计算流体力学 (CFD) 博客文章
在 COMSOL Multiphysics® 中模拟自然对流和强制对流
无论何时，当一个加热或冷却的零件暴露在空气中，热量就会通过对流在零件和空气之间相互传递。这种空气流动可以是由空气温度变化引起的自然浮力变化形成自然对流，也可以是由风扇形成的强制对流。
太阳能级硅微波熔炉生产工艺的仿真与优化
对于要被视为“太阳能等级”的硅，它必须具有 99.9999％ 的纯度。 因此，需要对用于生产太阳能级硅的微波炉进行优化来提高效率。
创建可精确分析血管支架周围血流的模型
本文展示了一个涉及 CFD 仿真的生物医学案例。为了优化动脉支架周围的血液流动，您需要借助描述血流的非牛顿特性的流体模型。
通过模拟探索绿化对城市空气污染的影响
在许多人口密集的城市，空气污染逐渐成为严重影响人们健康的问题。如何减轻空气污染成为人们需要考虑的问题。其中一种方法是种植绿色植物。在使用此方法之前，必须制定有效的改善空气质量的策略，并确定最佳的实施方案。为此，研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件创建了一个模型，以了解不同类型的绿色植物如何减轻城市的空气污染。 播种植物种子以改善城市峡谷的空气质量 你是否曾经走在城市街道上，感觉自已被周围的高楼大厦环绕，显得自己很渺小, 就好像走在一个人工建造的峡谷上一样。这种类型的环境有个名字：城市（或街道）峡谷。当街道两旁都被高高的建筑物包围时，就会形成一个类似于峡谷的环境，即城市峡谷。 城市峡谷的入口。图片由 Kanwar Sandhu 提供自己的作品。通过 Flickr Creative Commons 在 CC BY-SA 2.0 下获得许可。 在人口密集地区的城市峡谷中，空气污染是一个大问题。根据 世界卫生组织（WHO）的数据，在监测空气污染城市地区生活的人们，有80％以上地区的空气质量水平超过了 WHO 的限制。如此糟糕的空气质量可能导致城市居民面临各种健康问题。为了解决这个问题，需要制定以减少空气污染和恢复空气质量为重点的城市规划和设计策略。其中一种可能的方法是在城市峡谷中增加植被和绿化。 沿城市街道的树木。图片由 La Citta Vita 提供自己的作品。通过 Flickr Creative Commons 在 CC BY-SA 2.0下获得许可。 植被可以吸收和保留细微的尘埃颗粒和气体污染物，影响污染物的沉积和扩散，从而改善空气质量。在城市峡谷中增加绿化还有其他好处，比如改善建筑能效，减少城市的热岛效应以及管理雨水径流等。此外，绿色植被在美学上也可以让人感觉心情愉悦。 虽然最新的研究已经确定了通过种植绿色植被来改善空气质量，但在实施之前，还需要更多了解一些有效性和用途的信息。例如，植被的大小，形状和单个植物的特征（如叶片大小和孔隙率）都会影响其有效性。 基于此需求，热那亚大学（ Genova University ）和博洛尼亚大学（ Bologna University）的研究人员进行了一项模拟研究，以了解绿色植物如何减少城市峡谷的空气污染。同时，他们还比较了不同类型的绿化和风速对城市空气质量的影响。下面，让我们来看看他们的工作成果。 模拟研究绿色植物对城市空气污染的影响 研究小组利用 COMSOL Multiphysics® 软件的CFD模块，模拟了一条 20米宽，100 米长的直路，其两侧被连续的建筑物包围，如下图所示。这些建筑物的高度均为 20 米，在下图以浅灰色显示。在他们的分析中，由于对称性，该团队只需要考虑几何模型的一半。 空气从入口（标记为1）流入模型，并沿道路的主轴线移动，然后从出口（标记为2）流出。为了帮助减少因绿色植物造成的污染，我们假设进入的空气是无污染的。 城市峡谷模型的几何形状。图片由 S.Lazzari，K.Perini，E.Rossi di Schio 和 E.Roccotiello 拍摄，摘自其 COMSOL用户年会2016慕尼黑论文。 为了进一步简化其模型，研究人员没有考虑汽车在城市峡谷内流动所造成的破坏。然而，这并不意味着汽车被完全忽略掉了。由于乘用车是道路污染的主要来源，该团队把这方面的研究重点集中于一种主要的汽车污染物：二氧化碳（CO 2）。