流体 & 传热 博客文章
采用声悬浮技术精准制药
制造药品时需要无污染的空间，因此科学家尝试了许多创新的方法来改进相关工艺。在阿贡国家实验室（Argonne National Lab），曾希望能够创建一种可以在稀薄空气中漂浮和旋转化学化合物的设备并予以实现。这种设备可以非常精确地控制所需的每种化学药品的量，并将外部杂质破坏结果的风险降到最低。 声音如何举升物体 阿贡国家实验室（Argonne）的研究人员使用多物理场仿真和试错原型制作来提升声学悬浮装置的效率。当我们需要移动对象时，声音可能不是我们通常可以采用的工具。那么，如何利用声音在实验室环境中使物体漂浮或悬浮？答案在于以正确的方式组合力即可产生提升力。 当声音振动通过空气等介质传播时，所产生的压缩是可测且真实的。通过组合声泳力、重力和阻力等压力，不仅足以提升液体药物之类的材料，而且还可以根据操作员的需要对药物进行定位、旋转和移动。 声学悬浮器的换能器之间的波所产生的压力袋会在粒子尺度上产生较大的提升力。 结晶之前旋转药滴 通过使液滴保持稳定旋转，在药物保持液态和无定形状态下，研究人员能够使其进行化学反应。这是创造一个安全、稳定的环境使药物正确合成的关键所在。 声学悬浮装置的几何建模 声学悬浮装置中的每种材料和尺寸都会影响该设备，包括是否按照最终设计进行正常工作，以及是否能根据使用它的科学家的需求进行精细调整。 该设备的几何形状包括两个小型压电传感器，它们像喇叭一样竖立在产生药物的工作区域的上方和下方，如下图所示。 声学悬浮器的波型由位于平坦相对的换能器上的高斯形状泡沫控制。 设计中最重要的部分可能是由聚苯乙烯制成，并覆盖每个换能器端部的高斯形状的泡沫，这种泡沫可以消除所需范围之外的声波，能作为滤波器来维持均匀、明确的驻波。 Argonne的团队耦合使用了COMSOL Multiphysics® 中的“声学模块”、“ CFD模块”和“粒子追踪模块”对声学悬浮器进行了建模。通过仿真，他们能够缩小声场的形状和浮动液滴的位置。 上图仿真结果显示，在T = 0.75秒时，颗粒形成了液滴。左侧显示了仿真中预期的粒子分布，右侧显示了液滴的实际分布的照片。 使用声学悬浮装置生产更安全、更精确的药物 声悬浮技术的发展以及能控制越来越精细的化学反应的能力，使药物科学界的成员扩展了其研究领域，未来也许会发现更多能够挽救生命的新药。 扩展阅读 了解有关通过声悬浮技术实现飘浮更多信息。
风力涡轮机引起的海洋变化
将风力涡轮机放在海上的一个好处是什么？不能被听到它们的噪声! 还有更好方法吗？近海的大风发生得更有规律，使能源生产更有效!
电气设备的对流冷却仿真
在集群计算的帮助下，我们与 BLOCK transformoren 一起对电感器件的对流冷却进行了建模，以获得最佳性能。
马格努斯效应和世界杯比赛用球
贝克汉姆和马拉多纳用球鞋内侧踢出的弧线，以及埃德尔、内林霍，罗伯托·卡洛斯用球鞋外侧踢出的弧线，都是马格努斯效应 的结果。该效应以其发现者科学家马格努斯命名，在 19 世纪 50 年代，马格努斯首次在实验室中观察到了这种现象。马格努斯效应解释了同时旋转和前进的球所受到的侧向力。这里，我们用它来分析 FIFA 世界杯比赛用球。
变形固体中的传热仿真
在之前的文章中，我们介绍了一些涉及静止固体耦合传热的应用。这些静止固体传热示例对将要求解的传热方程进行了简化处理，并且通常可以得到求解温度场的精确近似。当涉及传热和固体力学的多物理场耦合时，如何描述用于解释材料热弹性效应的相关物理场？
地热能：利用地热实现冬暖夏凉
利用地热调节室内温度具有成本低、可持续使用的特点。本文为地热能系列的第三篇博客文章，我们将详细探讨埋管集热器。由于对埋管集热器的热性能已做了准确预测，并且考虑了管道布置与局部热性质，因此“管道流模块”非常适合模拟这种集热器。
传热与地下多孔介质流的耦合仿真
本文是地热能系列博客的第二篇，将重点探讨传热与地下水流耦合的过程，并据此确定地下储藏的热量是否足够多，是否值得开采以获得地热能。文中，我们将通过一个地下水换热回灌系统示例模型演示这一耦合过程。
COMSOL Multiphysics 能够求解什么类型的流-固耦合问题?
