CFD in COMSOL Multiphysics

Christian Wollblad

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Worldwide Sales Offices

CFD – The Classical View• Laminar• Turbulent

– RANS– LES– ....

• Incompressible• Compressible

– Mach number effects

Traditional Approach to Modeling

Fluid Flow

Chemical Reactions

AcousticsElectromagnetic Fields

Heat Transfer

Structural Mechanics

User Defined Equations

COMSOL Approach to Modeling

Fluid Flow

Chemical Reactions

AcousticsElectromagnetic Fields

Heat Transfer

Structural Mechanics

User Defined Equations

Typical Multiphysics Couplings• Flow with heat transfer: Non‐isothermal flow/Conjugate heat 

transfer

• Flow with mass transfer: Reacting flow

• Flow and structures: Fluid‐Structure Interaction (FSI)

• Flow with particles: Particle tracing

Conjugate Heat Transfer ‐ Example• The model examines the air cooling of a 

power supply unit (PSU) with multiple electronics components acting as heat sources. 

• Avoid damaging components by excessively high temperatures

• Extracting fan and a perforated grille cause an air flow in the enclosure. Fins are used to improve cooling efficiency.  Cooling of a Power Supply Unit (PSU)

Conjugate Heat Transfer ‐ ExampleFluid flow described by Navier‐Stokesin air in the compartment

Heat transfer by conductionin the solid parts

Heat transfer by conduction and advection in air

Continuity in heat fluxand temperature atsolid‐air interfaces

Reacting Flow ‐ ExampleChemical species transportand reactions in porous media

Chemical species transport

Flow in porous media describedby Brinkman’s extension of Darcy 

Continuity in mass, momentum, pressure, and material across porous media interface

Fluid flow described by Navier‐Stokes

Poroussubdomain

A

BC

Fluid‐Structure Interaction ‐ ExampleLiquid phase describedby Navier‐Stokes

Solid mechanics inthe obstacle withmoving mesh

Gas phase describedby Navier‐Stokes

Interface between the twofluids modeled with phase fields

Interface between solid and fluid described by moving meshusing the ALE method 

Fluid‐Structure Interaction ‐ ALE

∙ ∙

∙

• At fluid‐solid interface:

, , : → ,

• Use smoothing for interior mesh points

Particle Tracing ‐ Example• Animation using comet tail plots and Poincare maps

The Finite Element Method• General PDE:  0• Assume that  ∑ (1)

Where  is a set of trial functions.

(1) is a Fourierexpansion

Spectral methods

is a polynomial in each mesh cell

Finite elements

is a constant value for each cell/node

Finite volumesis piecewise constant

COMSOL Multiphysics Workflow

Micromixer

Model

Definitions

Geometry

Materials

Physics

Mesh

Study

R lt

User Friendly Interface 

Everything is Equation Based

Add Your Own Equations to COMSOL’sDon’t see what you need?

Add your own equation• ODE’s• PDE’s• Classical PDE’s

Just type them in• No Recompiling• No Programming

DEMO

A duct T‐junction

Product Suite – COMSOL® 5.3

Single‐Phase Flow• Creeping flow/Stokes flow• Laminar flow• Turbulent flow• Rotating machinery• Utility boundary conditions

– Fully developed flow– Screens– Grilles– Fans– Vacuum pump

A spinning soccer ballA spinning soccer ball

Algebraic Turbulence Models• Reynolds number based on local velocity magnitude 

and wall distance– Algebraic yPlus– L‐VEL

• Advantages:– Robust– Computationally cheap

• Disadvantages: – Less accurate Thermoelectric cooling 

systemThermoelectric cooling system

Transport Equation Models

Benchmark model of a NACA0012 airfoil using the SST turbulence model.

Benchmark model of a NACA0012 airfoil using the SST turbulence model.

• Two‐Equation Models– k‐model– Low‐Re k‐model– k‐model– SST model

– Versatile and easy to use models– Accurate enough for many industrial 

applications

Transport Equation Models• Spalart‐Allmaras

– Developed for external flow in aerodynamic applications

• v2‐fmodel– Extension of the k‐model– Accounts for anisotropy caused by 

wall blockageFlow in a hydrocylone. A typical application where v2‐f gives superior results over two‐equation models such as k‐ε or SST.

