COMSOL Multiphysics模拟流体动力学邮箱的晃动
COMSOL Multiphysics
COMSOL Multi-physics有限元法多物理场建模与分析COMSOL Multiphysics为COMSOL公司其旗舰产品。
COMSOL Multiphysics 起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox 1.0。
后来改名为Femlab 1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab3.1。
COMSOL公司是全球多物理场建模与仿真解决方案的提倡者和领导者，使工程师和科学家们可以通过模拟，赋予设计理念以生命。
它有无与伦比的能力，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。
COMSOL的用户利用它提高了手机的接收性能，利用它改进医疗设备的性能并提供更准确的诊断，利用它使汽车和飞机变得更加安全和节能，利用它寻找新能源，利用它探索宇宙，甚至利用它去培养下一代的科学家。
从3.2a的版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics，因为COMSOL 公司除了Femlab外又推出了COMSOL Script和COMSOL Reaction Engineering 等一系列相关软件。
这两款软件也相当于Femlab的工具箱，也是为了满足科研人员更高的要求。
如在COMSOL Script中，你可以自己编程得到自己想要的模型并求解；你也可以通过编程在COMSOL Multiphysics基础上开发新的适用本专业的软件，也就是一个二次开发工具。
所以COMSOL只是个公司名，软件名应该是COMSOL Multiphysics，但由于现在大家都习惯了，也就不再计较这些了。
Multiphysics翻译为多物理场，因此这个软件的优势就在于多物理场耦合方面。
多物理场的本质就是偏微分方程组（PDEs），所以只要是可以用偏微分方程组描述的物理现像，COMSOL Multiphysics都能够很好的计算、模拟、仿真。
2006年COMSOL Multiphysics再次被NASA技术杂志选为"本年度最佳上榜产品"，NASA技术杂志主编点评到，"当选为 NASA科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics是对工程领域最有价值和意义的产品。
油箱晃动噪声分析
燃油箱晃动噪声分析一、简介车辆在行驶过程中，受不平路面颠簸的影响，或者车辆突然加速或减速会引起油箱中的燃油晃动。
液体运动撞击油箱壳体，导致其振动和向油箱周围辐射声能，从而引起咣咣的噪音（sloshing noise）。
使用MSC Dytran，Nastran和Actran软件可以有效地模拟这种工况，为油箱的优化设计提供指导和建议。
二、分析流程三、计算过程和结果1)油液的晃动分析使用Dytran模拟油液在油箱中的晃动，得到油箱表面随时间变化的压力结果，作为后续Nastran进行油箱振动分析的输入。
计算模型信息如下：•Tank Model–Rigid–Element 11833 ,Node 11334•Fuel–Volume coefficient of elasticity 2.2e-5 GPa,–Density 1e-6 kg/mm3–Element 91264 ,Node 98280计算结果如下图所示。
其中粉色部分数据是输出给Nastran计算。
Pressure2)油箱振动分析将Dytran计算生成的油液压力作为Nastran动响应输入，进行油箱的瞬态响应计算。
计算模型信息如下：–Tank•Element 5139 ,Node 4955•Young Modulus 10.0GPa•Damping Ratio 0.01–Fuel•Virtual Mass–Calculation Condition•Time Domain (1msec, 600Steps)约束和载荷施加位置如下图。
下图显示不同燃油容积的状态。
3)油箱的辐射噪声分析使用Actran进行辐射噪声计算，输入就是Nastran瞬态响应的计算结果。
声学模型的计算条件如下：–M esh size designed for 800Hz–M icrophones at 3 Points（见下图）–T ime Step = 1ms; 600 steps计算结果如下。
COMSOL_CFD_流体分析技术介绍
• 内建摩擦系数相关效应
– 自动适配层流或湍流模型 – 牛顿或非牛顿流体 （含Bingham plastic流动） – 支持多种管道截面 – 内建多种配件、阀门、泵的模型可供选择
• 管道与3D结构耦合
Cooling of a plastic mold of a steering wheel – including pipe flow in cooling channels.
