流体 & 传热 博客文章
使用多层材料功能模拟薄层中的传热
COMSOL Multiphysics® 软件中内置了一组全面的功能，可用于计算薄层中的传热。关于如何使用这些功能以较小的计算成本获得精确的解，本文不做详细讨论。这篇博客，我们将重点关注与 多层材料 功能有关的问题：这项功能有什么作用？您的模拟如何从中受益？ 编者注：这篇博客最初发布于2019年。现在已经更新以包括自 COMSOL Multiphysics 5.5 版本开始传热模块中增加的新功能。 模拟薄层中的传热 COMSOL Multiphysics 中提供了一些功能，可以考虑几何结构中薄层的特定传热属性，并且无需在几何结构中明确表征这些层，即可求解薄层中的热量传递。对于不同领域的应用，您都可以在层中定义电流和机械应力，例如电子元件和承受热应力的层压复合材料壳。 下图显示了不同温度梯度下钢柱中的温度分布。由于热导率低，安装在钢柱中部由两种不同材料构成的薄陶瓷部件起到隔热屏障的作用，并在陶瓷部分产生温度产变。陶瓷层在模型几何中被表示为一个面而不是两层薄体积域，以减少对网格大小的限制，这可能会使几何的不同部分具有高纵横比。高纵横比会使该部分的可视化变得非常困难。尽管几何结构中并未明确表征陶瓷部件，您仍然可以求解所有层的温度分布，并可以将其放大后更好地进行后处理，如下图所示。 使用 固体传热 接口和 薄层 节点计算的包含陶瓷层的钢柱中的温度分布。为了清晰地查看结果，将陶瓷层的厚度放大了 20 倍。 有关此模型的更多详细信息，请参阅 COMSOL 案例库中的复合保温层教程案例。 多层材料功能对传热仿真有什么好处？ 多层材料 功能可以在两方面提高您的仿真经验： 在模型树的中心位置对多层壳属性的定义进行分组，以在不同物理场接口中访问。这样做是为了将介质定义从物理场定义中分离出来并减少建模工作，因为对于所有的物理场，介质属性只需设置一次。 通过允许如任意数量、任何位置和任意方向的层来增加灵活性。 接下来，我们来看看使用 多层材料 功能计算多层壳中的传热的功能设计的优势，考虑一个包含两层壳的几何结构： 在边界 1 上定义的第一层壳，由包含材料 1（顶部和底部）和材料 2（中间）的 3 层组成 在边界2上定义的第二层壳，由材料3构成的单层材料 包含多层壳的几何，以及施加在边界 1 和边界 2 上的材料。 多层壳作为表面被包含在几何结构中，但物理场方程可以通过增加自由度（DOF）在重建的体积域（下图中以红色显示）中求解。 施加在边界 1 和边界 2 上的多层壳的重建体积域（厚度放大了 10 倍）。 当模拟该几何结构中热量传递时，我们可以指定层数、每一层的厚度和材料。除了这些属性之外，还可以轻松访问高级参数，例如厚度方向的网格单元数量、边界上多层材料的取向和位置，以及层交界面的特定材料属性。 除材料外，多层壳的所有属性均由 多层材料 节点定义，包括多层壳的组成，每一层的几何和离散特性。物理节点（本示例中为 薄层）指向多层材料 节点（下图的中间部分）；多层材料 节点指向用于定义材料属性的材料节点（下图的底部）。 包含多层壳定义在内的模型节点。 因此，您可以应用一个单物理场模型，模拟由不同数量和类型的层组成的多层壳的热传导。多层壳的特性在 多层材料 节点中定义。通过在模型树中将介质属性和物理模型的定义划分为两个不同部分，如下图所示： 模型树和 固体 节点的 设置窗口。 软件中提供的几个多层材料节点： 单层材料 多层材料链接 多层材料堆叠 多层材料 阅读博客使用复合材料模块分析风力发电机叶片，了解如何将这些节点组合起来对风力发电机复合叶片进行模拟。 上文，我们对多层材料 功能进行了介绍，接下来，我们需要回答两个问题： 如何利用此功能进行传热仿真？ 该功能对仿真过程有什么帮助？ 在 COMSOL Multiphysics® […]
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。本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 使用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。由于尺度甚至可以相差大约八个数量级，最大尺度可能比最小尺度大一亿倍,在整个尺度范围内使用相同的力学模型，在数值上无法解析最小尺度到最大尺度的多相流。因此，多相流的建模通常分为不同的尺度。 在较小的尺度上，可以对相边界的形状进行详细建模；例如，气泡与液体之间的气液界面的形状。在软件中，这种模型称为分离多相流模型，通常使用表面追踪法来描述此类模型。 在较大尺度上，如果必须详细描述相边界，则模型方程无法求解。相反，可以使用场（例如体积分数）描述不同的相。分散多相流模型方程中，相间效应（例如表面张力、浮力和跨越相边界的传递）被视为源和汇。 分离多相流模型详细描述了相边界，分散多相流模型则只考虑分散在连续相中的一个相的体积分数。 