计算流体力学 (CFD) 博客文章
Veryst 使用 COMSOL Multiphysics® 模拟室外跑步者之间的飞沫传播
在 2020 年 3 月之前，钥匙、手机和钱包是我们出门前必需携带的三件物品。为了控制新冠病毒（COVID-19）的传播，口罩现在成为了第四件必需品。美国疾病控制与预防中心（CDC）的主任 Robert Redfield 博士表示，口罩是“我们减缓和阻止病毒传播的最强大武器之一”（参考文献1）。
唇彩为什么会表现出反重力作用？
我们来解释一下一种神秘的病毒现象:唇彩似乎可以漂浮起来对抗地心引力。阅读更多(并观看相关视频)…
使用多物理场仿真优化医疗面罩设计
无创通气（Noninvasive ventilation，NIV）面罩是一种医疗救助装置，它通过持续气道正压通气技术（Continuous positive airway pressure，CPAP）为呼吸困难的患者提供空气。
仿真助力环境保护的 6 种行业应用
节能建筑和电器，安全的核废料储存，保存完好的淡水湖泊。 这些都是模拟如何保护环境的几个例子。
COMSOL®中的多相流建模与仿真：第 1 部分
多相流通常包括气-液、液-液、液-固、气-固、气-液-液、气-液-固或气-液-液-固混合物的流动。此系列博客主要讨论气-液和液-液混合物，并简要讨论固-气和固-液混合物。此外，我们还将介绍 COMSOL 软件中 CFD 模块和微流体模块中的模型和模拟策略。 不同尺度的多相流建模 通过数学建模可以对不同尺度的多相流进行研究。最小尺度约几分之一微米，而最大尺度可达几米或几十米。这些尺度甚至可以相差大约八个数量级，其中最大尺度可能比最小尺度大一亿倍,这意味着，在整个尺度范围内，使用同一种机理模型在数值上是无法解析从最小尺度到最大尺度的多相流。因此，多相流模拟通常分为不同的尺度。 在较小的尺度上，可以详细模拟相边界的形状；例如，气泡与液体之间的气液界面的形状。在 COMSOL 软件中，这种模型称为分离型多相流模型，而描述此类模型的方法通常被称为表面追踪法。 在较大的尺度上，如果必须详细描相界面，该模型方程将无法求解。相反，此时会采用场（如体积分数）来描述不同相，同时将表面张力、浮力和相间质量传递这类界面效应作为分散多相流模型方程中的源和汇。 分离型多相流模型详细描述了相边界，而分散型多相流模型仅考虑分散在连续相中的一个相的体积分数。 上图显示了分离型和分散型多相流模型的主要区别。上述两种示例，均使用函数 Φ 来描述气相和液相。但是，在分离型多相流模型中，不同相之间相互排斥并存在一个清晰的相边界。在此边界上，相场函数 Φ 发生突变。除了追踪相边界的位置以外，相场函数没有任何物理意义。 在分散型多相流模型中，函数 Φ 描述了气相（分散相）和液相（连续相）的局部平均体积分数。通过平均体积分数可以在该区域的任一点顺利找到介于 0 和 1 之间的值，这预示着在其他均质域中是否存在少量还是大量气泡。也就是说，在分散型多相流模型中，可以在同一时间和空间点上定义气相和液相；而在分离多相流模型中，在给定的时间和空间点上，只能定义气相或液相。 分离型多相流模型 对于分离型多相流的模拟，COMSOL Multiphysics® 软件提供了 3 种不同的界面追踪方法： 水平集法 相场法 动网格法 水平集和相场都是基于场的方法，其中相界面代表水平集或相场函数的等值面。动网格法与上述两种方法完全不同，它将相界面模拟为分隔两个域的几何表面，其中每个域对应不同的相。 基于场的问题通常是在固定的网格上求解，而使用移动的网格可以解决动网格问题。 下图的动画显示了一个 T 型微通道中生产乳液的模拟结果，该模型使用相场法求解。在动画中，我们可以看到相边界与网格的平面和边缘不一致，相边界由相场函数的等值面表示。 