Startup of a fluidized bed modeled using the Euler-Euler Model Interface
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
分离流动
• 精确追踪相界面
– 气泡或者液滴的形成、摇晃的水槽 – 油／水／气混合分离流动
• 流体微团 • 分子自由程<<流体微团尺度<<特征尺度 • N-S方程
– 连续性方程（质量守恒） – 运动方程
– 本构方程
• 牛顿流 • 非牛顿流（幂律定律、卡拉雷定律）
典型不满足连续介质假设 • 稀薄气体 • 高超飞行器
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CFD模块的单相流动
仿 真 智 领 创 新
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单相流－层流
• 层流
– 可用于不可压缩或者可压缩流体 – 流体马赫数小于等于0.3
• 非牛顿流体
– – – – 幂律定律（Power law） 卡拉雷定律（Carreau） 支持用户完全自定义本构 流体黏度具有记忆性 • 通用Maxwell • Oldroyd-B model
COMSOLMultiphysics化学反应工程模块介绍
COMSOLMultiphysics化学反应⼯程模块介绍COMSOL Multiphysics 化学反应⼯程模块介绍化学反应⼯程模块是为了研究包含了物质和能量运移的反应系统⽽量⾝定做的。
从空间独⽴模型开始，模块中有专门的⼯具，⽤于实验室和台架规模典型控制条件下的动⼒学研究。
为了对实际操作条件进⾏模拟，模型中考虑了空间变量对于化学物质成分和温度的影响。
该模块⾯可⽤于包括分析仪器⽤传感器的设计、汽车尾⽓催化剂和过滤器系统的设计、消费品的研发和⽣产⼯业设计、以及精细和特种化学品、药品、和散装化学品的处理等领域。
在COMSOL Multiphysics V4.0a中，化⼯模块和反应⼯程实验室已经被化学反应⼯程模块所替代。
应⽤领域：分析化学和法医学间歇式反应器，发酵槽和结晶器⽣物化学和⾷品科学催化燃烧及其改良化学反应器尺⼨及其优化⾊谱和电泳腐蚀旋流器，分离器，洗涤器和沥滤装置环境和⼤⽓化学废⽓后处理和排放操纵装置过滤和沉降燃料电池和电池组热交换器和混合器均匀和⾮均匀两相流-乳状液，悬浮液，⽓泡柱和喷射均匀和⾮均匀催化⼯业化学与技术化学反应器中的动⼒学模型材料与固态化学微流和芯⽚实验室设备多组分传递和膜传递填充床反应器⽯油化⼯和催化裂解药物合成活塞流和管状反应器聚合过程和⾮⽜顿流体动⼒学聚合动⼒学和制造预燃室和内燃机催化重整转化器半导体制造和CVD表⾯化学动⼒学和吸收搅拌器：对两种不同的溶液进⾏混合燃料电池堆：燃料电池堆流道中的压⼒分布和速度场模拟流体流经微通道的流线和浓度分布，流体包含受交流电场影响的电解质燃料电池：氧⽓和燃料的浓度分布情况模拟多相流模拟：⽓泡从充满⽔的反应器的底部进⼊污⽔处理装置⾷品⼯程：热敏感物质的冷冻⼲燥过程模拟。
COMSOL_Multiphysics(FEMLAB)简介
一、简介
COMSOL Multiphysics（原FEMLAB）是一个专业有限 元数值分析软件包，是对基于偏微分方程的多物理场模 型进行建模和仿真计算的交互式开发环境系统。它为所 有科学和工程领域内物理过程的建模和仿真提供了一种 崭新的技术！
二维应用： •平面应力； •平面应变； •厚板分析； •轴对称； •欧拉梁；
三维分析： •固体； •欧拉梁；
•壳体；
在所有这些分析中，用户可以直接输入材料性质，也可以通过内嵌材料 库方便快捷地调用它们。同时，定义正交各向异性和完全各向异性材料 性质也是相当方便的。材料的性质可以是任意空间、时间或者其它变量 的函数。
结构力学模块的新特征：
¾塑性和非线性材料模型 ¾正交各向异性和完全各向异性材料 ¾粘弹性、粘塑性和类橡胶材料的大变形分析 ¾不同材料的局部坐标系统 ¾考虑模型初始应力和应变的模型 ¾多物理场中塑性求解运算和非线性材料模型
2. 热传模块
COMSOL Multiphysics的热传模块能解决的问题包括传导、辐射和对 流的任意组合。建模界面的种类包括面－面辐射、非等温流动、活性组 织内的热传导、以及薄层和壳中的热传导等。
3. 地球科学模块
