流体 & 传热 博客文章
地热能：利用地热实现冬暖夏凉
利用地热调节室内温度具有成本低、可持续使用的特点。本文为地热能系列的第三篇博客文章，我们将详细探讨埋管集热器。由于对埋管集热器的热性能已做了准确预测，并且考虑了管道布置与局部热性质，因此“管道流模块”非常适合模拟这种集热器。
传热与地下多孔介质流的耦合仿真
本文是地热能系列博客的第二篇，将重点探讨传热与地下水流耦合的过程，并据此确定地下储藏的热量是否足够多，是否值得开采以获得地热能。文中，我们将通过一个地下水换热回灌系统示例模型演示这一耦合过程。
COMSOL Multiphysics 可以求解什么类型的流-固耦合（FSI ）问题?
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。 […]
在 COMSOL 中如何正确模拟流动
许多工程应用问题都涉及流体流动，除了代替风洞实验的经典 CFD 仿真，电子设备冷却或化工行业中由流体输送反应物引起的流动都必须考虑。
通过多孔弹性分析地基固结
您可以在构建结构之前进行多孔弹性分析，以帮助预测可能由多孔弹性变形引起的沉降。
使用 COMSOL 软件模拟地热过程
这是新的“地热能”系列博客文章的第一篇，我们将介绍模拟地热过程的基本概念以及大量相关的物理现象。我们还将向您展示一个地埋管换热器的示例模型。
模拟开尔文-亥姆霍兹不稳定性和气候动力学
加热的肥皂泡、波浪状的云和木星大红斑有什么共同之处？它们的形成被称为开尔文-亥姆霍兹不稳定性的不稳定运动。
COMSOL中定义材料各向异性的方法
考虑一种碳纤维增强的聚合物，其编织的纤维嵌入环氧树脂基体中。参照众所周知的直角坐标系，你如何表达各向异性的情况？