流体 & 传热 博客文章
如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟热粘性声学
当模拟声学现象、尤其是对几何尺寸非常小的声学装置而言，需要考虑许多复杂因素。热粘性声学 接口为声学模型的建立，及对声压、速度场、温度变化等因素的求解提供了一个简便、精确的方法。在本文中，我们将介绍如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟热粘性声学问题，同时还为您提供了一些操作技巧和有用的资源。
使用组件耦合功能模拟温度控制器
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。
使用 COMSOL 模拟窗户的隔热性能
设计师在设计建筑物时，常常会考虑：怎样才能让建筑物内部保持舒适的温度，使人感到冬暖夏凉呢？这可以通过对建筑物的窗户结构进行精心设计来实现。
共轭传热
我们将在本篇博客中解释共轭传热这一概念，并会展示相关应用。共轭传热综合了固体传热和流体传热。固体传热以传导为主；流体传热则以对流为主。我们在很多情况下都能观察到共轭传热。如设计散热器时，就可以结合散热器中的传导和周围流体中的对流来进行优化。
发射率具有波长依赖性的表面辐射传热建模
当求解一些辐射不可忽略的传热问题时，我们需要知道所有表面的发射率。发射率 是衡量表面通过辐射发射能量的能力指标，很大程度上取决于辐射的波长。当求解一些温度变化很大或暴露于高温辐射源（如太阳）的传热问题时，与表面发射率的相关性非常大。
借助传递与固体力学耦合模型做出更美味的爆米花
在 COMSOL 工作期间，传热所能涉及的领域广度一直是我的兴趣所在。研究人员常常使用 COMSOL Multiphysics 进行食品制造中的传热研究，远非局限于钢锭和 CPU 风扇方面的研究。对爆米花生产过程中热力学效应的研究便是一个很好的例子，这个案例曾在 COMSOL 用户年会 2013 波士顿站上做过演示。
模拟电渗流和双电层
微流控设备非常小，因此控制和混合设备内液体的微泵和微混合器不能包含任何移动部件。作为替代，它们必须利用电渗流工作。这篇博客，我将介绍电渗流和双电层的概念，以及如何在 COMSOL 中建立这些模型，并演示 2 个实例模型。 微流控设备需要无移动部件的泵和混合器 近年来，微流控片上实验室系统在将传统的实验室规模的化学和生物分析的尺寸缩小到毫米到几厘米大小的片上形式上发挥了重要作用。这些设备通常被称为微型全分析系统（μTAS），并在医疗诊断、药物测试和输送、法医分析、DNA 分析，甚至免疫分析和毒性监测等方面都有着深度应用。由于尺寸极小，这些设备具有如即时检测（POCT）和诊断等众多优势。微流控设备需要的液体体积更小，适用于没有大量样品或试剂昂贵的应用。这些设备还可以一次处理多个样本（称为并行处理），并且对功率的要求低。 在典型的片上实验室系统中，片上混合和流体控制非常重要，通常这些系统需要使用微泵来控制通道内的流体流动，以及微混合器来加速混合过程。这些芯片中的流体通道的尺寸通常在 1µm 到 500µm 之间变化。在这种长度尺度上，使用任何移动部件来建造泵和混合器都是不实际的。没有移动部件的设备也更加可靠。那么，如何在没有任何移动部件的情况下激活流动？答案是：电渗。 什么是“电渗”？ 在微流控领域，流动通常由电场驱动。顾名思义，电渗 指由外加电势引起的液体在微通道上的运动。用电场驱动流动，可以制造出没有移动部件的 泵和混合器。 是什么在驱动电渗流动？ 为了更好地理解电场是如何驱动流动的，我们首先要了解在微通道内非常靠近壁的地方，即流-固界面处发生了什么。大多数的片上实验室设备是由硅玻璃制成的。当与流体（可以是水或任何缓冲溶液）接触时，玻璃表面参与酸碱反应和离子交换——我们把这个复杂的过程称为表面化学。由于表面化学作用，玻璃表面获得负密度电荷。为了对这种表面化学进行连续描述，引入了双电层的概念。双电层反映了流-固界面处的不均匀的电荷（离子）分布，且在物体表面分为两层： 第一层，被称为表面电荷层，是由于化学反应而被表面吸收的离子（在这种情况下是负电荷）组成的。 第二层，被称为扩散层，由受电吸引力和热运动的影响而被吸引到表面的自由离子组成。第二层电荷屏蔽了表面电荷，其净电荷与表面电荷相等，但极性相反。 双电层。 