COMSOL Multiphysics的地球科学模块包含了大量针对地下水流的简 易模型界面。这些界面允许快速、便捷地使用描述多孔介质流体的 Richards方程、Darcy定律、Darcy定律的Brinkman扩展，以及自由 流体中的Navier-Stokes方程。此外，该模块还处理了多孔介质中的热 量传输和溶质反应，模型库中几乎囊括了从多孔介质中油和气体的流动 到地下水流中的分布。
对于非均匀材料系统的热传导和对流问题可计算有效性质的材料表格作为放射性热源刻画等温线的界面可以添加热量耗散的选项其结果来自于孔内的流速和固体岔路的流体分叉对于开放式系统和多孔介质中流体流动的分析对于不同饱和程度的多孔介质使用已知的分析公式对实验数据进行差值并输入任意表达式以估测非线性的保持力和渗透性对于可流动和不可流动区域介质内流体建模的辅助系数例如化学传输性质的边边输入从计算结果中评估溶质的运动可预定以水动力耗散张量描述流量边界条件在点和边上设定时间控制的约束条件和流量从环境流体分析到石油工程研究领域的案例模型在comsolmultiphysics中问题的函数化包括非限制的多物理场耦合控制方程和定义材料属性的表达式
COMSOL Multiphysics CFD模块介绍
COMSOL Multiphysics CFD模块介绍
计算流体力学(CFD)模块是COMSOL产品套件中对于复杂流体模拟的首选工具。
利用先进的湍流模型我们可以仿真可压缩流体和不可压缩流体的自然对流或强迫对流。
CFD模块的一个重要特性便是它能够精确地模拟多物理场流，比如非等温流的共轭热传，流构耦合，伴有粘性加热的非牛顿流，和粘度伴随浓度变化的流体。
多孔介质流接口能够实现各向同性，各向异性介质，以及自动结合自由流和多孔区域的模拟。
此外还可以实现对搅拌容器的旋转构件的二维和三维流体模拟。
针对均质两相流的模块接口包括了一个由细悬浮颗粒流和宏观尺寸气泡流的泡状流组成的混合模型。
对于跟踪两相流界面，我们提供了水平集和相场两种解决方法。
CFD模块中有针对先进传输和反应流体模拟提供了结合化学反应工程模块时自动扩展的工具。
对于流构耦合，可以利用结合结构力学模块和CFD模块来解决弹性固液耦合，以及流润滑和流体弹性力学。
应用领域：
•共轭传热
•旋风分离器,过滤器和分离装置
•电子冷却
•风扇，格栅和泵
•车辆和结构的外部绕流
•管道，阀门，接口和喷嘴内的流体
•流化床和喷剂
•流构耦合(FSI)
•气泡流
•热交换和散热凸缘
•润滑和流体弹性力学
•医药/生物物理应用，如血管血流问题
•混合器和搅拌容器
•非等温流
•非牛顿流
•聚合物流和粘弹性流
•多孔介质流
•沉淀，乳液和悬浮液
•湍流。
【多相流计算】06：油箱晃动
【多相流计算】06：油箱晃动本案例演示利用Fluent中的VOF模型仿真计算密闭油箱晃动过程中的自由液面问题。
1案例描述汽车在颠簸的道路上行驶时，在变加速度作用下，可能会导致油箱内液面晃动。
当晃动极为剧烈时，甚至会造成油泵无法吸取燃油，因此需要利用CFD研究油箱在晃动过程中液面分布情况。
为简化计算，本案例采用2D模型，3D模型的仿真思路及设置过程与此完全相同。
计算域几何如图所示。
对于油箱晃动过程，在Fluent中有两种方式进行解决：•指定加速度。
Fluent中可以指定流体运动加速度，并将加速度以体积力的形式施加到计算域中的流体上。
然而Fluent并没有提供变加速度的直接添加，若要计算变加速度情况，则需要手工分段计算。
•指定计算域速度。
将加速度或位移数据转化为速度添加到计算域上。
可以通过DEFINE_ZONE_MOTION宏或PROFILE文件的方式进行指定。
此方式要比加速度方式更加灵活。
本案例假设计算区域的运动速度为：2模型及网格案例模型极为简单，在SCDM中创建0.6x0.3m的矩形平面，采用网格尺寸0.003m，在ICEM CFD中生成网格，共生成20000个四边形网格。
3准备UDF利用UDF宏DEFINE_ZONE_MOTION指定区域运动。
该UDF宏可以以编译或解释的方式加载。
4Fluent设置•以2D、Double Precision方式启动Fluent，导入网格文件4.1 General设置•双击模型树节点General，右侧面板激活选项Transient及Gravity，设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s24.2 Models设置•鼠标双击模型树节点Models > Multiphase，弹出的对话框中激活选项Volume of Fluid•激活选项Implicit Body Force，其他参数设置如下图所示•右键选择模型树节点Models > Viscous，点击弹出菜单项Model → Realizable k-epsilon激活湍流模型4.3 Materials设置添加材料water-liquid，采用默认材料参数。
