COMSOL软件在流体结构传热等多物理场耦合领域的应用文档格式.docx

COMSOL软件在流体结构传热等多物理场耦合领域的应用文档格式.docx

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例如，地下水流动模块的多孔弹性模型与岩土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。

融合地球化学反应速率和动力场

COMSOL使您可以在地下水流动模块物理接口中的编辑区域内灵活地输入任意公式，这对于在质量传递接口中定义地球化学反应速率和动力场非常有用。

但是，将这些物理接口与化学反应工程模块耦合将意味着，您可以通过该模块易用的物理接口定义化学反应，模拟多个多物质反应。

对于模拟核废料数千年间在其储存库中的扩散及多步反应过程，这两种模块的组合会很有用。

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地下水流动的仿真物理接口

地下水流动模块用于仿真多孔介质流动及其相关过程：

多孔介质流动

地下水流动模块的核心功能是模拟变饱和与完全饱和多孔介质中的流动。

。

物理接口使用水文仿真工程师熟悉的压力和水头之类的术语进行描述。

在变饱和流中，水力属性会随着流体流过多孔介质（填充排空孔隙）而发生改变。

这种类型的流动采用Richards方程来模拟，并且可以应用vanGenuchten和Brooks-Corey公式来考虑孔隙中的持水度。

接口中含有密度、动态粘度、饱和与残余液相分数、导水率和存储模型等参数的编辑区域。

可以根据孔隙的大小，通过Darcy定律或Darcy定律的Brinkman扩展形式来模拟饱和多孔介质流。

如果可以忽略流体流动的粘性效应，则可以使用Darcy定律，流动完全通过压力差来驱动。

如果孔隙大小足够大，流体由于剪切效应产生动量变化，则需要使用Brinkman方程。

它们求解与Navier-Stokes方程相同的变量，但方程中包含了一些参数来考虑流体流经介质的孔隙率。

裂隙流接口还会求解三维基体内部边界（二维）上的压力，并自动耦合到描述周围多孔介质渗流的物理场中。

利用这种近似求解，您可以不用对实际裂隙进行网格剖分，从而可节省计算资源。

如果流体从同一模型中的多孔区域流到空腔区域（并流回），则所有多孔介质物理场会自动耦合到地下水流动模块的自由流。

自由通道流动

对于地下管道或很大的连通孔隙，可以使用流体流动方程更好地进行模拟。

同样，也可以模拟采油系统中的油井等类似设备。

地下水流动模块支持两种类型的自由管道流：

层流和蠕动流。

层流接口求解Navier-Stokes方程，而蠕动流接口则求解它的修正形式（忽略惯性项）。

蠕动流也称为Stokes流，用于模拟雷诺数极低的流体流动。

材料传递

传质可以与地下水渗流相耦合，并且可以同时考虑对流和扩散现象。

扩散系数等属性可以通过变量依赖（例如浓度）的方程描述，或设为各向异性。

溶质传递接口添加了吸附作用所产生的分散和阻聚现象作为传输机理。

分散机理考虑到溶质传递通常发生在流动方向上，并使用分散张量来描述。

吸附描述的过程是：

化学物质在多孔介质内的颗粒表面上以不同的速率发生吸附和解吸附。

这个过程对于材料传递的作用通过Langmuir或Freundlich等温线描述，它们在接口中可直接使用，或通过您自己的表达式定义。

通过阻聚因子还可以定义吸附对流动的减缓效果。

此外，非饱和流体模型提供了额外的功能，可以考虑挥发或溶质与静止气相之间的化学物质扩散。

您还可以输入您自己的方程，用于描述在物质传递时发生的任何反应。

如果您需要模拟两相流与溶质传递，可以将溶质传递接口与CFD模块中的任何合适的物理接口耦合。

传热

传热的形式包括传导、对流和分散，并且必须考虑到固相和液相之间的不同热导率。

在许多情况下，固相可以由具有不同传导率的材料组成，并且体系中也可能存在许多不同的流体。

多孔介质接口中提供了用于计算等效传热属性的混合法则。

其中也包含了描述多孔介质耗散热的表达式，以及描述背景地热的项。

热耗散是由于流体在多孔介质中经过的曲折流道产生的，但如果仅考虑平均对流项，则可以忽略耗散热。

多孔弹性

固结和沉降模拟通过功能强大的多孔弹性物理接口来实现。

多孔弹性接口将瞬态Darcy定律与多孔基质的线弹性固体力学模型进行组合。

多孔弹性耦合意味着流体流动会影响多孔介质的可压缩性，而体积应变会反过来影响传动、传质和传热。

该接口包含了一个应力张量的表达式，它是应变张量和Biot-Willis系数的函数。

HeatTransferModule

通用的固体传热和流体传热建模

换热器热管壳体侧的温度曲线。

热的产生、消耗和传递

传热模块可以帮助您研究加热和冷却在设备、组件或过程中的影响。

为您提供了多种仿真工具来研究传热机理，包括传导、对流和辐射，传热分析常常与其他物理场耦合，例如结构力学、流体力学、电磁学和化学反应等。

在这方面，传热模块可以用作这些行业和应用的仿真平台：

热量或能量的产生、消耗或传递是研究过程的关注重点或者会产生显著影响。

材料和热力学数据

传热模块附带了一个内部材料数据库，包含许多常见液体和气体的材料属性数据，其中包括精确分析所需的热力学数据，例如热导率、热容量和密度。

