在现实生活中,我们遇到的很多工况问题,涉及到并不是由一个单一的物理场,例如:流场,结构力学场,磁场,电场,化学场等。恰恰相反,实际的问题往往是由多个物理场相互作用产生的,所以在进行仿真研究的过程中,为了得到与实际工况相符合的精确结果,就需要考虑进行多物理场仿真。
对于一个仿真新手而言,单场仿真都不一定能搞定,多场仿真必然难上加难。这一假设在一般用户使用的商用软件上往往是成立的,然而有些时候也不尽然,像COMSOL公司推出的COMSOL MULTIPHYSICS,就是将多物理场的耦合作了一定的简化。
本系列课程的主旨是帮助过去没有使用过COMSOL软件的用户,或者对软件不熟悉的用户进行入门教育,并对软件的功能和框架有一个整体认识。
对于多物理场仿真,实际上有一套通用的工作流程,用户对模型进行建模,只需要遵从下列步骤,正确操作,即可完成模型的构建及后续的分析:
接下来逐条为大家解释:
1、定义需要求解的问题类型:对于用户需要通过仿真考察的问题,首先我们需要了解其背后设计到哪些物理场,应该选用哪种合适的控制方程,各个物理场之间的耦合关系如何;
2、绘制或导入CAD几何:用户可以导入事先画好的几何模型,或者直接在COMSOL中作图,可以依据具体的情况进行调整。之后要对模型文件进行几何上的修改,以满足仿真的要求;
3、定义每个求解域的材料属性:针对不同材料选择相应的材料属性进行赋值,同时可以进行材料自定义来满足案例的特殊需求;
4、定义需要求解的问题类型:为每个物理场设定载荷和边界条件,并完成多物理场的设置;
5、网格剖分:可以使用COMSOL自带的网格自动生成功能对网格进行剖分,或使用自定义网格剖分;
6、求解模型:进行模型的求解,针对收敛问题,可以进行求解器的微调;
7、后处理和报告结果:对于后处理,可以进行各类衍生值计算,从而得到想要考察的对象;
8、修改和优化:根据已经有的结果进行对模型进行修改,甚至可以与优化模块联用进行优化操作。
综上,是对使用COMSOL进行仿真求解过程的一个系统化总结,具体在建模过程中遇到的具体如:模型简化问题,物理场耦合问题,网格划分问题,模型收敛问题以及求解器修改问题,欢迎订阅我的系列课《COMSOL 技能培训10讲-让你获得COMSOL仿真分析能力》系统学习。
那么,多物理场仿真相较单场仿真,它的优势在哪里呢?
简而言之用一个词概括的话,就是——精确。
相较于单场仿真,多场仿真所使用求解的矩阵要大的多以及复杂的多,为了确保多场耦合,COMSOL所有的数值方法都是有限元,从而来确保多场耦合的可行性问题。虽然这会在流体求解瞬态时造成一定的问题,但是鉴于该产品的优势是多场耦合,因此有一定的取舍也是情理之中的。
在建模过程中,你可以根据问题实际问题来选择是使用强耦合还是弱耦合,具体则是每个案例各不相同,如果对此感兴趣的,也可以在本次基础课程的后期,有一个大致的了解,在这里,首先为大家解读一个案例,以供参考:
我们以软件自带的案例库中的灯泡的自然对流为例:
在这个问题中,工程师希望通过分析氩气的非等温流动,从而来了解灯泡最终的稳定工作温度。在这里,套用之前的建模步骤,我们首先要进行的就是定义问题的求解类型:灯丝的加热,设计到的实际上是固体传热,同时,灯丝加热空气,因此也涉及到流体的传热现象,因此,在传热上,这是一个共轭传热的问题,我们在COMSOL中就要选择相应的固体和流体传热接口。
相应的,由于共轭传热导致的流体密度分布不均,在重力的作用下,就会造成自然对流现象,为了对流体进行计算,我们需要选用层流物理场接口:
以上两个物理场,在一般的流体仿真中,可以看作一个带固体热源的流体的自然对流问题,在其他软件中的设置和求解也非常方便。
但是,在这里有另外一个物理场,则是一般的仿真中较难耦合的,即热辐射的物理场,在这个案例中,包含有灯泡内部表面对表面的热辐射,以及灯泡外表面对环境的热辐射。
在完成上述物理场的选择后,接下来要做的就是对相应的边界添加边界条件,在这里各个物理场的边界条件如何在截图中已经有了概述,具体可以查阅相关实验数据进行设置。
接下来的步骤,也就是COMSOL的特色,即对多物理场的耦合。首先由于固体和流体传热会是流体,也就是灯泡中的氩气密度造成变化,此处,我们假设氩气的密度遵循理想气体方程,即:
其中M是摩尔质量,p是压强,R是通用气体常数,T为温度。相应的,要将材料中的氩气的密度的值改为:
在这个表达式中,Mw_a是氩气的摩尔质量,R_const是通用气体常数,T为氩气温度,ht.pA则是在传热物理场(ht)中氩气的压强。事实上在这一步中,即已经完成了温度对流体流动的耦合,而温度则受到传热物理场的影响,这一步的实现,则要使用COMSOL的多物理场接口,在这里,我们选用非等温流动多物理场,如下图:
由于已经进行了氩气材料特性的设置,因此在材料属性中的指定密度和指定参考温度中,我们选择的是来自传热接口,在完成这一步设置之后,氩气的局部温度T才能与传热场中的T相同,传热场和流体场才实现了双向的耦合。
接下来就是对表面对表面辐射传热的耦合设置,在此处,我们需要了解的是表面对表面辐射对的前提是介质透明,因此氩气在此处被视为透明介质,而灯泡的玻璃对热辐射可视为不透明的,以及灯泡外部环境可视为黑体,因此表面对表面辐射仅存在与灯泡内部,而玻璃外表面则是漫反射表面,不过其热的来源同样来自传热物理场,因此,我们的表面对表面多物理场耦合设置即作用域最终如下图:
接下来,则是进行网格的划分,在这里我们直接使用COMSOL自带的网格划分功能。
之后就是要我们进行求解的设置,由于我们需要考察温度随时间的变化情况,因此在这里我们选择瞬态,完成设置后,直接开始进行求解,求解完成之后,我们即可以进行相应的后处理,得到相应的:
温度的等值线分布:
灯泡内流速随时间的变化:
以及温度随时间的变化图
从图中我们不难看出,在灯泡点亮5分钟之后,其内部温度趋于稳定,维持在约585K位置。
另外,我们也可以得到灯泡在不同位置处的尽热通量幅值,来完善灯泡的外形以及灯丝的高度位置。
4月3日上午,记者从湖北省政府新闻办举行的记者见面会上获悉,公安部决定追授武汉市公安局江汉区分局汉兴街汉兴派出所原副所长邱建军为全国“公安楷模”。据了解,邱建军从警30年来,始终扎根公安基层一线,无论岗位如何变化,他不忘初心、拼搏奉献,取得突出业绩,受到群众赞誉。2024年6月1日凌晨,在处置一起持
2025-04-03 11:44:00源京保险柜团队由一群经验丰富、技术精湛的专业技师组成,他们不仅精通各类保险柜的内部结构与解锁技术,更对市面上主流及部分特殊型号产品的维护维修了如指掌。面对技术日新月异的市场,我们不断学习的安全技术和维修方法,确保服务始终处于行业前沿。源京保险柜24小时售后服务热线是:400-883-2086
2025-04-03 11:40:56罗森保险柜全国售后服务电话:400-883-2086 400-883-2086 (温馨提示:即可拨打) 罗森保险柜各市区24小时售后客服热线〔2〕400-883-2086 400-883-2086 7天24小时人工电话400-883-2086
2025-04-03 11:30:46中新网武汉4月3日电 (姚威)据中国铁路武汉局集团有限公司3日消息,新建沪渝蓉高铁武汉至宜昌段(以下简称“沿江高铁武宜段”)静态验收当日正式启动,标志着该项目距离今年具备开通条件迈出重要一步。图为新建沪渝蓉高铁武汉至宜昌段示意图。 中国铁路武汉局集团有限公司供图静态验收是对新建高铁项目按设计完成且质
2025-04-03 11:26:00智鹰牌保险柜24小时售后服务电话:400-883-2086智鹰牌保险柜全国统一客服维修热线:400-883-2086我们是智鹰牌保险柜维修行业的专业团队,提供优质的智鹰牌保险柜维修服务。我们了解智鹰牌保险柜在家庭生活中的重要性,因此,我们承诺提供高效、快速、专业的维修服务,让您的智鹰牌保
2025-04-03 11:20:52为进一步提升教师的教学水平,促进教师间的交流与学习,近日,新泰市羊流镇羊祜实验小学举办了语文、数学、英语三科的教学论坛。本次论坛围绕课堂教学中的关键问题进行深入探讨,旨在帮助教师提升课堂管理、教学互动和课堂效率等方面的能力。各年级语文教研组长以“灵动对话·思维生长——小学语文课堂互动技巧研讨活动”
2025-04-03 11:13:00近年来,境外间谍情报机关处心积虑,发展运用本国在华人员,大肆开展间谍情报活动,持续窃取我国国家秘密,严重威胁我国国家安全。近日,国家安全机关经缜密侦查,成功摧毁菲律宾间谍情报机关在华布建的某情报网络,依法拘捕三名涉嫌在我国境内从事间谍活动的菲律宾籍人员。日前,国家安全机关侦查发现,有外籍人员抵近我军
2025-04-03 11:11:00来源:新浪证券-红岸工作室4月3日,振邦智能盘中下跌2.01%,截至11:01,报47.78元/股,成交1.42亿元,换手率5.41%,总市值53.43亿元。资金流向方面,主力资金净流出317.53万元,特大单买入130.30万元,占比0.92%,卖出267.57万元,占比1.88%;大单买入219
2025-04-03 11:10:00