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COMSOL Multiphysics 能够求解什么类型的流-固耦合问题?
经常有人问我：“COMSOL Multiphysics 能够求解流-固耦合(FSI)问题吗？”答案当然是肯定的。接下来，我将介绍几种求解流-固耦合问题的方法，以及分析这些不同问题所需要的 COMSOL 产品。 各种类型的流-固耦合模拟 广义上讲，只要模拟过程涉及计算流体中的速度和（或）压力场，以及与流体相互作用的固体材料中的应力和应变，就是在求解流-固耦合(FSI)模型。 圆柱绕流 在模拟流-固耦合问题时，您可以进行各种假设，来降低模拟的复杂度并减小计算量。首先，我们来看一个使用 COMSOL Multiphysics 创建的最完整的流-固耦合模型：绕圆柱的流体流动。 切向流场中一个圆柱体尾流中的柔性物体变形情况。 圆柱体后方的流体尾流引起其后方的突出物产生大幅振荡，求解这类模型需要解决三个问题。首先，在流体流动区域求解纳维-斯托克斯方程。接着，计算固体位移。最后，求解流动域的网格变形问题，以考虑流体可以流经的变形区域。 对于这种非线性多物理场耦合，您可以使用 MEMS 模块 或者结构力学模块中的流-固耦合 接口模拟。这类模拟可以在时域中求解，也可以看作稳态（定常）问题求解。 上述示例考虑了固体材料中应力和应变之间的线性关系。如果想模拟具有非线性应力-应变关系的材料，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:一种利用滚轮在软管上滚动来推动流体流动的泵。 图片来源：Veryst Engineering。 单向流-固耦合 另一种情况，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，仍然可以使用 流-固耦合 接口，但也可以使用 单向耦合 求解器计算流动解，并在结构上施加流体载荷。这样，就可以避免计算网格的变形。 您也可以完全不使用流-固耦合接口，重新开始考虑这类单向耦合 FSI 问题，铝挤出工艺中的流-固耦合案例模型就介绍了这种处理方法。此外，如果您正在求解非常高速的流动问题，并且不关心流动中的短时间尺度紊乱振荡，那么可以将湍流流动模型作为流-固耦合模型的一部分。CFD 模块和传热模块中都包含适用于不同流态的各种湍流模型。 周期性流场中的太阳能电池板模型：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 如果您提前知道正在模拟的是流体中的振动结构，那么通常可以假设结构位移相对较小。因此，在周围流体中诱发的任何体运动都可以忽略。但是，由于结构在振动，流体将产生压力波，从而产生声辐射。我们可以通过 COMSOL 软件中的声学模块所提供的 声-结构相互作用 接口来求解这类问题。 这个接口假定物体位移的变化相对较小，因此不会引起流体产生明显的体运动，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，就能够在频域中模拟，耗费较小的计算量。在模拟分析过程中，还可以考虑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，您还可以进一步求解热热声-固耦合问题，它求解的是纳维-斯托克斯方程的线性频域形式，还可以考虑显式模拟产生的热和黏性边界层中的损耗。虽然这比声-固耦合问题的计算成本更高，但仍然比求解完整的流固耦合问题更高效。 振动微镜: 振动微镜的应力和位移以及周围空气的速度分布。 多孔弹性介质 声学模块中的 多孔弹性波 接口还可以模拟波在多孔介质（如潮湿的土壤、生物组织和减震泡沫等）中的传播。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-沉积物界面的声反射。 如果您对模拟多孔弹性介质感兴趣，但需要在稳态或时域而不是在频域中求解，那么你需要使用地下水流模块。该模块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应力。它还包含一个 多孔弹性 接口，用于模拟稳态和瞬态状态下多孔弹性流体和结构的相互作用。 开孔分支井模型: 绘制了土壤中的应力和多孔弹性域中的流体速度。 薄层流体和管道流 上述所有方法都显明确模拟了流体的体积，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（例如在流体动力轴承中），完全可以不采用整个流体的体积模型，而只求解雷诺方程，获得流体薄膜中的压力。 这种方法只求解沿域边界的流体流动。CFD 模块和MEMS 模块都内置了这个接口。您甚至可以更进一步，只求解沿一条线的流体流动。换句话说，可以使用管道流模块求解沿管道的流动。 对于同时考虑求解沿管道长度的压力变化和管壁弹性影响的模型，请查看这个求解水锤方程的案例模型。 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。 进一步简化计算 您可能已经发现，我们是从最复杂的示例开始，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确实对结构施加了一个静水压力载荷的示例。 核心功能 对于这种情况，我们可以利用 COMSOL Multiphysics 的核心功能：用户自定义方程、组件耦合算子和全局方程来解决。