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Walter Frei 创作的所有博客

模拟盘管换热器

2014年 8月 21日

盘管换热器非常简单,且容易制造。在这篇博客中,我们考察了一个轴向环绕的铜盘管,它通过输运热水来加热圆形管道内的空气。因为沿中心线两侧的几何几乎相同,所以模型使用二维轴对称面求解; 同时增加了额外的表达式来计算盘管匝间的温降,这大大简化了模拟。

利用对称性简化磁场建模

2014年 7月 14日

介绍在电磁模型中可以利用的3种对称性边界条件。磁绝缘、完美磁导体和 1/8 对称性。

如何在不知道积分限的情况下对函数进行积分?

2014年 4月 30日

您知道 COMSOL® 软件可以解决积分和偏微分方程吗?学习如何积分函数——即使不知道积分的极限。

COMSOL Multiphysics 可以求解什么类型的流-固耦合(FSI )问题?

2014年 4月 14日

我们经常收到这样一个问题:“我可以使用 COMSOL Multiphysics 求解流-固耦合问题吗?”答案是肯定的。这篇博客,我们将介绍几种流-固耦合(FSI)问题的建模技术,以及对不同类型的问题进行分析所需要的 COMSOL 附加模块。 各种类型的流-固耦合模拟 从广义上讲,当涉及计算流体中的速度和/或压力场,以及对与该流体相互作用的固体材料中的应力和应变问题进行建模时,都是求解一个流-固耦合(FSI)模型。 绕圆柱体流动 在模拟 FSI 问题时,我们可以进行各种假设来简化模拟的复杂度和减少计算量。首先,我们来看一个可以在 COMSOL Multiphysics 中创建的完整 FSI 模型:圆柱体周围的流体流动。 切向流场中圆柱体尾流中的柔性物体变形。  圆柱体后面的尾流引起其后部突出的固体产生较大的振荡。求解这类模型我们需要解决三个问题。首先,在流体流动区域中求解纳维-斯托克斯方程。接下来,计算固体位移。最后,求解流动域中的网格变形,以考虑流体可以流过的变形区域。 对于这种非线性多物理场耦合,我们可以使用 MEMS 模块或者 结构力学模块中的流-固耦合 接口实现。这类模型可以在时域或稳态(定常)问题中求解。 上述例子考虑的是固体材料中应力和应变之间是线性关系。如果想建立包含非线性应力-应变关系的材料模型,例如通常用于描述橡胶和聚合物的超弹性材料模型,还需要使用非线性结构材料模块。 蠕动泵:沿软管泵送流体的滚筒。 图片来源:Veryst Engineering. 单向 FSI 耦合 您可能提前知道结构位移相对较小,但应力可能很大。对于这种情况,我们仍然可以使用流-固耦合 接口,并使用单向耦合 求解器计算流动解,以及在结构上施加流体载荷。这样,就可以避免计算网格的变形。 我们也可以从头开始构建这类单向耦合 FSI 问题,而不是使用流-固耦合接口。例如,铝挤出工艺中的流-固耦合案例模型中就介绍了这种处理方法。此外,如果您正在处理非常高速的流动问题,并且对流动中短时间尺度的紊乱振荡不感兴趣,还可以在FSI模型中使用湍流流动模型。说明:CFD 模块和传热模块中都包括适用于不同流态的各种各样的湍流模型。 周期性流场中的太阳能电池板:计算了太阳能电池板周围的湍流气流和由此产生的结构应力。 流体中的结构振动 如果事先知道正在模拟的流体中有结构振动,且可以假设结构位移相对较小,因此可以忽略周围流体中所有可能被诱发的体积运动。