液面的案例
COMSOL 軟件建模教程：如何模擬自由液面 (二)
此外，COMSOL Multiphysics 中的動(dòng)網(wǎng)格方程無(wú)法處理自由液面的拓?fù)渥兓热缙扑椴ā?在某種程度上，相比于水平集和相場(chǎng)法，利用動(dòng)網(wǎng)格方法為自由液面建模顯得更加簡(jiǎn)單干脆，因?yàn)槿缜拔乃觯覀兛梢灾苯訉⒈砻鎻埩捌渌砻媪τ米鬟吔鐥l件。不求解自由液面上方空氣域內(nèi)的流體流動(dòng)有利于大大提高計(jì)算速度，因?yàn)榧{維-斯托克斯系統(tǒng)的自由度數(shù)量幾乎減少到基于場(chǎng)的方法的一半。在這種情況下，我們之所以忽略空氣域的影響，是因?yàn)樗涂諝獾拿芏扰c動(dòng)力粘度比值很大。所造成的差異將在下一節(jié)中詳述。
比較動(dòng)網(wǎng)格與相場(chǎng)法的結(jié)果
下圖比較了分別使用動(dòng)網(wǎng)格與相場(chǎng)法計(jì)算的自由液面。我們可以看到兩種方法的結(jié)果非常一致，自由液面的形狀和速度場(chǎng)的流線都很相似。
不過(guò)模型并非完全相同。在相場(chǎng)法的案例中，自由液面上方的空氣域在液面上產(chǎn)生了微小的阻尼效應(yīng)，而動(dòng)網(wǎng)格案例中不存在空氣域，并且液面只“看見(jiàn)”流體表面上氣壓恒定不變。換句話說(shuō)，動(dòng)網(wǎng)格案例中的自由液面不必移動(dòng)空氣，并且可以利用這種能量使水波更高，表面波動(dòng)更大。
使用兩相流動(dòng)網(wǎng)格接口（左）和相場(chǎng)方法（右）計(jì)算得到的不同時(shí)間下的自由液面形狀和速度場(chǎng)。
下方動(dòng)畫(huà)展示了利用動(dòng)網(wǎng)格方法求得的動(dòng)態(tài)自由液面，我們可以將它與上一篇中只用相場(chǎng)法生成的動(dòng)畫(huà)作比較。可以清晰地看到，與相場(chǎng)動(dòng)畫(huà)相比，自由液面的波動(dòng)幅度更大，反應(yīng)也更快。這可能是因?yàn)閯?dòng)網(wǎng)格中沒(méi)有空氣域，而水平集和相場(chǎng)方法中的空氣域會(huì)阻礙自由液面運(yùn)動(dòng)。
利用動(dòng)網(wǎng)格方法獲得的自由液面動(dòng)畫(huà)。
我們還可以將默認(rèn)的自由液面動(dòng)網(wǎng)格功能與兩相流動(dòng)網(wǎng)格 接口進(jìn)行比較，后者能夠分析液相和氣相的流場(chǎng)。可以看到，不管是包含兩相的動(dòng)網(wǎng)格，還是相場(chǎng)法，流場(chǎng)和速度矢量的大小都非常相似。對(duì)于三種情況（動(dòng)網(wǎng)格、相場(chǎng)及包含兩相的動(dòng)網(wǎng)格），自由液面的形狀均相似，但是在此例中，兩個(gè)動(dòng)網(wǎng)格案例所對(duì)應(yīng)的形狀更加相似。
展開(kāi) COMSOL 軟件建模教程：如何模擬自由液面 (一)
自由液面建模
通過(guò)下圖中的示例問(wèn)題，我們將演示如何在 COMSOL Multiphysics 中利用水平集和相場(chǎng)法進(jìn)行自由液面建模。
實(shí)心條一半浸沒(méi)在小型管道內(nèi)的水中。沿與水面相切的方向來(lái)回移動(dòng)實(shí)心條，使水面產(chǎn)生柔和的波浪。為了保持層流狀態(tài)，管道和實(shí)心條的尺寸必須足夠小。
示例問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)和定義。
在此例中，我們利用動(dòng)網(wǎng)格功能指定小方形條在水面上反復(fù)運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，在水平集和相場(chǎng)法中，網(wǎng)格不會(huì)隨液體表面移動(dòng)。
下面是關(guān)于在 COMSOL Multiphysics 中創(chuàng)建模型的幾點(diǎn)備注：
添加重力作為動(dòng)量方程的源
添加參考?jí)毫蛪毫s束點(diǎn)
為了方便比較結(jié)果，對(duì)壁應(yīng)用 Navier 滑移條件，并使滑移長(zhǎng)度等于單元長(zhǎng)度
水平集與相場(chǎng)法的仿真結(jié)果
下方的結(jié)果圖顯示了 0.07 秒、0.57 秒和 1.0秒的流場(chǎng)和水面形狀。兩種方法在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的流線和水面形狀均大致相同。最大速度和水面高度稍有差異，原因可能在于兩種方法處理表面張力的不同方式。
