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使用多层材料功能模拟薄层中的传热
COMSOL Multiphysics® 软件中内置了一组全面的功能，可用于计算薄层中的传热。关于如何使用这些功能以较小的计算成本获得精确的解，本文不做详细讨论。这篇博客，我们将重点关注与 多层材料 功能有关的问题：这项功能有什么作用？您的模拟如何从中受益？ 编者注：这篇博客最初发布于2019年。现在已经更新以包括自 COMSOL Multiphysics 5.5 版本开始传热模块中增加的新功能。 模拟薄层中的传热 COMSOL Multiphysics 中提供了一些功能，可以考虑几何结构中薄层的特定传热属性，并且无需在几何结构中明确表征这些层，即可求解薄层中的热量传递。对于不同领域的应用，您都可以在层中定义电流和机械应力，例如电子元件和承受热应力的层压复合材料壳。 下图显示了不同温度梯度下钢柱中的温度分布。由于热导率低，安装在钢柱中部由两种不同材料构成的薄陶瓷部件起到隔热屏障的作用，并在陶瓷部分产生温度产变。陶瓷层在模型几何中被表示为一个面而不是两层薄体积域，以减少对网格大小的限制，这可能会使几何的不同部分具有高纵横比。高纵横比会使该部分的可视化变得非常困难。尽管几何结构中并未明确表征陶瓷部件，您仍然可以求解所有层的温度分布，并可以将其放大后更好地进行后处理，如下图所示。 使用 固体传热 接口和 薄层 节点计算的包含陶瓷层的钢柱中的温度分布。为了清晰地查看结果，将陶瓷层的厚度放大了 20 倍。 有关此模型的更多详细信息，请参阅 COMSOL 案例库中的复合保温层教程案例。 多层材料功能对传热仿真有什么好处？ 多层材料 功能可以在两方面提高您的仿真经验： 在模型树的中心位置对多层壳属性的定义进行分组，以在不同物理场接口中访问。这样做是为了将介质定义从物理场定义中分离出来并减少建模工作，因为对于所有的物理场，介质属性只需设置一次。 通过允许如任意数量、任何位置和任意方向的层来增加灵活性。 接下来，我们来看看使用 多层材料 功能计算多层壳中的传热的功能设计的优势，考虑一个包含两层壳的几何结构： 在边界 1 上定义的第一层壳，由包含材料 1（顶部和底部）和材料 2（中间）的 3 层组成 在边界2上定义的第二层壳，由材料3构成的单层材料 包含多层壳的几何，以及施加在边界 1 和边界 2 上的材料。 多层壳作为表面被包含在几何结构中，但物理场方程可以通过增加自由度（DOF）在重建的体积域（下图中以红色显示）中求解。 施加在边界 1 和边界 2 上的多层壳的重建体积域（厚度放大了 10 倍）。 当模拟该几何结构中热量传递时，我们可以指定层数、每一层的厚度和材料。除了这些属性之外，还可以轻松访问高级参数，例如厚度方向的网格单元数量、边界上多层材料的取向和位置，以及层交界面的特定材料属性。 除材料外，多层壳的所有属性均由 多层材料 节点定义，包括多层壳的组成，每一层的几何和离散特性。物理节点（本示例中为 薄层）指向多层材料 节点（下图的中间部分）；多层材料 节点指向用于定义材料属性的材料节点（下图的底部）。 包含多层壳定义在内的模型节点。 因此，您可以应用一个单物理场模型，模拟由不同数量和类型的层组成的多层壳的热传导。多层壳的特性在 多层材料 节点中定义。通过在模型树中将介质属性和物理模型的定义划分为两个不同部分，如下图所示： 模型树和 固体 节点的 设置窗口。 软件中提供的几个多层材料节点： 单层材料 多层材料链接 多层材料堆叠 多层材料 阅读博客使用复合材料模块分析风力发电机叶片，了解如何将这些节点组合起来对风力发电机复合叶片进行模拟。 上文，我们对多层材料 功能进行了介绍，接下来，我们需要回答两个问题： 如何利用此功能进行传热仿真？ 该功能对仿真过程有什么帮助？ 在 COMSOL Multiphysics® […]
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