材料库是材料属性的一个重要来源，具有超过2,500种固体材料的数据或代数关系，其中的许多属性（例如杨氏模量和电导率）是温度的函数。

传热模块还支持从Excel®

和MATLAB®

导入热力学及其他材料数据，并且可以通过CAPE-OPEN标准接口连接外部热力学数据库。

GeomechanicsModule

用于岩土力学中的非线性材料模型模拟

基于土方开挖模型绘制的水平应力、形变和塑性区域。

该模型中使用了Drucker-Prager塑性模型。

仿真您的岩土工程应用

岩土力学模块是结构力学模块的附加模块，可以用于分析岩土工程应用，例如隧道、开挖、边坡稳定性和支护结构。

它采用了多种非线性岩土力学材料模型，包含了一些特定行业的物理接口，用于研究形变、塑性、蠕变、土壤与岩石开裂，以及它们与桩、支撑和其他制造结构的相互作用。

多样广泛的岩土力学材料模型

岩土力学模块附带了标准的非线性材料模型，通过vonMises应力和Tresca准则来描述金属塑性。

但是，岩土力学模块的本质是土壤、混凝土和岩石等材料的非线性材料模型，这些模型内置在固体力学物理接口中。

土壤

岩石和混凝土

Cam-Clay

William-Warnke

Drucker-Prager

Bresler-Pister

Mohr-Coulomb

Ottosen

Matsuoka-Nakai

Hoek-Brown

Lade-Duncan

除了预定义的内置塑性模型之外，您还可以创建自定义的屈服函数。

可以通过编辑岩土力学模块中的物理接口直接创建，也可以通过COMSOLMultiphysics中提供的多功能方程定义物理接口创建。

不需要用户编写子程序，因为您只需在这些接口中的相应编辑区域内输入本构方程即可。

这些方程可以包括场变量、应力与应变不变量和派生变量的数学表达式。

如果您的材料模型依赖于另一个变量（例如温度场或水压），您可以直接将它纳入到这些材料定义中。

通过这种方式，可以对岩土力学模块提供的材料模型进行修正，并扩展到更一般的材料。

岩土力学模块可以方便地与COMSOL模块套件中其他模块的分析及其描述变量组合。

特别是包括地下水流动模块中描述多孔介质流动、多孔弹性和溶质传递的物理接口。

统一的建模流程

传热模块是加工过程和产品设计中热效应的专用模拟工具。

对于行业应用中的传热和所有其他物理现象，COMSOL均采用统一的方法来设置模型和操作仿真。

因而，您能够通过一个标准工具与其他工程师或工程部门进行沟通研究不同的现象。

无论您或您的同事们研究的是哪种特定应用的物理场，建模流程都是统一而简洁的，步骤如下：

∙导入或绘制设备或系统的几何结构

∙定义常量或随温度变化的材料属性与表达式

∙从一系列特定应用模式中选择最合适的传热模型接口（这些接口可能与系统的其他物理场相耦合）

∙添加与传热相耦合的任何其他物理场

∙定义系统边界条件和约束

∙网格剖分，不同仿真模型之间使用相同网格或其派生网格

∙使用适当的求解器和设置运行求解

∙结果处理与可视化，并且可以将不同模型的结果呈现在同一图片上

加工过程和产品设计的热效应仿真平台

无论您研究哪种物理现象，COMSOLMultiphysics平台和丰富的专业模块为您提供了用于所有过程和设计的统一仿真工具。

首先，您可以建立系统设备的焦耳热模型，之后建立模拟传送空气的系统散热模型，接下来建立设备的热应力模型。

或一次性对所有现象进行模拟。

传热通常是一种与其他物理过程一起考虑的重要现象。

温度场会导致热应力，而电磁场会产生电阻、感应、微波等现象。

流体流动对于不同组件上的散热非常重要，而热处理（例如铸造或焊接）时的温度变化会对材料属性及其物理行为会产生非常大的影响。

传热模块包含多种用户接口，可简便地模拟任意的耦合传热现象，并可以耦合到COMSOL®

产品库中的任何其他模块。

传热机理

传热模块的本质是实现热守恒或能量守恒相关的计算，同时可以考虑机械损耗、潜热、焦耳热或反应热等一系列现象。

传热模块提供了现成的接口（称为物理接口），可在图形用户界面（GUI）设定模型输入，并使用这些输入参数来设定能量平衡方程。

与COMSOL模块套件内的所有物理接口一样，您可以通过修改底层方程来灵活地定义传输机理、特定热源或与其他物理场耦合等。

热传导

传热模块包含了固体传热和流体传热（或两者的组合），并且允许用户自由地定义热导率的变量依赖性，通常将其表示为温度自身的函数。

自动计算任意几何结构上曲线坐标，以及定义各向异性材料属性的能力，使得可以高度真实地表征各向异性结构（例如复合材料）中的热效应。

辐射

传热模块支持许多现象的辐射模拟，包含了专用的求解器来模拟辐射现象，耦合热对流和热传导。

传热模块提供了用于模拟透明、不透明和参与介质中的表面对环境辐射、环境对表面辐射和表面对表面辐射的工具。

传热模块使用辐射度方法来模拟表面对表面辐射，考虑随波长变化的表面属性，在此您可以在同一模型中同时最多考虑五个光谱波段。

适用于模拟太阳辐射，其中短波长（太阳光谱波段）的表面吸收率可能不同于较长波长（环境光谱波段）的表面发射率。

此外，还可为每个光谱波段定义透明度属性。

传热模块还可以模拟参与介质中的辐射传热，这将考虑这种介质中热辐射的吸收、发射和散射。

热对流

系统中存在流动过程时，总是会通过压力功和粘性效应在传热过程和能量作用中引入对流传热。

传热模块