经常有人问我：“COMSOL Multiphysics 能够求解流-固耦合(FSI)问题吗？”答案当然是肯定的。接下来，我将介绍几种求解流-固耦合问题的方法，以及分析这些不同问题所需要的 COMSOL 产品模块。 各种类型的流-固耦合模拟 广义上讲，只要您的模拟过程涉及计算流体中的速度和（或）压力场，以及与流体相互作用的固体材料中的应力和应变，您就是在求解流-固耦合(FSI)模型。 圆柱绕流 在模拟流-固耦合问题时，您可以进行各种假设，来降低模拟的复杂度并减小计算量。首先，我们来看一个使用 COMSOL Multiphysics 创建的最完整的流-固耦合模型：绕圆柱的流体流动。 切向流场中一个圆柱体尾流中的柔性物体变形。 圆柱体后方的流体尾流引起后方的突出物产生大幅振荡。求解这类模型需要解决三个问题。首先，在流体流动区域求解 纳维-斯托克斯方程。接着，计算固体位移。最后，求解流动域的网格变形，来考虑流体可以流经的变形区域。 对于这种非线性多物理场耦合，您可以使用MEMS 模块或者结构力学模块中的流-固耦合接口模拟。这类模拟可以在时域中求解，也可以看作稳态（定常）问题求解。 上述示例考虑了固体材料中应力和应变之间的线性关系。如果想模拟具有非线性应力-应变关系的材料，例如通常用于描述橡胶和聚合物的超弹性材料，还需要使用非线性结构材料模块。 蠕动泵:一种利用滚轮在软管上滚动来推动流体流动的泵。 图片来源：Veryst Engineering。 单向流-固耦合 另一方面，您可能提前知道结构位移相对较小，但应力可能很大。对于这种情况，您仍然可以使用 流-固耦合 接口，但也可以使用 单向耦合 求解器计算流动解，并在结构上施加流体载荷。这样，就可以避免计算网格的变形。 我们也可以完全不使用流-固耦合接口，重新考虑这类单向耦合 FSI 问题。铝挤出工艺中的流-固耦合案例模型就介绍了这种处理方法。此外，如果您正在求解非常高速的流动问题，并且对流动中的短时间尺度紊乱振荡不感兴趣，那么您可以将湍流流动模型作为流-固耦合模型的一部分。CFD 模块和传热模块中都包含适用于不同流态的各种湍流模型。 周期性流场中的太阳能电池板模型：计算了太阳能电池板周围的湍流气流和由此产生的结构应力。 流体中的结构振动 如果提前知道正在模拟的是流体中的振动结构，那么通常可以假设结构位移相对较小。因此，周围流体中任何诱发的体运动都可以忽略。但是，由于结构在振动，流体将产生压力波，从而产生声辐射。我们可以通过 COMSOL 软件声学模块提供的声-结构相互作用 接口来求解这类问题。 这些接口假定物体位移的变化相对较小，因此不会引起流体产生明显的体运动，只会引起流体压力场的变化。可以在时域中求解这类问题，也可以假设位移和压力随时间正弦变化。这样，我们就能够在频域中模拟，耗费较小的计算量。在模拟分析过程中，还可包括由于流体黏度和材料阻尼引起的体损耗。 扬声器辐射的声压级。 此外，还可以进一步求解热声-固耦合问题，它求解得是纳维-斯托克斯方程的线性频域形式，还可以考虑显式模拟的热和黏性边界层中的损耗。虽然这比声-固耦合问题的计算成本更高，但仍然比求解完整的流固耦合问题更高效。 振动微镜: 振动微镜的应力和位移以及周围空气的速度分布。 多孔弹性介质 声学模块中的 多孔弹性波 接口还可以模拟波在多孔介质（如潮湿的土壤、生物组织和减震泡沫等）中的传播。这个接口可以同时求解结构位移和固体孔隙中流体的压力。例如，计算声波在水-沉积物界面的声反射。 如果您对模拟多孔弹性介质感兴趣，但需要在稳态或时域中而不是在频域求解，那么你需要使用地下水流模块。该模块可以模拟土壤和其他多孔介质中稳态或瞬态压力驱动的流动和静应力，还包含一个 多孔弹性 接口，用于模拟稳态和瞬态状态下多孔弹性流体和结构的相互作用。 开孔分支井模型: 绘制了土壤中的应力和多孔弹性域中的流体速度。 薄层流体和管道流 上述所有方法都显明确模拟了流体的体积，并求解了这些体积中的速度和（或）压力。在流体层相对较薄的情况下（例如在流体动力轴承中），完全可以不采用整个流体的体积模型，而只求解雷诺方程，获得流体薄膜中的压力。 这种方法只求解沿域边界的流体流动。CFD 模块和MEMS 模块都内置了这个接口。我们甚至可以更进一步，只求解沿一条线的流体流动。换句话说，可以使用管道流模块求解沿管道的流动。 对于同时考虑求解沿管道长度的压力变化和管壁弹性影响的模型，请查看这个求解水锤方程的案例模型。 可倾瓦推力轴承:润滑层中的压力场和可倾瓦推力轴承的变形。 进一步简化计算 您可能已经发现，我们是从最复杂的示例开始，逐步探讨如何简化计算，尤其是流体流场的计算。现在，考虑一种极端的情况，即流体完全不移动但确实对结构施加了一个静水压力载荷的示例。 核心功能 对于这种情况，我们可以利用 COMSOL Multiphysics 的核心功能：用户自定义方程、组件耦合算子和全局方程来解决。这些功能允许在模型中引入任意方程，来表示如流体压力等任何变量。正如我们在上一篇博客中所介绍的，您也可以在变形的封闭腔中考虑可压缩和不可压缩流体的影响，以及由此产生的静水压力。 搅拌器模块 我们已经介绍了简化流体流动问题和计算应力的各种方法，接下来，我们考虑已知固体刚体运动的情况下，如何模拟流体运动。对于这种问题，我们可以通过搅拌器模块来求解，即求解搅拌器和搅拌容器的问题。 在这些问题中，固体结构的运动完全由旋转定义，然后再计算流体的运动情况。如果假设固体发生线性弹性变形，还可以计算运动固体中的应力分布。这可以通过单向耦合来解决，即先求解由搅拌器搅拌引起的流体流动，然后在结构变形较小的假设下计算应力。 搅拌器中的流场。 结语 如您所见，COMSOL Multiphysics 能够处理各种类型的流-固耦合模拟问题。如果您对文中的内容感兴趣，或者文中介绍的内容没有涉及您所关注的问题，请联系我们。