上图显示了分离和分散多相流模型的主要区别。在上述两种示例中，均使用函数 Φ 来描述气相和液相。但是，在分离多相流模型中，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地找到介于 0 和 1 之间的值，这预示着在其他均质域中是存在少量还是大量气泡。也就是说，在分散多相流模型中，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。 分离多相流模型 对于分离多相流的模拟，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 移动网格法 水平集和相场都是基于场的方法，其中相之间的界面代表水平集或相场函数的等值面。移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，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解决，而使用移动的网格可以解决移动网格问题。 下面的动画为一个T型微通道中生产乳液的模拟结果，该模型使用了相场法进行求解。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。 相反，下图显示了带有移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，移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® 软件中的移动网格法无法处理拓扑变化。而相场法不存在这个缺点，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，发生拓扑变化。 什么时候使用相场法和移动网格法？ 对于给定的网格，移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。基于相场的方法需要围绕相边界表面建立密集网格，以解析该表面的等值面。由于很难定义一个精确贴合等值面的自适应网格，因此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，与移动网格相比，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，通常首选移动网格法； 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，因此几乎不可能避免拓扑变化。所以对于湍流模型和分离多相流模型的组合，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 湍流模型相结合模拟反应堆中水和空气的两相流。 分散多相流模型 万一相边界过于复杂而无法解析，则必须使用分散多相流模型。 CFD 模块提供了 4 种不同的模型（原理上）： 气泡流模型 适合高密度相中包含较小体积分数低密度相 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 欧拉–欧拉模型 适用于任何类型的多相流 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多相流模型？ 气泡流模型 气泡流模型显然适用于液体中的气泡。由于忽略了分散相的动量贡献，因此该模型仅在分散相的密度比连续相小几个数量级时才有效。 混合物模型 混合物模型与气泡流模型相似，但考虑了分散相的动量贡献。它通常用于模拟分散在液相中的气泡或固体颗粒。混合物模型还可以处理任意数量的分散相。混合物模型和气泡流模型均假设分散相与连续相处于平衡状态，即分散相不能相对于连续相加速。因此，混合物模型无法处理分散在气体中的大固体颗粒。 […]
通过数值分析表征材料特性
本篇博文来自 COMSOL 用户年会 2019 剑桥站的主题演讲，作者是西格里碳素（SGL Carbon）公司的 Bojan Jokanović。他向我们介绍了如何基于光学显微镜图像对材料结构进行仿真分析。
使用 COMSOL 模拟钢齿轮的渗碳淬火
钢，是一种铁基合金，具有高强度和低成本的特性，广泛应用于各种领域。从汽车、建筑物、风力涡轮机和基础设施到机械设备、家用电器和刀具，都有钢铁合金的应用。大多数钢铁产品在制造过程中都会经过一些热处理，其中一种处理过程是淬火。
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。
验证隔热屋顶 HAMSTAD 基准模型
HAM 是建筑材料和结构的一个重要研究领域，因为它会影响霉菌生长的速率和覆盖面积。
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。