但是,结构振动将在流体中激发压力波,引起声音辐射。对于这类问题,我们可以在 COMSOL 软件中通过声学模块中提供的声-结构相互作用 接口来求解。 这些接口假定固体位移的变化相对较小,不会引起流体的明显体积运动,只会引起流体压力场的变化。您可以在时域中求解这类问题,也可以假设位移和压力随时间呈正弦变化,这样就能够在频域中建模,耗费较小的计算量。在分析过程中,还可包括由于流体黏度和材料阻尼引起的体损耗。 扬声器辐射的声压级。 此外,还可以进一步求解热黏性声-固相互作用 问题,这是一种纳维-斯托克斯方程的线性频域形式,其中可以考虑显式建模的热边界层和黏性边界层中的损耗。虽然这比声学-固体相互作用问题的计算成本更高,但仍然比求解完整的 FSI 问题更高效。 振动微镜: 振动微镜的应力和位移以及周围的空气速度。 多孔弹性介质 我们还可以使用声学模块中的多孔弹性波 接口模拟弹性波通过诸如潮湿的土壤、生物组织和减震泡沫等多孔介质的传播。这个接口可以同时求解结构位移和固体孔隙中流体的压力。例如,计算声波在水-沉积物界面之间的声反射,就是这样一个例子。   如果您对模拟多孔弹性介质感兴趣,但是在稳态或时域中求解而不是频域中,那么你需要使用地下水流模块 。该模块不仅可以模拟土壤和其他多孔介质中稳态或瞬态压力驱动的流动和静态应力,还包含一个多孔弹性 接口,可以模拟稳态和瞬态状态下的多孔弹性流体-结构相互作用。 开孔的分支井模型: 绘制了土壤中的应力和多孔弹性域中的流体速度。 流体和管道流动的薄层 刚才介绍的所有方法都明确地模拟了流体的体积,并求解了这些体积中的速度和/或压力。在流体层相对较薄的情况下(例如在液体动压轴承中的油膜),可以完全不需要建立流体的体积模型,只需要求解雷诺方程,来获得液体薄膜中的压力。 使用这种方法,只求解沿域边界的流体流动,在 CFD 模块和 MEMS 模块中都可以使用这个接口。我们甚至可以更进一步,只求解沿着一条线的流体流动。换句话说,可以使用管道流模块求解沿管道的流动。 对于同时考虑沿管道长度的压力变化以及管壁弹性影响的示例模型的模拟,请查看这个求解水锤方程的案例。 可倾瓦推力轴承:润滑层中的压力场和可倾瓦推力轴承的变形。 将计算简化到一个新的水平 您可能已经发现,我们是从最复杂的模拟方法开始,逐步探讨如何简化计算,尤其是流体流场的计算。现在,考虑一种极端的情况,即流体完全不移动但对结构施加静水压力载荷。 核心功能 对于这种情况,我们可以利用 COMSOL Multiphysics 的核心功能:用户定义方程、组件耦合算子和全局方程来解决。这些功能允许将任意方程包含到模型中,来表示任意变量,例如流体压力。例如我们在上一篇博客中介绍的示例,您可以包括变形封闭腔内的可压缩和不可压缩流体的影响,以及静水压力。 搅拌器模块 现在,我们已经介绍了简化流体流动问题和计算应力的各种方法,接下来,我们来考虑旋转的研究对象,即在已知固体刚体运动的情况下模拟流体运动。对于这种情况,我们可以通过搅拌器模块来求解,也就是求解搅拌器和搅拌容器的问题。 在这种情况下,固体结构的运动完全是通过旋转定义,然后计算流体的运动。假设固体线性弹性变形,还可以通过单向耦合计算移动固体中的应力,即先求解由于搅拌器搅拌而引起的流体流动,然后在结构变形较小的假设下计算应力。 […]