再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，流線也出現(xiàn)了差別，例如 t = 1.0 s 秒時(shí)的回流區(qū)。通過(guò)相場(chǎng)法得到的液面相對(duì)更加平靜。水平集方法利用基于水平集函數(shù)的梯度獲得的表面曲率來(lái)計(jì)算表面張力。所以，與相場(chǎng)法中更加平滑的力相比，水平集方法得到的表面力更“尖銳”。
從上至下依次為：0.07 秒、0.57 秒和 1.0 秒后水平集（左）和相場(chǎng)（右）方法得到的結(jié)果。
水平集和相場(chǎng)法還能計(jì)算自由液面上的空氣域流場(chǎng)。從圖片中可以看出，長(zhǎng)方形條的運(yùn)動(dòng)在整個(gè)相界面上方引起了持續(xù)顯著變化的流場(chǎng)。
利用相場(chǎng)法計(jì)算 0.57 秒后水域和空氣域內(nèi)的流場(chǎng)。
如果增強(qiáng)攪動(dòng)能使液面運(yùn)動(dòng)更劇烈，那么液面可能先破裂再合并，如下方動(dòng)畫(huà)所示。
展開(kāi) 蘇大張曉宏揭建勝&天大胡文平Materials Today：通道限制的彎液面自組裝法實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)有機(jī)半
傳統(tǒng)涂布法中彎液面的尺寸非常大，因此其前端會(huì)出現(xiàn)尺寸和取向不一致的成核點(diǎn)，這就造成了得到的陣列中晶體與晶體間取向和形貌不一致，表現(xiàn)為偏光顯微鏡中晶體的明暗差異。
(c) 通道限制的彎液面自組裝法的示意圖。圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)用微米尺度的光刻膠通道時(shí)，彎液面的尺寸減小為微米級(jí)而其前端只有百納米級(jí)，只能形成一個(gè)晶核，所以得到的晶體的取向和形貌就會(huì)變的一致。
(d) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果證實(shí)了微米尺度的光刻膠通道可以有效地減少?gòu)?em>液面前端的尺寸。
(e) 通道內(nèi)彎液面的顯微鏡照片及其示意圖。
(f) 求解Navier-Stokes方程得出彎液面中前端對(duì)流速度最大。表明前端會(huì)優(yōu)先聚集有機(jī)分子提前達(dá)到過(guò)飽和態(tài)，所以在此處優(yōu)先成核、結(jié)晶。
圖二：利用通道限制的彎液面自組裝法制備晶圓級(jí)有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列
(a) 晶圓級(jí)有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列生長(zhǎng)的示意圖。
(b) 2英寸晶圓上的有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列的實(shí)物照片。
(c) 晶圓上有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列的偏光顯微鏡照片。
(d) 有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列的SEM照片。
(e) 有機(jī)半導(dǎo)體單晶的AFM表征結(jié)果。
(f) 2英寸晶圓上的有機(jī)半導(dǎo)體單晶寬度和厚度的統(tǒng)計(jì)。
圖三：有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列晶體質(zhì)量的表征
(a-c) 有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列的同步輻射掠入射X射線衍射表征結(jié)果。
(d, e) 基底不同區(qū)域有機(jī)半導(dǎo)體單晶的TEM表征結(jié)果。
(f) 有機(jī)半導(dǎo)體單晶的高分辨AFM表征結(jié)果。
(g, h) 該方法得到的單晶晶胞結(jié)構(gòu)與大單晶結(jié)構(gòu)的對(duì)比。
展開(kāi) 聲學(xué)仿真專(zhuān)題2 | 矩形水箱液面晃蕩模態(tài)分析
本文使用聲學(xué)模塊求解水箱內(nèi)液面的晃蕩頻率。
1 建模
水箱內(nèi)有水，模型如下圖所示：
2
材料參數(shù)
水的密度和聲速如下圖所示：
3 網(wǎng)格劃分
有限元模型如下圖所示：
4 分析設(shè)置
液面晃蕩頻率分析的設(shè)置如下：
5 分析結(jié)果
液面延著長(zhǎng)邊晃蕩頻率結(jié)果如下：
6 對(duì)比理論解