该污染物在体积 V c（图上用红色表示）内均匀生成，并通过对流和扩散进行传输。该体积位于道路中间，宽度为5 米，高度为0.5 米。 绿色植物被模拟为被空气饱和并能够吸收污染物（稀物质）的达西多孔介质。通过改变孔隙率和渗透率以及还原反应的值，该团队可以根据所需的植物种类调整模型。这种灵活性使他们能够很容易地研究不同的植物种类和绿化形状。例如，在这项研究中，他们分析了两种不同的绿化形状： 厚度为 0.3 米的连续绿色立面 高 1.5 米、宽 1 米的连续树篱 除了这两个几何形状外，还使用了第三个几何图形 ——“透明”峡谷（有污染但没有植物）来进行比较。 显示连续绿色立面（左）和树篱（右）的几何形状截面图。S. Lazzari，K。Perini，E。Rossi di Schio和 E. Roccotiello 的图像，摘自其 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑论文。 分析绿化形状和入口处风速对空气污染物浓度的影响 利用该模型，研究小组比较了入口速度分别为 0.5 […]
利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
为了研究能够使房屋在炎热天气保持凉爽的新型屋面瓦设计，意大利Life HEROTILE Project 项目使用了多物理场仿真。
利用仿真技术阻止微流控装置中的气泡夹带现象
微流控设备会受到气泡的破坏。事实上，如果气泡夹带在微流控设备中，可能会导致设备发生故障。Veryst 工程公司创建了一个 CFD 模型来研究这个过程。
油脂浸洗鸡尾酒工艺在工业上的应用
近十年以来，油脂浸洗鸡尾酒逐渐成为一种流行风潮。调酒师使用这项技术可以制作各种各样的鸡尾酒饮料，例如 Benton 老式培根波旁威士忌（Benton’s Old-Fashioned, a bacon-infused bourbon cocktail）和温和山核桃黄油波旁威士忌
使用基准模型验证膨胀波结果的准确性
当超音速流围绕凸角转动时，会产生膨胀风扇。 您可以使用经过验证的基准在 COMSOL Multiphysics® 中分析这种现象。
设计可实现材料精确沉积的喷墨打印头
不管是 2D 或 3D 喷墨打印机，喷嘴设计都是保证装置实现精确材料沉积的重要前提，具有重要意义。
CFD 仿真中如何设定流体压力
众所周知，在 CFD 仿真中常涉及两种压力：绝对压力和相对压力。通过实验测量流体中压力的方法有许多种。在建立 CFD 模型时，正确地设定压力对定义边界条件和定义材料特性非常重要。 今天，我们将解释相对压力和绝对压力之间的区别，讨论 COMSOL Multiphysics® 软件为什么使用相对压力求解 CFD 问题，以及在模拟中什么时候使用不同定义的压力。 绝对压力和相对压力有什么区别？ 在流体力学中，压力是指流体中单位面积表面上所承受的力。使用 COMSOL Multiphysics，我们可以通过求解流体流动的控制方程，纳维-斯托克斯方程，从而确定描述流动的速度和压力场。 CFD 问题中涉及的压力，通常主要有两种：绝对压力和相对压力。 绝对压力 绝对压力是指以绝对真空为基准直接测量的压力，即流体的真实压力。例如，如果我们使用气压计测量某一日的室外压力，会看到气压计的绝对读数大约为 1 个大气压或 101.325kPa，该值与海平面上的大气压相等。绝对压力为零代表真空。 使用气压计测量从 950mbar 到 1050mbar 的室外压力（1 mbar = 100 Pa）。图片来自 Langspeed，通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。 相对压力 相对压力是指相对于参考压力的流体压力。表压力是相对于环境压力测得的压力，即以环境压力为参考的相对压力。通常，相对压力用于表征封闭系统中的压力水平。我们可以使用压力表测量相对压力，以将内部压力与周围压力相关联。 压力表，在压力控制站测量相对压力。注意刻度盘如何从零开始，零刻度代表系统压力等于参考压力水平。图片由 Holmium 提供-自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。 