这些功能允许在模型中引入任意方程，来表示如流体压力等任何变量。正如我们在上一篇博客中所介绍的，您也可以在变形的封闭腔中考虑可压缩和不可压缩流体的影响，以及由此产生的静水压力。 搅拌器模块 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，我们考虑已知固体刚体运动的情况下，如何模拟流体运动。对于这种问题，我们可以通过搅拌器模块来求解，即求解搅拌器和搅拌容器的问题。 在这些问题中，固体结构的运动完全由旋转定义，然后再计算流体的运动情况。如果假设固体发生线性弹性变形，还可以计算运动固体中的应力分布。这可以通过单向耦合来解决，即先求解由搅拌器搅拌引起的流体流动，然后在结构变形较小的假设下计算应力。 搅拌器中的流场。 结语 如您所见，COMSOL Multiphysics 能够处理各种类型的流-固耦合模拟问题。如果您对文中的内容感兴趣，或者文中介绍的内容没有涉及您所关注的问题，请联系我们。
在 COMSOL 中如何正确模拟流动
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优化太阳能电池板设计 推动光伏产业发展
太阳能光伏电池是利用光伏效应 将太阳能直接转化为电能或电压的半导体器件。这些光伏电池通常被称为太阳能电池或太阳能电池板，2012 年产生了大约 93TWh 电能，足以为 2000 多万户家庭供电。由于这些电池需要直接暴露在太阳光下，因此被放置在室外，受到各种因素的影响。
多孔介质中由密度驱动的流体流动
如动能、压力梯度、浓度梯度，以及其他很多不同的力都能诱导流体流动。在自然系统中，密度变化是一种能够在静止流体中诱导流体流动的效应。密度的变化会导致流体浮力变化从而诱导流动，因为密度大的流体会下沉，密度小、有浮力的流体 会上升。
非牛顿流体：倒番茄酱的困惑
如果你喜欢吃番茄酱，那么很有可能你已经体验过我们称之为“要么全有要么全无的番茄酱困境”。想象一下，你伸手去拿一个新的番茄酱玻璃瓶，取下瓶盖，把瓶子倒过来时，然后——“什么都没有发生”。直觉上，我们会摇晃或轻拍瓶子，然后——突然你的食物就完全被涂上了番茄酱(当然，除非你的反应真的很好)。在这篇博客文章中，我们将通过仿真模拟瓶子中的番茄酱的流量来演示倾倒番茄酱时的“全有或全无”效果。 我的番茄酱在哪里？ 番茄酱除了是一种特别受欢迎的调味品以外，也是一种非牛顿流体。这是它会出现上述奇怪现象的关键。作为一种非牛顿流体，番茄酱的黏度——以及其流动能力——会随着流体的速度梯度或剪切速率变化。当第一次把番茄酱瓶子倒过来的时候，由于番茄酱的初始黏度很高，很可能你只能得到非常小的流量，如果有的话。好在番茄酱还有一个有趣的剪切稀化特性。当在重力之外施加外力时，增加的剪切力将导致番茄酱的黏度降低，更容易流动。这就是为什么我们有时必须轻拍或摇晃瓶子才能享受番茄酱加薯条。 模拟瓶子中的非牛顿流体流动 为了满足我们的好奇心，以及我们的胃口，并进一步完善我们的番茄酱倾倒技术，我们使用COMSOL Multiphysics 软件和其附加的计算流体力学模块对这个过程进行模拟。在模拟中，我们做了几个简化的假设，包括瓶子的无限延伸(即番茄酱一直都有)和单相层流，忽略了瓶内滞留的空气。所有速度均以米/秒（m/s）为单位。 我们规定了瓶子的几何形状和层流的边界，包括无滑移壁面、压力入口(代表未建模番茄酱部分的重量)和压力出口(外部大气)，如下图所示。 用于模拟的二维几何图形。显示了应用的边界条件。 我们还添加了体积力特性，以包括重力和沿着 y 轴摇晃瓶子 0.2 秒所产生的力。 为了给求解器提供一致的初始条件，重力产生的体积力通过阶跃函数从 0 上升到其最大值(过渡区域为 0.05 秒)。摇动动作是以 0.2 秒宽的矩形函数模拟的。在此期间，体积力加倍。 倾倒番茄酱 我们基于Koocheki 等人的工作，我们先做了一个仿真为之后模拟番茄酱的流动做准备。为了模拟番茄酱的流动，我们使用了非牛顿幂律来表示动力黏度。番茄酱配方通过在幂律方程中指定稠度系数和流动特性指数来模拟。下面的图像显示了添加1%黄原胶的番茄酱配方中较高的初始黏度和非牛顿流动性。 左:以p1(见上面的模型设置)为单位测量的黏度是时间的函数，时间间隔 [0，0.1]秒。右图:以p1(见上面的模型设置)为单位测量的黏度是时间的函数，时间间隔为[0.1，2]秒。番茄酱的剪切稀化特性很明显，尤其是在瓶子摇晃的[1，1.2]秒间隔内。黏度降低，从而允许更多的番茄酱流出瓶子。 左:在三个不同时间沿线 1(见上面的模型设置)测量的黏度。右图:平均出口速度与时间的函数关系。可以看出，番茄酱在重力的作用下慢慢开始流动，然后在摇晃瓶子时容易增加。 左:速度幅度动画从 0.05 到 2 秒。右:1.1 秒时的速度大小。 “番茄酱困境” 等待流速的变化对你来说可能很熟悉。一旦流速开始改变，就会快速变化，导致番茄酱泛滥，覆盖在你的食物上。流速顺其自然地增加导致了剪切力增加，进而降低黏度，导致更高的流速。这就是为什么番茄酱最初似乎是静止的，但后来突然又像水一样流动的原因。 番茄酱从瓶子中流出这个特殊的问题比一开始看起来要复杂得多。有许多变量会影响我们体验一个“绝对的” 番茄酱惊喜。如果你有兴趣进一步研究这种效应，建议你使用 COMSOL Multiphysics 和计算流体力学模块进行模拟实验。例如，你可以研究诸如倾斜角度、瓶子里的空气、甚至瓶子的设计等变量是如何影响番茄酱的倾倒体验的。