COMSOL软件在流体结构传热等多物理场耦合领域的应用.docx

1、COMSOL软件在流体结构传热等多物理场耦合领域的应用Subsurface Flow Module基于地下水流动分析地球物理现象在建的核废料储存库，用于在接下来的 10 万年内储存乏燃料棒。该模型模拟的情形是：燃料束套筒发生破裂，导致核废料通过周围的岩石裂隙发生渗漏，并回充到上方的隧道中。饱和与变饱和渗流地下水流动模块面向需要仿真地下或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们，并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系，例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动，以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现象。地下水流动模块可以模拟

2、管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水，并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。民事、采矿、石油、农业、化工、核能和环境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象，因为他们从事的行业会直接或间接（通过环境因素）影响我们生存的地球环境。地下水渗流影响许多地球物理属性地下水流动模块内包含了许多专用的接口，用于模拟地下环境中的流动及其他现象。作为物理接口，它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接口组合并直接耦合，或与 COMSOL 模块套件中任何其他模块的物理接口组合并直接耦合。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

3、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。更多图片 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

4、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 van Genuchten 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 Brinkm

5、an 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-

6、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

7、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

8、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。Heat Transfer Module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

9、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-OPE

10、N 标准接口连接外部热力学数据库。更多图片 Geomechanics Module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 von Mises 应力和 Tre

11、sca 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-ClayWilliam-WarnkeDrucker-PragerBresler-PisterMohr-CoulombOttosenMatsuoka-NakaiHoek-BrownLade-Duncan更多图片 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 COMSOL Multiphysics 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

12、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

13、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， COMSOL Multiphysic

14、s 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

15、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

16、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。传热模块可以方便地模拟这些过程

17、，并可同时考虑强制对流和自由（自然）对流。它包含一个用于共轭传热的特定物理接口，可在同一系统中对固体和流体材料进行模拟。为了考虑流体流动，传热模块内置了层流模型物理接口，以及高雷诺数和低雷诺数 k- 湍流模型物理接口。对于任意流体类型，由于温差而产生的自然浮力效应可以通过非等温流模型来描述。将传热模型与CFD 模块组合可以进一步仿真流体流动，包括多种湍流模型、多孔介质流和两相流。此外，传热模块还提供了一些用于简化流体模型的功能，当模拟流体动力学全模型并不能提供更多的精度，或其计算量特别巨大时，可以使用这些功能进行简化。这些功能通过一个内置的传热系数库提供，用于仿真在系统周围和模型边界之间的强制

18、或自然对流传热。该模块还包含不同的几何相互关系，例如烟道或平板（垂直、倾斜或水平），以及不同的外部流体（空气、水和油）。多孔介质传热虽然自由介质中层流或湍流传热的应用是相当广泛的，但传热模块也提供了功能强大的用于模拟多孔介质传热的接口，同时考虑多孔基体固相和开孔相中的传导和对流。您可以选择不同的平均模型来定义等效传热属性，这些等效属性将基于固体和流体材料的相应属性自动计算。此外，您还可以利用预定义功能模拟在多孔介质曲折孔隙中流体流动产生的热耗散。生物传热传热模块提供了一个含有生物传热模型的物理接口。无论是通过微波加热、电阻加热、化学反应产热还是辐射加热，生物传热接口是仿真人体组织和其他生物系统

19、中的热效应的完美工具。正如 COMSOL 环境中的通常情形，可以简便地将温度变化反馈到其他物理场的材料属性，例如强耦合多物理场仿真中的电学材料属性。生物传热可以与一系列相变过程组合，包括组织坏死等。相变相变是传热分析中的一种扰动属性。相变会引起难以预测的转变，即相态之间的瞬态几何相界面，或者材料属性（例如传导率、热容或流动行为）的突然变化，在材料的固相、液相和气相之间这些属性的差异可能达到几个数量级。相态变化还会引起潜热，在许多热平衡过程中潜热一般占主导地位。通过一系列不同的功能和用户接口，COMSOL Multiphysics 和传热模块能够考虑这些扰动，包括使用移动网格来模拟体积变化。此外

20、，还支持通过自动定义热力学属性来考虑材料属性的突变，同时仍然可以通过控制相态的渐变来确保连续性。接触热阻当两个固体相互连接在一起时，热阻通常是彼此压迫状况和各自表面粗糙度的函数。粗糙表面之间会产生抑制传热的小间隙，而将它们压在一起可以减小这些间隙的大小。传热模块提供了一些物理接口来仿真随施加应力和间隙特定热导率而变化的接触热导系数，并且还考虑小间隙分隔面之间的表面对表面辐射作用。将传热模型与结构力学模块组合，可以实现在热接触和机械接触（包括热膨胀）之间直接耦合的功能。薄层和薄壳您的仪器设备或生产过程中经常会含有几何尺寸远小于系统其余部分的材料或区域。例如 PCB 上的薄铜层，压力容器的器壁，或