在相场法和水平集法中，有限元网格不必与两个相的边界一致。 与之相反，下图显示了含动网格的上升气泡的验证模型。网格与相边界的形状保持一致，并且网格边缘与相边界重合。但是，动网格模型也有缺点，即气泡的变形使两个次级气泡从母气泡分离。此时，必须将原始相边界划分为几个边界。该方法太复杂，并且尚未在 COMSOL® 软件中实现。因此，COMSOL® 软件中的动网格法无法处理拓扑变化。而相场法不存在这个缺点，它可以处理相边界形状的任何变化。 上升气泡的验证。当两个次级气泡脱离母气泡时，发生了拓扑变化。 什么时候使用相场法和动网格法？ 对于给定的网格，动网格法具有更高的精度。基于这一优势，我们可以直接在相边界上施加力和通量。为了解析该表面的等值面，基于相场的方法需要围绕相边界表面建立密集网格。由于很难定义一个精确贴合等值面的自适应网格，通常必须在等值面周围建立大量密集网格。在具有相同精度的情况下，相较于动网格，这样做会降低基于场的方法的表现。那么，什么时候使用这些不同的方法呢？ 对于不希望发生拓扑变化的微流体系统，通常首选动网格法； 如果需要拓扑变化，则必须使用相场法： 当表面张力的影响较大时，首选相场法 如果可以忽略表面张力，首选水平集法 分离型多相流模型和湍流模型 在湍流模型中，由于仅解析平均速度和压力，流体的细节会丢失。从这一点来看，表面张力效应在流体的宏观描述中也变得不那么重要。由于湍流表面的流动也比较剧烈，几乎不可能避免拓扑变化。所以对于湍流模型和分离型多相流模型的组合，最好使用水平集法。水平集法和相场法都可以与 COMSOL Multiphysics 中的所有湍流模型结合使用，如下图和动画所示。 在COMSOL Multiphysics中，所有湍流模型都可以与相场法和水平集法相结合来模拟两相流。 将水平集法与 k-e 湍流模型相结合来模拟反应堆中水和空气的两相流。 分散型多相流模型 在相边界过于复杂而无法解析的情况下，必须使用分散型多相流模型。 CFD 模块提供了 4 种（在原理上）不同的模型： 气泡流模型 适合高密度相中包含较小体积分数低密度相的情况 混合模型 适合连续相中包含较小体积分数的分散相（或几个分散相），其密度与一个或多个分散相相近的情况 欧拉–欧拉模型 适用于任何类型的多相流的情况 可以处理任何类型的多相流，且气体中有密集颗粒，例如流化床 欧拉–拉格朗日模型 适合包含相对较少（成千上万，而不是数十亿）的气泡、液滴或悬浮颗粒流体 适合气泡、颗粒、液滴或使用方程模拟的颗粒，该方程假定流体中每个颗粒的力平衡 什么时候使用不同的分散型多相流模型？ […]
多孔介质中的热平衡与热非平衡传热
多孔材料的应用越来越广泛，因为它适用性强、成本低，具有特殊的热特性。例如，由于具有优异的力学和热性能，泡沫材料在不同航空应用中的使用日益增加。电动汽车的电池中也包含多孔结构。
模拟多孔介质中的达西流和非达西流
了解多孔介质中流动建模背后的理论，包括Kozeny–Carman、Forchheimer、Ergun、Burke–Plummer和Navier–Stokes方程。
如何使用 PID 控制器插件模拟控制系统
PID 控制器可用于多种行业。这篇博客文章演示了如何在两个仿真示例中轻松合并 PID 控制器插件。
通过流体动力学研究摊煎饼的最佳方法
对于物理学家来说，随时都可能迸发出更好的设计和技术灵感。对于一个饥饿的物理学家来说，灵感尤其会在用餐时迸发出来。
在 COMSOL® 中构建磁流体动力学多物理场模型
COMSOL Multiphysics® 软件中的模型可以从零开始构建，软件支持模拟多物理场，您可以按照自己的意愿轻松地将代表不同物理场现象的模型进行耦合。有时这可以通过使用软件的内置功能来实现，但有些情况下，需要做一些额外的工作。