根據(jù)前人的研究，液面晃蕩頻率計(jì)算公式如下：
根據(jù)水箱的幾何特征，公式計(jì)算結(jié)果如下：
驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確：
：在彎液面誘導(dǎo)成膜法制備全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池方面取得新進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院霍利軍教授團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種基于彎液面誘導(dǎo)成膜(Meniscus Assisted Coating)的光伏活性層制備技術(shù)，并選取了具有良好吸收光譜互補(bǔ)和電子能級(jí)匹配的聚合物給體PM6和聚合物受體PY-IT作為光活性層材料，所制備備的全聚合物太陽(yáng)能電池效率為15.53%，高于傳統(tǒng)旋涂法制備的14.58%。相關(guān)活性層形貌表征及瞬態(tài)吸收光譜動(dòng)力學(xué)分析表明，基于彎液面誘導(dǎo)成膜法制備的活性層具有更有序的分子堆積和更為良好的纖維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此具有更高效的電荷轉(zhuǎn)移和輸運(yùn)過(guò)程。
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合成膜過(guò)程中的三相接觸線的移動(dòng)和原位吸收光譜研究了不同溶液剪切速度條件下的三相接觸線形態(tài)和材料結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，在剪切速率為2 mm/s時(shí)，三相接觸線保持了平直均勻的移動(dòng)；且在該剪切速率下，活性層材料保持了較為合適的結(jié)晶速率和結(jié)晶性，從而獲得形貌上更均勻、具有更合適相分離尺寸和結(jié)晶性的活性層薄膜。
在此成膜機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將該彎液面誘導(dǎo)成膜法有效拓展至1×1 cm器件制備(PCE>12%)和多種活性層薄膜制備，在PM6:Y6、PBDB-T:PY-IT、PM6:PYF-T-o體系均取得了15%以上的器件效率。
圖1.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法的制備過(guò)程，活性層材料分子結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，單組分薄膜結(jié)晶性表征。
圖2.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法和旋涂法制備的全聚合物太陽(yáng)能電池的器件性能及瞬態(tài)吸收光譜表征。
展開(kāi) 聲學(xué)仿真專(zhuān)題 | 圓柱水箱液面晃蕩模態(tài)分析
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本文使用聲學(xué)模塊求解圓柱水箱內(nèi)液面的晃蕩頻率，水箱安置在鋼結(jié)構(gòu)框架上，固定鋼結(jié)構(gòu)的底部。
1 建模
模型如下圖所示：
2 材料參數(shù)
水的密度和聲速如下圖所示：
3網(wǎng)格劃分
有限元模型如下圖所示：
4 分析設(shè)置
液面晃蕩頻率分析的設(shè)置如下：
5 分析結(jié)果
液面延著長(zhǎng)邊晃蕩頻率結(jié)果如下：
自學(xué)無(wú)網(wǎng)格粒子Particleworks流體飛濺和自由液面仿真分析
MPS法是研究流體的運(yùn)動(dòng)性和自由表面便捷的識(shí)別方法，Particleworks軟件基于粒子法的先進(jìn)理論，在處理具有大變形自由液面問(wèn)題中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
船舶航行
8、土木工程：泥石流斷路器模擬
泥石流對(duì)村莊、城市的破壞力極其巨大，泥石流斷路器是可以將泥石流中固體和液體有效分離的一種裝置，能夠極大的減輕泥石流的沖擊破壞力。
泥石流的破壞
泥石流斷路器
泥石流是包含固體、液體的兩相流動(dòng)，Particlworks中用Solid剛體粒子模擬巖石；用高粘度流體或者非牛頓流體，模擬泥濘的雨水；用Polygon壁面模擬泥石流斷路器的結(jié)構(gòu)。
設(shè)計(jì)不同的Screen間隔，確定合適的斷路器方案：
泥石流流動(dòng)過(guò)程模擬
9、消費(fèi)品：化妝品的混合模擬