上图总结了双电层 的结构，显示了离子的分布是到玻璃壁面距离的函数，以及双电层中的电位（上面的蓝线）与电中性体中的一个点的关系。如果我们仔细观察扩散层，可以注意到它可以进一步被分成由滑动平面隔开的两部分。这个平面将左边的不动的流体（附着在表面上）与在切向应力影响下自由运动的流体分开。然后，由于库仑力的作用，可以使用电场来诱导双电层中净电荷的运动。离壁更远的地方是第三层，即电中性体。 由于在微流体通道中很难在不破坏流动的情况下进行任何形式的测量，所以通常从计算的角度对这些芯片进行分析。那么，如何使用仿真软件对其进行建模呢？ 双电层模拟 这个问题包含三个物理场： 静电 物理场包含方程、边界条件和空间电荷，用于求解电势问题。电场是由电势场(E=-\nabla V)的梯度恢复的。空间电荷是由阴阳离子的贡献加起来得到的。这些离子的浓度是通过稀物质传递 接口计算出来的。 稀物质传递 接口求解了混合物中稀释物质的质量输送问题，求解了物质浓度问题。化学物质是通过扩散（菲克定律）、迁移（当与电场耦合时。在这种情况下，电场由静电 接口计算）和对流（当与流体流动耦合时。在这里，流体流动是由层流接口 计算的）模拟的。 层流接口有方程、边界条件和体积力，使用的是纳维-斯托克斯方程边界条件模拟自由运动的流体，求解速度场和压力问题。体积力 \rho{e} E，其中 \rho{e} 是电荷密度，由静电 接口计算。 双电层的厚度一般在几纳米左右，离子浓度在壁附近呈指数级变化。由于双电层的厚度非常小，在这个区域使用近似值可能是有利的。COMSOL 包含一个电渗速度边界条件，它忽略了壁面和滑动平面之间的流场，并根据 Zeta 电位用 Helmholtz-Smoluchowski 关系分析计算壁面的速度： \textbf{u}=\frac{\epsilon{W}\zeta{0}}{\eta}\nabla_{T}V 由此创建的模型的计算要求将大大降低。对许多实际工程应用来说，这是一种非常有用的方法。 因此，我们建议您在使用 COMSOL Multiphysics 建立模型之前，首先计算德拜长度，即双电层的长度。如果这个长度比要模拟的几何长度尺度小得多，就使用电渗速度边界条件。如果不是，则使用传统的无滑移速度壁边界条件，并求解双电层中的流动问题。请记住，浓度随双电层的电位呈指数变化；如果不使用电渗速度边界条件，就必须使用细的边界层网格来求解双电层的突然变化。 在下一节中，我将向大家展示两个适用于此方法的例子。第一个例子是一个微型泵，它在整个几何中被解析，包括双电层。第二个例子，是一个使用电渗速度边界条件的微混合器。 应用实例 示例1：微泵 在这个例子中，微通道（长 60nm，高 10nm）的上下壁均带负电(-0.02 C/m^{2})，在入口（左边界，6mV）和出口（右边界，0V）使用电极驱动流动。由此产生的电势、空间电荷分布和速度场如下图所示： 用静电物理场接口计算的可视化电势图。 净空间电荷的绘图，即阴离子和阳离子的贡献之和。带正电的净电荷屏蔽了带负电的壁。 速度绘图显示了在库仑力的作用下，双电层中净电荷的运动。 为了介绍下一个例子，即微混合器，让我们先看看当上部和下部玻璃壁的部分（在下一幅图中以蓝色显示）带正电 (0.06 C/m^{2}) 而不是负电时会发生什么： 电势、空间电荷和速度场的模拟结果如下所示： 虽然空间电荷在带负电的壁周围带正电，但在带正电的壁面周围是负的。空间电荷的反转导致壁附近的电渗速度相反。这种相反的近壁速度导致在通道中引入漩涡（如流线图所示），这可以用来混合不同的化学物质。 例2：微混合器 在微观层面上，流动通常是高度有序的层流，湍流的缺乏使得扩散成为混合的主要机制。虽然小分子（以及快速扩散的物质）的扩散混合可以在几十微米的距离内发生，但较大的分子，如肽、蛋白质和高分子量的核酸的混合可能在可比的距离内需要几分钟到几小时的平衡时间。对于许多化学分析来说，这种延迟是不切实际的。这些问题导致对微流控系统的更有效的混合器的强烈需求。在下面的例子中，壁是带负电的，就像我们刚看过的微泵例子一样，在入口（左边边界）和出口（右边边界）使用电极来驱动流动。为了引入一些混合，四个额外的电极被放置在混合室的壁上。这四个电极在壁上引起波动的电渗速度： 说明混合器如何运行的示意图。在入口处使用了两种不同浓度的流体来研究混合过程。 当不施加电场时，流动为层流，扩散系数非常小，所以两种流体在出口处分离良好。 当施加交变电场时，由于流动中的交变漩涡，混合大大增加。 结束语以及后续操作 这篇博客简要介绍了电渗流和双电层的概念，并演示了如何在 COMSOL 中对这类问题进行建模。如果你想了解更多关于电渗微混合器模型的信息，可以从 COMSOL 案例库中下载该模型和模型文档。您可以在此处了解 […]