21、者绝缘薄层。传热模块提供了特定的模拟工具来仿真这些情形并可节省计算资源。如果薄层或薄壳切线方向的传热梯度很显著，且厚度方向的温度梯度不明显，则可以使用高导热层，避免在薄层或薄壳的宽度方向上进行网格剖分。可以将薄层或薄壳的求解结果与所连接的三维实体耦合。可以是两个较大的域之间、域和其周围环境之间的薄壁，或者是嵌入另一个固体表面的薄层。通过类似的方式，薄热阻层的物理接口提供了一种描述热导性很差的材料的简便方法。热电效应多物理场节点显示热电效应的材料可以将温差转换成电势，如同热通量包含载流子。或者，在此类材料上施加电势，会产生温度梯度。热电材料制造的器件常用于电子设备冷却或便携式冰箱，另外热电能量收

22、集设备的应用也很广泛。热电效应多物理场接口是电流接口和固体传热接口的耦合。您可以使用传热模块的所有传热功能，例如高级边界条件和热辐射。和COMSOL中其他所有物理场接口一样，热电效应接口能够与其他任意物理场接口进行耦合，例如结构力学接口。材料库中提供了两种常见的热电材料的材料属性：碲化铋和碲化铅，您也可以方便地添加用户自定义的热电材料。Structural Mechanics Module结构力学分析对连杆进行的本征频率分析显示了最小特征频率下沿连杆的扭转角。静态、瞬态和频域结构分析结构力学模块专门用于分析受静态或动态载荷作用的力学结构。您可以将它用于一系列广泛的分析类型，包括稳态、瞬态、本征

23、模式/模态、参数化、准静态、频率响应、屈曲和预应力等。辅助模块增强结构力学的分析功能结构力学模块提供了二维、二维轴对称和三维坐标系中进行分析的用户接口，用于分析固体、壳（三维）、板（二维）、桁架（二维、三维）、薄膜（二维轴对称、三维）和梁（二维、三维）等结构。它们可以用于几何非线性、机械接触、热应变、压电材料和流固耦合（FSI）等应用的大形变分析。如果要进行非线性材料分析，有两个专业模块可供您使用非线性材料模块和岩土力学模块。对于疲劳寿命评估，您可以利用疲劳模块，如果要模拟柔体和刚体动力学，可以使用多体动力学模块。结构力学模块还可以与COMSOL Multiphysics及其他模块一起工作，将

24、结构分析耦合到一系列广泛的多物理场现象中，包括机械结构与电磁场、流体流动和化学反应等的相互作用。更多图片 材料模型结构力学模块的本构模型包括线弹性和粘弹性材料模型，以及正交各向异性材料和阻尼材料。此模块所包含的材料模型还可以通过非线性材料模块和岩土力学模块进行扩展，用来分析大应变塑性形变、超弹性材料、塑性、蠕变、粘塑性、岩石、混凝土和土壤等。此外，用户还可以通过 COMSOL 自定义 PDE 的友好用户接口，灵活地输入自定义材料本构。在许多情况下，只需直接在图形用户界面中以数学表达式（使用场变量、应力与应变不变量以及派生变量构造）的形式输入本构方程即可，代替传统的用户编程的方法。例如，杨氏模量

25、不仅可以定义为常量，还可以是任意场变量及其导数的函数。材质属性可以随空间或时间而变化，或使用复数表达式进行描述。载荷、约束和专用的高性能仿真工具模块内置了一系列广泛的载荷和约束条件。这包括总力、压力载荷、从动荷载、弹簧与阻尼、附加质量、指定位移、速度和加速度。要模拟薄弹性部件，您可以使用弹性薄层接口。此外，对于刚性和柔性混合结构，模块提供了特定的刚性域和刚性边界条件，并附带多体动力学模块的一些功能。在模拟一个嵌入弹性材料基底或位于其上方的较小结构时，可以使用无限元域。它仿真缓慢衰减的应力的吸收，使得可以在不损失精度的情况下仿真截断的区域，同时又可以高效地仿真较大的结构。固体力学结构力学模块的固

26、体力学接口定义了用于应力分析以及广义线性与非线性固体力学的变量和功能，以求解位移。线弹性材料是缺省的材料模型。其他材料模型为超弹性（需要非线性材料模块）和线性粘弹性材料模型。此外，还可以使用热膨胀、阻尼和初始应力与应变等功能扩展弹性材料模型应用。广义非弹性应变可以很容易地定义为额外初始应变作用，甚至可以是任何其他物理场（从电磁场到流场）的函数。该模块中的弹性材料类型包括各向同性、正交各向异性和完全各向异性等。每种材料系数可以通过一个常数、变量、查找表以及可随空间与时间变化的复合非线性表达式来描述。COMSOL Multiphysics 可以解析任意表达式，这使您可以在 COMSOL Deskt