Flow in a hydrocylone. A typical application where v2‐f gives superior results over two‐equation models such as k‐ε or SST.

Rotating Machinery• Laminar and turbulent

• Sliding mesh– Accurate time‐dependent simulations– Free surfaces

• Frozen rotor– Fast, stationary approximations– Can provide starting conditions for a sliding 

mesh simulation– Stationary free surface post‐processing feature

Flow around a torpedo Flow around a torpedo 

Multiphase Flow• Separated flows

– Two‐Phase Flow– Three‐Phase

• Disperse flows– Bubbly Flow– Mixture Model– Euler‐Euler Model

• Particle Tracing– Eulerian‐Lagrange 

multiphase flow

Startup of a fluidized bed modeled using the Euler‐Euler Model interface

Startup of a fluidized bed modeled using the Euler‐Euler Model interface

Multiphase Flow ‐ Separated Flows• Tracks the exact surface location• Accurate modeling of surface‐tension 

effects

• Includes a surface‐tension coefficient library

Gas bubble rising from a dense liquid up into a light liquid in a three‐phase flow, phase field simulation

Gas bubble rising from a dense liquid up into a light liquid in a three‐phase flow, phase field simulation

Sloshing in a fuel tankSloshing in a fuel tank

Multiphase Flow – Disperse Flows• Bubbly Flow & Mixture Model 

– Short particle relaxation time– For Bubbly flow, bubble concentration must be small (~0.1) – Bubble induced turbulence in bubbly flow– Mass transfer between phases– Option to solve for interfacial area

• Euler‐Euler Flow– General two‐phase flow– No restriction on particle relaxation time– Mixture or phase‐specific turbulence model

Bubble‐induced turbulent flow in an airlift loop reactorBubble‐induced turbulent flow in an airlift loop reactor

Particle Tracing• Track individual particles/droplets• Can represent size distributions• Applications

– Fluid flow visualization– Sprays– Separation, filtration, and erosion– Brownian motion and particle diffusion– Rarefied gas dynamics

Sprays in a CVD reactorSprays in a CVD reactor

Non‐Isothermal Flow and Conjugate Heat Transfer • Heat transfer in fluids and 

solids

• Laminar and turbulent flow

• Compressible flow for 0.3

• Engineering correlations for convective heat transfer

• Porous media domains 

• Radiation

A shell and tube heat exchangerA shell and tube heat exchanger

High Mach Number Flow• Extension of Non‐Isothermal Flow

• Laminar and turbulent flow

• Fully compressible flow for all Mach numbers

Turbulent compressible flow in a two‐dimensional Sajben diffuserTurbulent compressible flow in a two‐dimensional Sajben diffuser

Reacting Flow• Multi‐component transport 

– Migration of charged species in electric fields

– Mass transport in free and porous media flow

– Turbulent mixing and reactions

• Couple to Reaction Engineering Turbulent reacting flow in a 

multi‐jet reactor in a polymerization process.

Turbulent reacting flow in a multi‐jet reactor in a polymerization process.

Thin‐Film and Porous Media Flow• Thin‐film flow

– For lubrication and flow in narrow structures, which are modeled as 3D shells

– Supports gaseous cavitation

• Porous media flow– Laminar or turbulent free‐flow coupled to 

porous media flow – Darcy’s law and Brinkman equations with 

isotropic/anisotropic permeability tensor– Two‐phase flow, Darcy’s Law

Subsurface flow in a volcanoSubsurface flow in a volcano

Mass fraction for cavitating flow in a journal bearing modeled using the Thin‐Film Flow, Shell interface.

Mass fraction for cavitating flow in a journal bearing modeled using the Thin‐Film Flow, Shell interface.

Pipe Flow• 1D simulation of fluid, heat 

and mass transfer in pipes.• Couple to 2D and 3D models.• Couple to 3D flow domains.

Cooling of an Injection MoldCooling of an Injection Mold

From Model to App• Simulations today:

– Mostly used by dedicated simulation engineers and scientists – just like you!

– Require some degree of training to get started 

• Simulations tomorrow:

R&D

Engineering 

Manufacturing

Installation

Sales

COMSOL Users Turn App Designers

Building Apps

Running Apps

Running Apps

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Web BrowserCOMSOL Client

From Model to App