曼模型中，可结合任一基于 epsilon 或 omega 的 RANS 模型，并根据 Pedras–de Lemos 和/或 Nakayama–Kuwahara 方法，对多孔介质中的湍流进行模拟。
The CFD Module includes general-purpose functionality for modeling non-Newtonian fluids, including predefined viscosity models such as Power Law, Carreau, Bingham, Herschel–Bulkley, and Casson, as well as the viscoelastic models Oldroyd-B, Giesekus, and FENE-P. This makes it suitable for many fluid-flow analyses in which viscosity depends on shear rate, temperature, composition, or other modeled variables.
For more specialized polymer, coating, adhesive, and suspension applications, the Polymer Flow Module extends this functionality with additional models and interfaces customized for complex non-Newtonian behavior. Examples include additional viscoelastic fluid models, inelastic and thixotropic models, curing and polymerization functionality, and thermal models commonly used for polymer extrusion and mold filling.
For more details on specific features and functionality, see the Polymer Flow Module.
本模块能够模拟可压缩流体在层流和湍流状态下的跨音速和超音速流动。层流模型通常适用于低压系统，可自动定义理想气体的动量、质量和能量平衡方程。高马赫数流动功能同样支持所有基于 RANS 方程的湍流模型。
在求解上述模型时，均可通过自动网格细化技术，对速度和压力梯度极高的区域进行网格细化，以便解析激波形态。
在各类涉及流体流动的工艺和设备中，搅拌器、泵等旋转机械十分常见。“CFD 模块”提供了专用的旋转机械接口，支持在旋转坐标系中建立流体流动方程，适用于层流和湍流仿真。用户既可选用全瞬态方法完整描述旋转系统，也可采用基于冻结转子近似的平均方法进行求解。冻结转子法计算成本低，可用于计算平均速度、压力变化、混合程度、平均温度和浓度分布等参数。
通常来说，“CFD 模块”不仅支持旋转坐标系分析，还能求解任意动坐标系（如启闭阀门）的流体流动问题。通过动网格技术，可以轻松模拟两个相对滑动结构之间的复杂流动现象，显著提升建模与求解效率。
“CFD 模块”提供专业的薄膜流 接口，可以描述机械运动部件之间的薄油膜（摩擦学应用）或裂隙结构等薄域中的流动现象，常用于模拟润滑作用、弹性流体动力学，或运动部件之间由于存在气体或液体而产生的流体阻尼效应（例如 MEMS 器件中的情况）。模块提供预定义的薄膜和多孔介质流动 耦合功能，可高效模拟自润滑现象和压膜流等复杂工况。
浅水方程通过对纳维-斯托克斯方程进行深度平均得到，其因变量为水深和动量通量，可用于模拟自由表面下的流动现象，适用于水平长度尺度显著大于垂直长度尺度的场景，能够准确模拟海啸和洪水等自然灾害的影响。
在 COMSOL Multiphysics® 中可以轻松仿真多个物理现象的耦合
温度相关的流体属性和浮力；固体-流体边界上的连续温度和热通量。
使用 RANS 或 LES 计算固体-流体边界的共轭传热的低雷诺数公式或热壁函数。
流固耦合，其中流动在结构上产生载荷，但结构的变形非常小，不影响流动。
流固耦合，其中流动在结构上产生载荷，使结构发生较大变形，变形反过来又会影响流动。
使用混合平均模型或菲克定律分析稀和浓混合物中的多组分输运和反应。
层流的完整 Maxwell-Stefan 多组分输运方程。
支持高马赫数条件下的化学物质传递和反应计算，适用于浓物质和稀物质体系。
旋转机械的多相流和自由表面，以及叶轮和容器的“零件库”。
欧拉–拉格朗日多相流模型，其中颗粒或液滴作为离散实体进行建模。
连接到发生非等温流动的二维/三维流体域的管道和通道，适用于层流和湍流。
“CFD 模块”为流体流动分析提供专用功能，并在 COMSOL Multiphysics® 平台上无缝集成，实现一致的建模工作流程
为了模拟各种状态下的流体流动，“CFD 模块”提供了丰富的定制化流体流动接口来分析层流、湍流、多相流、可压缩流动、高马赫数流动和薄膜流以及浅水方程的不同状态。每个流体流动接口都定义了域方程组、边界条件、初始条件、预定义网格、预定义研究（具有稳态和瞬态分析的求解器设置），以及预定义的绘图和派生值。
流体流动接口采用伽辽金最小二乘法和 Petrov–Galerkin 方法对流动方程进行离散化，并生成空间中的数值模型（二维、二维轴对称和三维）。通过使用试函数，可以有效稳定输运方程中的双曲项和压力项。通过激波捕捉技术，可以进一步减少数值伪振荡。此外，还采用间断伽辽金公式在内外边界上保持动量、质量和能量守恒。
流体流动接口可以生成多种默认绘图，用于精确分析速度场和压力场分布。流线图可以直观呈现流体运动轨迹与流向，表面图和体图则能清晰显示压力分布及速度矢量的大小。此外，软件还提供丰富的派生值和变量，方便用户提取曳力系数等关键分析结果。
软件提供了专业的几何处理工具，可围绕导入的 CAD 几何生成流动域（如边框），并支持通过自动或手动方式去除与流体流动无关的细节。借助 CAD 导入模块，用户可以导入大多数 CAD 文件格式，并进行修复和特征去除操作。内置的 CAD 几何工具还能创建复杂的几何结构和计算域。
在生成网格序列时，“CFD 模块”自带的物理场控制网格功能可以自动考虑流体流动问题中的边界条件，生成边界层网格，以便准确解析壁附近的速度梯度。
流动方程通常呈现出高度非线性，默认的求解器设置会根据问题自动选择合适的阻尼牛顿法以求解数值模型方程。对于大型问题，可以采用最新的代数多重网格或几何多重网格方法（专为传输问题而设计）来加速牛顿法的线性迭代过程。
对于瞬态问题，软件采用自动时间步进和自动多项式阶数的时间步进技术，并结合上述非线性求解器，能够实现以尽可能高的精度求解速度场和压力场。
借助 COMSOL Multiphysics® 内置的 App 开发器，用户可直接基于现有模型创建定制化用户界面，能快速创建目标明确、输入输出定义精准的仿真 App。这些 App 具有多种不同的用途，包括自动化处理复杂重复的任务、创建和更新报告、为非专业人员提供用户友好的界面、提升组织内部模型共享效率，以及为客户创造差异化竞争优势。
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