COMSOL Multiphysics 微流模块介绍
COMSOL Multiphysics 微流模块介绍
微流模块是研究微流体设备和稀薄气体流动的简单易用的工具。
该模块有很多重要的仿真应用，比如芯片实验室设备，数字化微流体，电动和磁动设备，喷墨打印机，以及真空系统等模拟。
除了拥有单向流的强化接口，微流体模块的用户还将有采用水平集，相场和移动网格法的两相流专用接口。
每个接口都可用于计算表面张力，毛细作用和马兰哥尼效应。
COMSOL的通用多物理特性使其对于电动和磁动的耦合模拟设置更加简便，包括了电泳，磁泳，介电泳，电渗和电湿润等模拟。
对于芯片实验室设备的过程模拟，也能通过模块中的稀物质接口来实现其化学扩散和反应。
而对于稀薄气体流，你能使用特殊的边界条件来激活滑移流区域中的流体模拟。
此外，我们还加入了一个全新的使用快速角系数法的自由分子流接口来模拟当分子平均自由程远大于几何尺寸的情况。
配合COMSOL为工业标准CAD软件包设计的LiveLink接口，这个工具对于真空系统的设计是极其有价值的，特别是能够实现对于泵腔几何和配置的快速参数化计算。
应用领域：
•毛细力
•化学和生化传感器
•介电泳(DEP)
•DNA芯片和芯片实验室
•电凝聚
•电动流
•电渗
•电泳
•电湿润
•流固耦合(FSI)*
•喷墨打印机
•磁泳
•马兰哥尼效应
•微反应器，微泵，微混合器•分子流
•多孔介质流
•稀薄气体流
•静态混合器
•表面张力效应
•两相流
•真空系统。
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模型几何、控制方程及边界条件
本模型使用不可压缩Navier-Stokes方程式 来描述流体动力特性：
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模型数据
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在 t = 1 s, t = 1.2 s, t = 1.4 s, t = 1.6 s 时的速度 场分布情 况。重力 矢量的倾 斜是由油 箱的倾斜 引起的。
分析结果
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模型背景
本案例模型表明COMSOL Multiphysics 软件可以借助移动网格技术 来仿真动态自由表面流动。模型使用不可压缩Navier-Stokes方程来模 拟液体的流动。矩形油箱内的液体（甘油）原本处于静止状态。运动 由来回摆动的重力矢量来驱动，重力矢量的最大摆动角度为4°。
由于液体的表面没有约束，该模型为一个不规范的计算问题。然而， ALE (arbitrary Lagrangian-Eulerian)技术可以很好的解决这类问题。 不仅仅是可以方便的在COMSOL Multiphysics中建立移动网格（ALE） 应用模式，而且在移动网格求解域边界，它代表了自由的边界条件。 这也允许更加精确的估计边界特性，比如曲率，也使得表面张量分析 成为可能。本实例忽略了表面张量的影响。
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分析结果
• 在X=0.5m处，时间段t ∈ [0, 6 s]的波峰高度。
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COMSOL Multiphysics流体动
力学模型：油箱的晃动
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移动网格
为了能够用动网格来跟随模拟 运动的流体，必须将移动网格 耦合到流体表面的法线上去。 结果是，对于这种自由表面运 动，不能将移动网格耦合到流 体运动的切线方向。如果这样 做，网格会变形过度从而导致 问题不再收敛。自由表面的网 格等式边界条件在这种情况下 可写为
其中 其中 n 表示边界的法向矢量，(xt, yt)T 表示 网格的移动速度