流体 & 传热 博客文章
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。
通过模拟玻璃化转变温度优化 3D 打印机
在 3D 打印机中，不良的冷却和固化速率会对制造的零部件造成负面影响。通过优化 3D 打印机的设计，我们可以提升打印产品的品质。一支研究小组利用仿真分析了 3D 打印机中聚合物的冷却过程和相应的玻璃化转变温度。让我们看看，他们是如何针对采用了熔融沉积成型法（FDM®）的 3D 打印机，模拟丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的挤出过程的。
通过仿真研究快速热退火工艺中的传感器性能
快速热退火（RTA）是生产半导体过程中的一个步骤。你可以通过仿真研究相关现象来优化RTA条件。
为什么冰足够滑，适合滑雪和滑冰?
“冰为什么是光滑的?”为这个问题找到一个科学的解释似乎很简单，但实际上，几个世纪以来，这一直是一个备受争议和令人困惑的主题。随着世界上大部分地区的人们开始为过冬做准备，我们来探索光滑的冰是如何让我们能够滑雪、滑冰，甚让我们在停车场摔倒背后的科学。
借助仿真设计高效的透皮给药贴片
透皮给药（transdermal drug delivery，简称 TDD）贴片的作用是在一段时间内将药物持续渗透到患者体内。然而，人体的皮肤是阻止外来物质（也包括药物在内）入侵的天然屏障。为了制造出可有效穿透皮肤的 TDD 贴片，研究人员利用仿真对药物的释放过程和皮肤的吸收过程进行了研究。Veryst 工程公司（Veryst Engineering）在 COMSOL Multiphysics® 软件中创建了 TDD 贴片模型，并将仿真结果与实验数据进行了比较。
为什么烈火阿拉斯加蛋糕内的冰淇淋不会融化？
烈火阿拉斯加（baked Alaska）是一款能让晚宴宾客啧啧称奇的甜品。制作这款经典的待客甜品时，首先将冰淇淋铺到海绵蛋糕上，然后在冰淇淋上盖满蛋白糖霜。为了使蛋白糖霜焦糖化，甜点要放入热烤箱烘烤，但内部的冰淇淋会令人惊奇地保持冻结状态。在本文中，我们将利用 COMSOL Multiphysics® 软件的传热仿真功能，探寻烈火阿拉斯加的奥秘。
使用多物理场建模分析真空干燥机的速度
在某些食品和制药行业中，经常使用不同类型的干燥机来干燥热敏性产品。真空干燥机提供了一个解决方案，从这些敏感物质中去除水和有机溶剂。为了获得最佳的真空干燥机设计性能，工程师需要权衡快速干燥时间和高质量产品的双重需求。为此，您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究真空干燥过程。 真空干燥机的优势和功能 从古至今，人们就一直将干燥作为保存食物的一种方法。随着时间的推移，干燥过程从露天干燥或日光干燥逐步扩展到其他干燥技术，例如太阳能干燥，冷冻干燥和真空干燥。从制药到塑料行业等，干燥也是许多应用领域的关键过程。 今天，我们将重点专注于真空干燥的化学过程，这在干燥热敏材料（例如食品和药品）时特别有用。真空干燥机在制药行业通常被称为真空烤箱，同时它还具有其他优点。因为真空干燥机需要在较低的温度下才能运行，所以其消耗的能量更少，从而降低了成本。同时，真空干燥器还能回收溶剂，避免氧化。 旋转真空干燥机。MatyldaSęk 提供自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 真空干燥机可去除湿粉中的水和有机溶剂。干燥机的工作原理是在真空中降低液体周围的压力，从而降低液体的沸点，并提高蒸发速率。结果，液体会以更快的速度干燥（此过程的另一个主要优点）。 为了使真空干燥有效，我们需要在不伤害产品的前提下减少干燥次数，这意味着我们需要严格控制操作条件。为了平衡这些目标并了解操作条件如何影响产品，可以使用 COMSOL Multiphysics 的多物理场建模功能。 利用多物理场模型分析真空干燥机的干燥速度 今天，我们将分析 Nutsche 过滤干燥机的真空干燥过程。该干燥机的工作原理是从容器的底部和侧壁加热湿的饼，并降低饼顶部的气相压力。该示例基于 Murru 等人发表的论文。（模型文档中的参考文献1）。 首先，让我们近距离查看该模型。该真空干燥机由一个包含湿饼的圆柱滚筒组成，该圆柱滚筒包含三相：固体粉末颗粒、液体溶剂和气体。饼的材料属性需要包括所有三个阶段的属性，这取决于饼中每个阶段的比例变化。每个阶段的部分是由体积分数决定的，这是我们建模的变量之一。 在二维轴对称组件中，将饼建模为半径 40 cm，高 10 cm 的矩形几何形状。在顶部，我们的模型暴露在一个低压顶部空间中。同时，在过滤干燥器的侧面和底部边界处使用热通量边界条件考虑 60°C 的加热流体。 轴对称 Nutsche 过滤干燥机中的真空干燥过程。 接下来，我们的教程结合了蒸发和传热建模，以研究滤饼的液相分布和温度。利用 系数型 PDE 接口计算滤饼的溶剂体积分数，并使用 “ 固体传热” 接口模拟传热。为了解决多孔介质中的水分传输问题，我们在传热模块中使用了预定义的多物理场接口。我们还同时使用热沉和质量沉两项考虑溶剂蒸发，并将溶剂输运作为扩散过程进行近似估算。 我们对模型做出以下假设： 当液相值达到零时，蒸发停止，表明液体已完全蒸发。 当局部蒸气压小于顶空水蒸气压时，蒸发停止，表明蒸发没有驱动力。 当液相的体积分数降至临界值以下时，溶剂中的扩散停止。 在这些情况下，我们可以使用阶跃函数将蒸发速率和扩散系数平滑地降低到零。 我们的烘干机运行速度有多快？ 我们可以看到我们的仿真结果和预期结果基本一致。让我们从30个小时后的滤饼开始分析。如下图所示，滤饼的温度在侧边界和底边界都接近加热流体的温度（60°C）。液相的体积分数在这些受热边界附近最低，而在滤饼的中心最高。此外，表观的水分扩散率在滤饼中心是最高的，在液相蒸发的地方几乎为零。考虑到我们模型的假设，这些结果都是在预期中的。 30小时后，滤饼的温度（左），液相的体积分数（中）和表观水分扩散率（右）。 换种方式，让我们扩展时间范围，看看 10、20 和 30 小时后的蒸发速率。这项研究也得到了预期的结果，它显示出蒸发从加热壁开始，并且当这些边界处的溶剂量减少时，蒸发就减少。在此过程中，蒸发前沿移向滤饼的中心。 10（左），20（中）和30（右）小时后的蒸发速率。 通过仿真得到的定量结果与先前的研究结果非常吻合，这验证了它们的有效性。因此，我们可以使用此模型来准确预测产品随时间的干燥程度。利用此信息，我们可以最大程度地减少产品暴露在高温下的时间。此外，如果要减少热敏产品的干燥时间，我们可以更改干燥机的尺寸。通过多物理场仿真，我们可以设计出效率更高的真空干燥机，以用于各种行业。 联系 COMSOL 进行软件评估 探索更多食品和制药行业的建模应用 自己尝试：下载此博客文章中介绍的真空干燥教程 查看以下相关博客文章： 通过仿真优化生物制药工艺 借助仿真 App 探索生物传感器设计中的生物学 利用仿真 App 优化食品加工工艺中的感应加热技术 优化椰枣热加工过程中的水化操作