可变形容器中流体的静水压力建模

2014年 4月 9日

在之前的一篇博客文章中,我们研究了计算和控制充满不可压缩流体的腔体的体积,其中求解了充满流体的橡胶密封件的静态变形。在那个例子中,假设流体是不可压缩的,我们没有显式地为流体建模,而是添加了一个方程来求解压力。在这篇博客中,我们将扩展这种方法并使之包括可变形容器中流体的静水压力。 挤压水气球 考虑一个装满水的橡胶气球,放在一个开着洞的表面上,同时被压头从顶部推动。气球的变形是由于流体的重量以及压头从顶部向下推动造成的,如下图所示。我们采用超弹性材料模型对橡胶材料进行建模,并将使用在前一篇文章中介绍的技巧,在腔体变形时保持腔体的体积不变。 流体的重量使气球发生变形,这导致气球向外膨胀并陷入凹陷中;来自上方的压缩也会使它产生变形,这导致其向外和向上膨胀。由于这种压缩,气球内流体的深度会发生变化。我们想要求解这种深度变化,而不必求解流体流动的 Navier-Stokes 方程,因为我们只对静态(非时变)解感兴趣。 一个装满水的橡胶气球的中心被压缩。当气球被挤压时,最高点的位置和流体的深度会发生变化,从而改变静水压力分布。 合并静水压力 一个装有流体的容器会对容器壁施加静水压力: p(z)=p0+\rho g (z0-z)   其中,\rho  是流体的密度, g 是重力,z0  是容器顶部的位置,p0 是容器顶部流体的压力。由于气球中充满了不可压缩的流体,当我们用压头挤压它时,压力 p0,将会增加。 我们还可以从上面的图像中看到,随着气球被压缩,流体的深度也会发生变化。此外,似乎计算深度需要知道容器的顶部和底部的位置。那么,我们如何在深度上融入这种变化呢?接下来,让我们来看看怎么操作…… 如下图所示,气球内部施加的压力载荷有两个分量。压力载荷的第一部分是根据全局方程计算的。压力载荷的第二部分是由静水压力引起的。理想情况下,第二部分的压力载荷将基于流体的深度,但这个深度是一个我们不知道的变量。所以,我们输入一个只基于z位置的静水载荷,它可以有一个任意的零水平。 施加在气球内边界上的压力载荷是由全局方程计算出的压力载荷和静水压力之和。流体静压在求解过程中逐渐升高。 全局方程约束体积在变形过程中保持不变。 因此,这里看起来好像我们施加了一个压力载荷来约束体积和一个与 z 位置成正比的载荷,但是我们没有正确地计算静水压力,因为我们不知道 z0. 然而,事实证明,全局方程的作用可能比你最初预期的要多一些。 为了理解这一点,我们稍微重写了一下气球内部压力的方程: p(z)=(p0+\rho g z0)-\rho g z   我们马上就可以看到,这几乎与我们输入的压力载荷方程 p(z)= P0-\rho g z 完全匹配,除此之外可以看到,我们通过全局方程计算的压力是容器顶部的压力加上未知的顶部 z 位置的偏移量。所以,虽然我们只求解一个额外的变量 P0,但它解释了两种物理效应:由于体积约束引起的压力变化以及流体顶部 z 位置的变化。 由于这个模型包含几何和材料非线性以及由于接触引起的非线性,因此收敛到解可能很困难。为了解决这个问题,我们将使用负载递增来缓慢增加重力对模型的影响,并逐渐挤压气球。二维轴对称模型用来研究结构的对称性。 最大耦合算子被用于寻找腔内的最高点,以便进行后处理。 求解模型后,利用最大耦合算子对静压的大小进行后处理,计算沿气球内边界的最大z位置。 箭头表示随深度变化的静水压力载荷的解。 上图显示了气球内部的静水压力负荷。箭头的长度由以下表达式给出: WaterDensityg_const(maxop1(z)-z),其中 maxop1(z) 给出变形腔顶部的z位置。 结束语 在今天的示例中,我们对可变形容器(本例中是气球)中流体的不同深度进行了模拟。全局方程用于求解体积保持不变的流体压力,同时也考虑了气球变形时流体深度的变化。 通过使用这种方法,我们不需要显示地求解 Navier-Stokes 方程,就可以解决流固耦合问题,从而节省了大量的计算资源。如果您对这种类型的模型感兴趣,或想了解更多关于这种模型的细节,请与我们联系。

计算波纹波导的阻抗

2014年 3月 25日

您知道可以在 COMSOL Multiphysics® 中计算横截面不均匀的波导(如波纹波导)的有效阻抗吗?我们将在这里为您演示。

优化加热器功率

2014年 2月 17日

我们展示了一种使用 COMSOL Multiphysics® 和优化模块进行过程控制建模和优化的有用方法。

使用组件耦合功能模拟温度控制器

2014年 2月 11日

了解如何在 COMSOL Multiphysics® 的热过程模拟中实现一个简单的温度控制器(反馈回路)。我们以硅晶片为例进行演示。


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