化妝品各配料流體屬性、摻混比例是否合理，一般是在試驗(yàn)室中完成研發(fā)，但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于攪拌設(shè)備、生產(chǎn)條件的差異，會(huì)使最終產(chǎn)品和試驗(yàn)室研發(fā)產(chǎn)品有差別。為了在生產(chǎn)過(guò)程中很好的評(píng)估產(chǎn)品的混合效果，可以利用Particleworks進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)攪拌設(shè)備完成優(yōu)化。
攪拌設(shè)備
對(duì)攪拌設(shè)備進(jìn)行仿真，并且完成與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證：下圖是攪拌轉(zhuǎn)速為90rpm時(shí)，化妝品攪拌過(guò)程中自由液面狀態(tài)的對(duì)比：
攪拌過(guò)程對(duì)比
同時(shí)，在不同液體、不同混合體積的條件下，對(duì)比攪拌時(shí)自由液面的深度：
自由液面深度對(duì)比
通過(guò)上述驗(yàn)證試驗(yàn)表明，Particleworks可以很好模擬攪拌設(shè)備的攪拌過(guò)程。
展開(kāi) VOF模擬車(chē)體內(nèi)自由液面震蕩 ￥9.9
VOF模擬車(chē)體內(nèi)自由液面震蕩
CEL方法模擬液面晃動(dòng)（step-by-step）
液面晃動(dòng)動(dòng)畫(huà)如下。
氣泡上升至液面的數(shù)值仿真 ￥500
本案例仿真了液體中一氣泡上升至液面的過(guò)程，基于COMSOL軟件，采用兩相流方法模擬了這一過(guò)程，仿真結(jié)果如圖所示：
感興趣的朋友，如想詳細(xì)了解仿真過(guò)程，可下載模型源文件進(jìn)行查看，歡迎進(jìn)行交流！
DYNA模擬液面變化的問(wèn)題（附K文件）
液面.rar
基于VPS的流固耦合——液面晃動(dòng)問(wèn)題
</p><p>文中的模型計(jì)算了300多ms，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，液面并不能平靜下來(lái)，還在慢慢地晃動(dòng)。如果想要看到恢復(fù)平靜的結(jié)果，則需要加長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。</p><p><br></p><p><strong>五、視頻</strong></p><p>小編將模型的設(shè)置過(guò)程做成了視頻，關(guān)于更多的軟件操作和結(jié)果展示，</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-link" data-title="請(qǐng)移步至原文進(jìn)行觀看。" data-link="https://mp.weixin.qq.com/s/6AXvmattulZWkxvlCX8KGQ">
<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/6AXvmattulZWkxvlCX8KGQ" target="_blank" rel="nofollow">請(qǐng)移步至原文進(jìn)行觀看。</a>
</figure>
</div><p><br></p><p><strong>六、結(jié)束語(yǔ)</strong></p><p>本次的模型把礦泉水瓶簡(jiǎn)化為了剛體，但實(shí)際過(guò)程中應(yīng)該為柔性體。如果把水瓶作為柔性體，則可以將礦泉水瓶作為考察對(duì)象。</p><p>該應(yīng)用場(chǎng)景，可以拓展到汽車(chē)領(lǐng)域，模擬水箱，或者油箱的晃動(dòng)情況。</p><p>這些實(shí)際應(yīng)用工況與本文相比，技術(shù)上沒(méi)有太大的差異，僅有的差異是模型和載荷的復(fù)雜程度。</p><p><br></p><p>希望本文能為你帶來(lái)一些收獲，感謝閱讀！
展開(kāi) Xflow兩相流自由液面
原則
在用xflow solver求解自由表面問(wèn)題時(shí)，無(wú)論二維還是三維計(jì)算模擬，必須保證模擬模型的垂直方向和Y-axis完成平行一致，因?yàn)閤flow求解器默認(rèn)y-axis為最佳液面高度定義方式。
3. Free surface external
流體水槽默認(rèn)按照X軸流動(dòng)，-x /+y默認(rèn)為流體域入口，+X為出口，-Y為地面，-z/+z為對(duì)稱(chēng)循環(huán)。需要設(shè)定的值：
入口的初始速度（velocity law at the inlet）