为什么微波炉加热食物不均匀？
我们可能都经历过这样的场景：下班回到家，把昨晚的剩菜放在微波炉里，坐下来准备吃一顿简餐，结果却发现吃到的食物一口滚烫，一口冰冷。这样的经历不止一次促使我思考:为什么微波炉对食物的加热会这么不均匀？ 微波加热的物理原理 微波 是一种高频电磁波。微波炉中用来加热食物的微波波长约为 12.23cm，频率为 2.45GHz。电磁波产生振荡的磁场和电场，激发磁场中的分子，从而产生热量。 有多种不同的因素会导致令人不快的微波加热体验。首先，一顿饭中的不同成分通常具有不同的能量吸收率。非常明显的一个例子是在重新加热一个包子时——包子馅吸收热量的速度比包子皮快得多，使得包子馅是热的，而外面的包子皮冰冷。这是因为含水量较高的食物吸收微波能量的效率较高，而含水量较低的食物吸收热量较慢，导致加热不均匀。这是由于水分子中存在偶极子，使得分子的正负两端在振荡电磁场中来回转换。正因为如此，我们还会注意到液态水比冰加热的速度更快，因为液态分子比冰中的分子移动更自由，产生更多的碰撞，从而产生更多的热量。 微波炉加热不均匀的另一个原因来自烤箱内部复杂的振荡模式。下面，我们使用 COMSOL 仿真来仔细研究微波加热食物背后的物理原理，从中我们可以了解加热过程中发生的电磁场和热传递。 微波加热模拟 首先，我们可以设置微波炉的几何结构。在我们的模拟中，微波炉被设置为一个连接到 500W、2.45GHz 微波源的铜盒， 然后，通过位于 烤箱右上角的波导 将微波引向烤箱的中心。底部装有放置食物的玻璃板。为了使我们的分析简单，我们可以看一下加热是如何在均匀食物（例如土豆）中发生的。微波炉、波导、玻璃板和土豆的几何结构如下所示。由于模型存在镜像对称性，因此我们只需要建模一半的几何图形。 微波炉、波导、玻璃板和土豆的几何形状。由于镜像对称，几何图形被缩小。 在模拟中，从土豆的底部切下一块，以使放在盘子上的土豆保持稳定性。这种切割也有助于建立有限元网格，允许在土豆与板接触的区域中进行详细分析。通过使用 阻抗 边界条件计算来自微波炉和波导铜壁的电阻性金属的热损失，虽然损失很小。 当我们向土豆输入微波辐射时，土豆就像一个共振腔，将一些电磁场捕获在里面。转移到土豆上的能量（即耗散功率）大约是辐射源释放能量的 60%。其余的能量通过端口反射回来。从下面的模拟中可以看出，谐振腔在土豆的中心产生了一个峰值，在此处耗散功率最高。 马铃薯内部耗散的微波功率分布。注意土豆中心的峰值。 这个微波场引起土豆内部的加热。5 秒钟过后，我们可以看看土豆内部产生的热量。在模拟中，我们可以观察到，只有土豆的中心在 5 秒钟后开始加热。此外，由于土豆的低热导率，热量仍然集中在中心，而没有扩散。这导致了我们在微波炉中加热食物时有时会得到食物中心热外部冷的结果。 加热 5 秒钟后土豆的温度分布。 如果我们继续加热土豆更长时间，土豆的中心温度最终会达到沸点，蒸汽会形成并向外扩散，加速热量传递，并随着它的干燥降低中心的功率耗散。这将在温度接近 100℃ 时发生，尽管土豆内部不断上升的局部压力可能会增高沸点。然而，当过热到一定程度时，就会发生一次或几次微爆炸，打开通向马铃薯外部的蒸汽通道。任何尝试过微波处理土豆泥或浓汤的人都可能经历过这些微爆炸，并亲眼见证了它们对微波炉内部的影响（土豆泥四溅……）。虽然上面讨论的模拟不包括这些非线性效应，但它可以作为包括这些和其他效应的更复杂模拟的良好起点。 微波炉中的驻波 导致土豆受热不均匀的机制也在整个微波炉中发挥作用。共振电场的形状由微波炉内部大小不同的电场强度斑点的图案。这些斑点是由驻波 引起的。驻波是由于电磁波相互叠加时在烤箱中来回反射而产生的。出现驻波会导致微波中出现电场强度高低分布的斑点图案。使用上面相同的几何结构，我们可以分析这些驻波: 微波中驻波的位置。 旋转位于微波炉底部的玻璃板，将土豆放在板的边缘，而不是中间，可以减轻高强度斑点导致加热不均匀的问题。通过上图，我们可以看到旋转是如何通过斑点移动食物的。 联系 COMSOL 进行软件评估 拓展资源 COMSOL 案例库中下载微波炉模型