27、op 环境内完成高级模拟任务，而无需编程。大形变和机械接触结构力学模块使您可以模拟考虑几何非线性和从动载荷的大形变。载荷可以是用户定义分布的，并且还可以取决于其他物理场，例如电磁力或流体作用力。机械接触问题同样可以在该模块处理，并且支持多物理场耦合。例如，您可以在接触边界定义热通量（需要传热模块）或电流（需要 AC/DC 模块），并利用接触应力来仿真电流传输或热传输的范围。壳、板和薄膜壳（基于 Mindlin-Reissner 公式）可用于薄壁结构的力学分析，并在其中考虑横向剪切形变，使您也可以仿真厚壳结构。此外，还可以在垂直于选定表面的方向上设定一个偏移量。壳接口还包含了一些其他功能，例如阻

28、尼、热膨胀和初始应力与应变。可用的预设求解器与固体力学接口相同。类似于壳接口，板接口的过程让那个也发生在单个平面内，但通常仅具有面外荷载。薄膜接口模拟三维下的曲面应力单元，这些单元有可能同时在面内和面外方向发生形变。壳和薄膜接口之间的区别是薄膜不考虑任何弯曲刚度。该接口适合于模拟诸如薄膜和织物之类的结构。振动、声场和弹性波软件含有一系列振动分析的功能，并且可以选择声学模块与声场进行耦合。将结构力学模块与声学模块组合时，您将可以使用专门模拟声-壳耦合的接口。声学模块另外还具有模拟固-声和压电-声耦合的物理场接口。对于在材料中传播的弹性波，结构力学模块提供了低反射边界和完美匹配层，以仿真传出的弹性

29、波。该功能使用户可以简便地模拟从相对较大或无限大介质中的振动结构产生的向外传播的波。疲劳估计将疲劳模块添加到结构力学分析中，可以执行结构疲劳寿命计算。可以使用高循环和低循环疲劳方法，以及累积损伤分析。疲劳模块与结构力学模块的紧密集成，使您可以在 COMSOL Desktop 环境中进行结构力学和疲劳计算。疲劳模块不仅可以与固体力学、壳、板和多体动力学接口一起使用，还可以耦合仿真热应力、焦耳热及热膨胀和压电器件的物理接口。梁和桁架结构力学模块中的梁接口用于分析可以通过横截面属性（例如面积和惯性矩）来描述的细长结构（梁）。它们可以仿真框架结构（平面和三维），并且可以与其他单元类型耦合，例如分析固体

30、和壳结构的加固。梁接口内置了一个含有矩形、箱形、圆形、管道、H 形、U 形和 T 形等梁截面的库。额外的功能包括阻尼、热膨胀和初始应力与应变。一个称为梁横截面的独立二维物理接口可以用于估算梁分析中任意输入二维横截面的横截面属性。桁架接口可用于模拟只能承受轴向力的细长结构。桁架接口可以定义小应变，以及大形变应变。典型的应用如具有直边的桁架，以及暴露在重力下的电缆（下垂电缆）。额外的功能包括阻尼、热膨胀和初始应力与应变。热应力结构力学模块不仅可以与 COMSOL Multiphysics 基本平台及其他专业模块集成，模拟许多不同的多物理场现象，而且它还包含了许多专用的多物理场接口。例如，热应力接口

31、不仅具有固体力学接口的基本功能，并增加了热线弹性材料模型。它可以与各种传热接口组合，将温度场耦合到结构（材料）膨胀中。焦耳热和热膨胀多物理场接口含有热应力模型与焦耳热模型，模拟电流在结构中的传导、欧姆损耗产生的电加热，以及由温度场产生的热应力。其他模块中的附加机械模拟功能MEMS 模块提供了微机电系统的特定结构仿真工具。包括用于压敏电阻、机电挠度、热弹性振动的物理接口，以及更多的用于分析压电器件的高级仿真工具。对于力学分析，声学模块包含了结构振动，声压波和弹性或多孔弹性波等模型。地下水流动模块通过多孔弹性与多孔介质流动模型的结合而增强了固体力学接口的功能。CAD 和优化CAD 导入模块提供了一

32、系列行业标准 CAD 格式的导入功能，以及为网格剖分和计算制备 CAD 模型所需的几何清理和修复操作等功能。CAD 导入模块还利用 Parasolid几何内核，来执行比 COMSOL 本地内核更高级的实体操作。对于电子器件结构的机械仿真，ECAD 导入模块提供了电子布局导入功能。在分析机械零件或装配件时，保留原始 CAD 参数化模型非常重要，这样就可以在无需重新构造模型参数的情况下执行参数求解和优化。这通过使用针对几个领先 CAD 系统的 LiveLink模块来实现：SolidWorks,Inventor、AutoCAD、PTCCreo Parametric、Pro/ENGINEER和Solid Edge。这些模块可