在 COMSOL® 中模拟声-结构相互作用
声固耦合（ASI）问题要求对固体中的弹性波，流体中的压力波以及两者之间的相互作用进行建模。ASI 的使用包括有声音的产生，发散，传播或接收的设备，以及用于声音的分配、隔音或消除噪声的机械系统。
使用 COMSOL Multiphysics® 优化 PID 控制器性能
想象一下，你正在公路旅行，以每小时 60 英里的速度在公路上行驶。为了保持这个速度，你决定打开巡航控制。毕竟你正在度假——为什么不让汽车替你干活呢？无论你是上坡还是下坡，汽车都会对速度变化做出反应，自动加速或减速。
熵捕获中的 DNA 快速分离过程模拟
在调查犯罪时，法医专家有时会使用DNA证据来识别犯罪嫌疑人。然而，DNA不仅包含识别信息，还有我们基因构成的线索。DNA 分离可以用来深入研究 DNA 链，但是传统方法很耗时。
计算平板和波纹板的传热系数
在涉及共轭传热的许多工程应用中（例如,换热器和散热器设计），传热系数的计算很重要。我们经常通过相关性和经验关系来确定传热系数，以获得固体和流体之间的信息。
使用 COMSOL 模拟多体机构中的流-固耦合
要模拟高级FSI场景，如游泳机制或风力涡轮机叶片周围的气流，您可以使用流体-结构交互作用，配对多物理耦合。
使用 COMSOL® 软件预测和优化产品性能
在当今市场中，取得成功意味着既要开发出正常运行的可靠产品，又要在合适的时间推出。与许多其他公司一样，Veryst Engineering 发现仿真是一种有效的工具，可以在原型制作或制造之前研究产品内部，确保设计符合规范。
使用仿真 App 有效分析电荷交换单元设计
电荷交换单元可以改变离子束的电荷，使其可用于核聚变反应堆、粒子加速器和半导体制造设备。但是，由于许多因素（例如输入粒子束的能量、单元几何形状和中性粒子数密度）必须被测试，因为它们会影响设备性能。
仿真 App 助力 ABB 牵引电机公司实现数字化
下面是一个使用COMSOL Server™优化研发过程的真实例子:在ABB牵引电机公司，工程师们在电机设计中使用模拟应用程序来分析CFD和热量。
主题演讲视频：通过仿真优化电缆系统
电缆为高空飞机、地下矿井和海上风电场提供电力。根据使用情况，电缆的形状、尺寸和环境可能有很大不同——所有这些因素都会影响其性能。
主题演讲视频：EPFL 通过仿真拿下超级高铁大赛冠军
EPFLoop 团队凭借其设计的超级高铁舱站上了 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的领奖台，他们展示的方案让观众们大饱眼福。
模拟球形止回阀中的流-固耦合作用
在球型止回阀中模拟FSI，找出流量、流体压力和流体速度。COMSOL®软件包含一个预定义的多物理耦合，这使得它很简单。
通过 2 种网格自适应方法实现更高效的计算
网格自适应的目标是通过修改网格实现更高效地求解。通常，我们希望使用尽可能少的网格单元获得精确的解，在不太重要的区域使用较粗的网格，在感兴趣的区域使用较精细的网格。有时，我们甚至可能会考虑各向异性单元。从 5.4 版本开始， COMSOL Multiphysics® 软件包含了一些增强方法以调整网格。这篇博客，让我们来看看如何使用这些方法。 确定所需网格单元的大小 要对网格进行自适应操作，必须知道所需的网格单元大小。然而，找到合适的网格大小并不容易，事实上这需要进行大量的研究。对于稳态和特征值问题，我们可以使用COMSOL Multiphysics 中的 自适应和误差估计 功能基于内置的误差估计自动调整网格。 COMSOL 软件中的网格自适应方法并不局限于使用内置的误差估计，它还具有更高地灵活性。