绝对压力和相对压力的关系可表示如下： PA=p+pref 如果使用真空作为参考压力，则绝对压力和相对压力相等。大多数情况下，参考压力设置为大气压，通常是环境压力。 接下来，我们来看一下如何在 COMSOL Multiphysics 中描述这些压力定义。当我们计算一个流体流动问题的解时，COMSOL® 软件首先会求解速度分量（u，v，w）和相对压力（p）。在后文中，我们将解释，通过使用相对压力（而不是绝对压力）作为因变量，可以在建模中提高压力描述的准确性。然后，我们可以使用相对压力值作为模型的初始值和边界条件，下面，我们将举例说明。 在 COMSOL Multiphysics® 中表征流体压力 我们来看一个如何在 COMSOL Multiphysics 模型中恰当地将相对压力和绝对压力作为变量的示例。为了演示这些概念，我们使用一个简单的模型来说明。在模型中，空气以 1m/s 的入口速度流入通道并流出到绝对压力为 1 个大气压的环境中。除了我们假设两个对称的短入口段外，模型顶部和底部的边界均为无滑移通道壁。设置入口段是为了避免不一致的边界条件。（如果我们在防滑边界附近定义一个笔直的入口速度曲线，就会出现不一致的边界条件。） 有空气流通的通道示意图。 在此模型中，相对压力的变量名称为 p，绝对压力的变量名称为 spf.pA。在层流 接口的设置中，我们看到要求解的因变量是速度分量（u，v，w）和相对压力（p）。 因变量设置窗口。 在下图中，我们可以看到，参考压力水平默认设置为 1[atm]。该参考压力水平用于计算绝对压力：spf.pA = p + spf.pref。 我们还将可压缩性设置为弱可压缩流，这意味着空气的密度取决于温度和参考压力。要了解不同可压缩性设置的更多信息，请参阅上一篇博客文章。 可压缩性和参考压力设置。 现在，我们可以指定边界条件。在入口处，将法向速度设置为 1m/s。对于初始条件和出口边界条件，由于使用默认设置，因此需要输入相对压力。即，使用一个参考压力。当加上出口条件时，我们看到相对压力的默认值为 p=0，相当于绝对压力等于默认的参考压力为 […]
COMSOL Multiphysics® 自然对流仿真简介
自然对流现象存在于电子设备冷却、室内气候系统和环境运输等众多科学与工程应用中。在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中，CFD 和传热模块新增的一些功能使建立自然对流模型及其求解变得更加简单。在这篇博客,我们将概述自然对流现象和相关的新功能，并讨论在模拟自然对流时可能遇到的一些问题。
借助 COMSOL Multiphysics® 分析搅拌器的设计元素
搅拌器因用途广泛而成为了许多现代工业领域中不可或缺的装置。如果您正在思考如何提高搅拌器设计流程的效率，那么一个能够混合搭配不同搅拌器元素的仿真工具定能助您一臂之力。借助 COMSOL Multiphysics®，您可以创建符合自身需求的搅拌器几何模型。今天，我们将讨论平底搅拌器的层流混合建模问题，以及如何使用 k-ε 和 k-ω 湍流模型来处理碟形底搅拌器中的两个湍流混合问题。
更具灵活性的全新反应流多物理场接口
在最近几个版本的 COMSOL Multiphysics® 中，我们陆续添加了多个新的多物理场接口，将基本的物理场接口分解成单独的接口，并在模型树的“多物理场”节点中预定义了多物理场之间的耦合。这一更新完美地结合了基本物理场接口的灵活性与预定义多物理场耦合友好的用户体验。最新的 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本也不例外，为我们呈现了全新的反应流 多物理场接口。
借助仿真保证冷藏车的制冷效率
为了避免运送物品变质，冷藏车必须保持低温。因此优化车辆的隔热材料和制冷系统是设计中的一项重要流程。为了确保制冷设备在开-关门的过程中的运行效率，法国液化空气集团（Air Liquide）联手 COMSOL 认证咨询机构 SIMTEC，使用 COMSOL Multiphysics® 软件执行了传热与 CFD 耦合仿真。
流场仿真问题中的可压缩性选项和浮力
