COMSOL入门

COMSOL多物理场的工作流程¶

定义问题	初始化问题	几何	材料属性	边界条件	网格	求解	后处理	优化
定义需要求解的问题	初始化模型	绘制或导入CAD	定义求解域	设定边界条件	网格划分	求解	后处理和报告	优化修改

1 定义问题¶

例：热微执行器¶

问题描述：
- 在执行器一段施加电压
- 电流生成热
- 结构发生膨胀
- 最终求解温度、变形、应力

多物理场：电+热+结构力学

建模难点在于如何反向简化模型

定义问题逻辑¶

定义分析目标	几何维度	确定所需物理场	确定多物理场耦合
获得执行器通电后的热变形情况	三维	电流固体传热固体力学	电磁热热膨胀

2 几何建模¶

几何体素¶

每个对象包含“域”、“边界”、“边”、“点”属性，对任意一个几何体素进行变换操作时，都要选中对应的域/边界/边/点进行操作，同时要注意操作的结果是否符合逻辑

几何操作¶

阵列¶

用于在x,y,z方向上生成相同的几何体素，快速构建零部件

移动¶

布尔操作¶

并集
交集
差集

工作平面¶

可以选取平面绘制二维图像，方便进行变换操作（拉伸，旋转等）

几何模型定义的逻辑¶

几何体素的定义>>变换操作>>逻辑操作

3 CFD接口¶

单相流¶

使用雷诺数确定流型¶

\[Re_L=\frac{\rho UL}{\mu}=\frac{惯性力}{粘性力}\]

低雷诺数(<<1)：蠕动流
- 粘性力阻碍了所有流体脉动的产生
- 可逆的平滑流型
中等雷诺数(~1-2000)：层流
- 惯性力重要性增加
- 粘性力被限制在边界层、剪切层、尾迹内部
- 规则、平滑流型
高雷诺数(>4000)：湍流

雷诺数计算¶

平板流 \(Re_x=\frac{Ux}{\nu}\)
圆球扰流 \(Re_L=\frac{UL}{\nu}\)
管流 \(Re_{Dh}=\frac{UD_h}{\nu}\quad D_h=\frac{4A(横截面积)}{P(周长)}\)
圆管流 \(Re_D=\frac{UD}{\nu}\)

马赫数¶

\[Ma=\frac{|u|}{a}=\frac{流速}{音速}\]

\(Ma=0\):正规的不可压缩流动
- 音速无限大（假设），扰动瞬时传播
- 抛物型Navier-Stokes方程
\(0<Ma<0.3\):“弱”可压缩流动
- 小和中等梯度亚音速流
- 密度变化不超过5%

层流¶

求解NS方程
- 针对低雷诺数情况
- 瞬态或稳态求解器
- 不可压缩或可压缩（\(Ma<0.3\)）
可以切换到湍流模型
可以切换至蠕动流
- 忽略惯性项
定义参考压力水平（默认为:\(1[atm]\)）

流动压力¶

压力驱动流体运动
- NS方程只计算压力梯度，不计算绝对值
- 需要使用绝对压力材料属性
两种方法计算压力：
- \(\Delta p - p_A\)，直接求解绝对压力
  - 管道流、高马赫流
- \(\Delta p << p_A\)，求解绝对压力\(p_A=p_{ref}+p\)

流体属性¶

密度
动力粘性
- 牛顿流体：应力正比于应变
- 非牛顿流体

初始值¶

稳态：初始值=数值上的初始猜测 - 进作为迭代的起始点，没有物理意义 - 边界条件不需要与初始值一致

顺态：初始值=物理上的初始状态 - 顺态问题t0时刻的物理解 - 所有边界条件必须与初始值必须一致 - 流程： - 使用收敛的稳态解作为初始值 - 使用常规初始值（零速度、零压力）和边界条件

进出口条件的组合¶

适定条件
- 速度进口，压力出口
- 压力进口，速度出口
“稍有难度”条件：
- 压力进口，压力出口
病态条件
- 速度进口，速度出口

充分发展的流动¶

定义了一个虚拟区域的长度，进口特征长度的10倍，让流体先进行一段流动
可以在任意形状的进出口定义层流/湍流的速度分布
与“内部壁”冲突

出口位置¶

如果在出口附近存在特定的流动结构（尾迹、回流），需要将出口延长至完全包含该流动结构

壁边界条件¶

滑移
- 法向速度为0
- \(u\cdot n=0\)
无滑移
- 壁上速度为0
- \(u=0\)
滑动壁
- 指定切向速度
- \(u=u_{w,proj}\)
移动壁
- 指定壁运动速度
- \(u=u_w\)
渗漏壁
- 流体渗漏进或通过多孔壁离开求解域

内部壁¶

使用内部壁结构可以避免对薄结构进行网格划分

对称、轴对称和周期性¶

极大减小内存需求和计算时间
流场和几何必须为对称/轴对称/周期性

流量控制装置¶

将装置作为边界而非域的一部分
压力边界
- 风扇和格栅可以作为出口和入口
- 真空泵为出口
- 内部风扇和滤网作为内部边界

压力点约束¶

如果没有边界条件限定系统压力，需要使用其他方式来限定
当考虑重力时，出口压力不能设为常数
- 要考虑静水压力的影响

冲突的边界条件¶

入口与出口相邻
同时指定入口和出口速度
边界条件与载荷冲突