可以先在粗网格上求解一个较简单的问题，然后基于此解通过求解一个表达式来控制较难问题的单元大小。另外，还可以使用导入的插值函数或任何自定义表达式来控制单元大小。 本文不讨论这方面内容，而是假设已经隐式或显式地知道所需的单元大小是 x，y 和 z（三维空间）的函数。也就是说，网格单元的边长由该边中点坐标的函数表达式确定。当然，一般情况下不可能完全满足此要求，即使是一个三角形单元也需要满足三角形不等式。但是，请记住：大小表达式代表空间中每个点所需的单元边长。 根据大小表达式调整网格的 2 种方法 COMSOL Multiphysics 的 网格节点下有 2 种不同的方法可以构建适应大小表达式的网格。 第一种方法，我们可以在网格划分序列中使用大小表达式 属性来改变生成网格的大小。如果使用研究中的网格自适应功能，则相当于选择了 重新生成网格 选项，其中的自由网格生成器（自由三角形网格，自由四边形网格和自由四面体网格）会考虑网格大小。另一方面，例如 映射 、扫掠 和某种程度上的 边界层）会忽略大小表达式属性（根据定义，结构化网格不能遵循大小可变的字段）。简单来说，就是如果我们构建的是结构化网格，可能无法使用此方法。 另一种方法是使用 自适应 操作。此操作通过单元细化和粗化来修改现有网格。我们可以在具有任何单元类型的网格上以及在导入的网格上使用 自适应 操作。这是一种更强大的方法，并且可能更好地遵循指定的大小表达式。但是，结果通常不如从头开始生成的网格平滑。 下面，我们将详细讨论这 2 种方法，并看看二者产生的结果有何不同。 使用大小表达式属性 如前所述，使用大小表达式属性方法通常能获得高质量的网格。但是，如果这种方法产生的单元质量较差（在大小过渡较快时会出现这种情况），则可能无法达到所需的单元大小。有关网格质量的讨论，请阅读博客：如何检查 COMSOL Multiphysics® 中的网格质量。由于每次调整都是从头开始构建网格，因此对于复杂的几何结构而言，此过程可能非常耗时。 使用 大小表达式 属性对一个圆形几何的三角形网格应用大小表达式，得到高质量的网格单元和大小过渡平滑的网格。 如果已知大小表达式（例如，一个全局插值函数），在背景栅格上进行计算通常很方便（上图中的基于栅格计算）。需要确保栅格分辨率足够高，才能捕获大小表达式描述的所有特征。 当大小表达式取决于已知的空间变化量（例如材料），可以使用 初始表达式 计算选项。这样，就可以使用模型中的任何表达式。软件将在求解前计算表达式（与可用于研究步骤的 获取以下步骤的初始值 命令对比）。我们还可以指定某个研究步，因为一些表达式的值取决于研究。 最后，还可以基于现有解计算。内置的 误差 估计使用的是 误差指示器 表达式类型 ，但也可以使用任意的大小表达式，这取决于现有的解决方案。例如，有时可能想在应力较大的地方细化网格。 使用自适应操作 另一种方法是基于现有的网格进行修改来匹配所需的单元大小。这就是 自适应 操作的作用。它适用于所有单元类型，也可作用于导入的网格。它的许多选项和输入字段与 大小表达式 属性相同。 该操作有三种适应方法：最长边细化，常规细化 和 通用修改。前两种细化方法是基于单元边的二等分法操作。由于这些单元边太长，所有现有网格的顶点被保留，因此这些方法无法被粗化。 自 5.4 版本开始，COMSOL Multiphysics 软件内置了 通用修改 方法。顾名思义，就是以非常通用的方式修改网格： 单元可以被细化 […]
评估核废料的耐火外包装
限制系统的封装用于安全储存放射性废物。Sogin采用传热模型设计安全可靠的防火封装。
模拟含低渗透性晶体的多孔介质中的多相流
建立相输运模型有助于研究多孔介质中的多相流(如地下水通过土壤)。