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。
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