针对流体流动和温度场的数值分析可为很多工程应用提供有价值的参考。在执行此类仿真时，效率是一个重要的考虑因素。在本文中，我们将讨论 COMSOL Multiphysics® 仿真软件中多种形式的流体流动方程，以及这些方程中每个选项的最佳使用方式。同时还将着重探讨不同的选择对传热分析产生的影响。此外，我们还会介绍如何基于这些公式来创建自然对流和强制对流仿真。
优化椰枣热加工过程中的水化操作
和许多其他农作物一样，椰枣的品质相当受农艺措施的影响。在阿拉伯的突尼斯，农艺措施减少了这些可食用软果的天然水分含量。热加工是改善椰枣品质的方法之一，其关键的操作流程是水化。结合试验研究和模拟分析的优势，科研团队力争优化水化过程，提高工艺效率和可靠性。
借助仿真 App 评估静态混合器的性能
静态混合器因其高效、成本低廉、易于安装且维护要求低等优点，成为各类工程领域的常用工具。在评估混合器能否满足某种使用目的时，一个重要的判断指标是得到的混合物是否足够均匀。在本篇博客文章中，我们将介绍如何借助“粒子追踪模块”，开发一款能定量和定性分析静态混合器性能的 App。
使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序（CDRA）系统
在太空中航行的载人飞船需要高效可靠的生命支持系统，如二氧化碳去除程序（carbon dioxide removal assemblies，简称 CDRA）。糟糕的设计会缩短飞船行程并导致潜在的危险。然而，由于 CDRA 系统的复杂特性，对其进行仿真非常耗时和困难。为了应对这一挑战，美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration ，简称 NASA）马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）的一支研发团队，在 COMSOL Multiphysics® 软件中开发了一个一维的模型，用来对 CDRA 系统中的四床分子筛（4-bed molecular sieve，简称 4BMS）进行有效的分析。
通过仿真研究歧管式微通道热沉
当电子设备过热时，就存在引起火灾的风险。尽管有热沉这类冷却元件专门用来防止这种意外发生，但也无法及时跟上一日千里的技术发展。而通过仿真，可以阐明各种热沉设计的卓越传热性能，以及如何通过添加歧管式微通道 (MMC) 等元件来提高性能，从而为上述问题提供解决方案。今天，我们将利用仿真来探索 MMC 热沉的工作方式。
使用黏度递变方法提高 CFD 模型的收敛性
你是否正在通过 CFD 仿真分析求解湍流问题？那么，你可能会对这种情况很熟悉：得到数值解相当困难，因为这需要大量计算时间。这些困难是由湍流模型方程中的非线性引起的。黏度递变方法可以通过求解黏度较高的问题，并将其解作为黏度较低的问题的初始条件，帮助减少计算时间。这篇博客将向你展示如何在 COMSOL Multiphysics 中实现这种方法。
黑啤酒杯中的泡沫会上升，还是下降？
你有没有注意过某些烈性啤酒的气泡是如何沉到杯子的底部，而不是上升到顶部的?我们用流体流动仿真来解释这一现象。
计算搅拌器和旋转机械中的自由液面
搅拌器或搅拌反应器中的叶轮平稳搅动时，液体表面会产生波动。如果此波动的高度远小于容器中流体的高度，那么可以在一个专门的求解步骤中根据速度场显式地计算出自由液面的形状和高度。最新版 COMSOL Multiphysics 的“搅拌器模块”中包含了一个“稳态自由表面”特征，专门用于这类计算量不大的运算。
借助仿真研究鱼类的游动形态
通过研究鱼类的运动，研究人员设计出了各种能在水下环境灵活操控的器械和机器人。开展这类研究时，往往需要对鱼和周围环境进行一个流固耦合（FSI）分析。罗马第三大学的研究人员使用 COMSOL Multiphysics 模拟了鱼类的摆尾式游动法，精确计算了其中的动力学。
利用全新的相场接口模拟三相流
在 COMSOL Multiphysics 5.2 版本中，对“CFD模块”和“微流体模块”各添加了一个全新的流体流动接口，实现分离三相流的建模。这个流体流动接口中模型可以考虑每两种流体之间的表面张力、与壁的接触角，以及每种流体的密度与黏度等因素。相场法可计算三相流之间的界面形状，以及考虑其与壁之间的相互作用。