水流初始表面(water initial surface)
入口水表面函數(shù)（water inlet wave function）表示出口處自由表面的位置，其可以為常數(shù)或者為時(shí)間的函數(shù)。
設(shè)置最直接的方式就是水槽及表面邊界條件導(dǎo)向功能來(lái)設(shè)置上面的所有值，包括虛擬模
擬水槽的大小設(shè)置。
圖3-1 自由表面水波設(shè)置向?qū)?如圖3-1向?qū)D所示，需要設(shè)置的參數(shù)有水槽的長(zhǎng)度、高度、寬度、水槽內(nèi)水深度、水流動(dòng)速度、水波幅度、水波頻率。
設(shè)置完后在環(huán)境設(shè)置相應(yīng)相就自動(dòng)生成函數(shù)表達(dá)式，當(dāng)然每個(gè)參數(shù)也可以根據(jù)需要自定義相關(guān)特殊函數(shù)表達(dá)式。
對(duì)于五階斯托克斯模型請(qǐng)參考相關(guān)手冊(cè)和專(zhuān)業(yè)書(shū)籍。
4. Free surface internal
內(nèi)部自由表面流動(dòng)，需要用戶(hù)去定義各個(gè)外部表面邊界條件和初始液位高度。
5. 液位高度定義規(guī)則
對(duì)于外部自由表面流動(dòng)的水波初始表面和內(nèi)部自由表面流動(dòng)的初始液位函數(shù)，都可以通過(guò)函數(shù)表達(dá)式（邏輯運(yùn)算）來(lái)表達(dá)。 在模擬初時(shí)刻，通過(guò)< 或者 >表達(dá)式來(lái)定義空間被流動(dòng)填充的大小，運(yùn)算表達(dá)式都是針對(duì)全局坐標(biāo)系，而不是針對(duì)模擬的對(duì)象或?qū)嶓w。
展開(kāi) 基于comsol的自由液面的斜坡斜圓柱繞流仿真 ￥1870
</p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201909/d84bfa0e6ec74171ba71a2033455184b.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">自由液面繞流.rar</a></p><p><br></p><p>利用comsol的兩相流：</p><p>1、繪制幾何，1度的斜坡，45度的斜圓柱。 以及上下空氣層與水層。</p><p>2、入口流速，依靠重力加速</p><p>3、水流繞流圓柱，再圓柱背后留下穩(wěn)定的水坑。</p><p>4、可以對(duì)比不同的圓柱傾斜角度，水層厚度帶來(lái)的 阻力系數(shù)的變化。
展開(kāi) 大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件夾雜缺陷預(yù)測(cè)與工藝優(yōu)化
圖 6a)是充型初期金屬液的流動(dòng)情況，上層澆注入口流量大，進(jìn)入鑄件的液體呈現(xiàn)雨淋式，底部?jī)?nèi)澆口流入量小，減少上層澆注金屬液的流動(dòng)沖擊作用，同時(shí)減少液面上升時(shí)間和高低液面差圖 6b)是金屬液面高于底層澆注入口低于上層澆注入口的流動(dòng)狀態(tài)，可見(jiàn)雨淋式澆注的液體與旁邊的液體液面差距不大，增加液體擾動(dòng)卻不易出現(xiàn)紊流；圖6c)是金屬液面接近冒口根部時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，可見(jiàn)從冒口中流入的液體液面高于冒口間的液面，這種液面差促進(jìn)了流體的運(yùn)動(dòng)，保證了冒口間區(qū)域的夾雜運(yùn)動(dòng)，減少冒口間上浮的夾雜停留時(shí)間，使得液面高于冒口根部時(shí)，冒口間區(qū)域的夾雜流入冒口區(qū)城中，最終減少夾雜在鑄件中的數(shù)量；圖6d)是金屬液面高于冒口根部，接近上次內(nèi)澆口的流體流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)液面趨于平緩，冒口中的夾雜可以有效平穩(wěn)地上浮至液面上，減少夾雜從冒口流出至鑄件內(nèi)的可能性，可以有效減少夾雜缺陷。
與優(yōu)化前的鑄件工藝相比，充型時(shí)間大大縮短，有效地減少了充型過(guò)程的溫降；雖然流動(dòng)過(guò)程擾動(dòng)大但有效地降低了夾雜產(chǎn)生趨勢(shì)。
2.5 夾雜粒子運(yùn)動(dòng)軌跡模擬與缺陷預(yù)測(cè)
圖7是下環(huán)鑄鋼件中兩個(gè)相同放入位置粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，其隨時(shí)間變化表現(xiàn)出不同的形態(tài)。
展開(kāi) 