自由表面流動仿真的案例
沸騰流仿真（伴隨有相變化的自由表面流仿真）
在氣液二相流仿真中，有時會遇到對沸騰流作模擬。近年來，由于所使用電腦的飛速發展，有關混相流課題的流體解析模擬問題差不多都得以解決。即便如此，仍有一些復雜的混相流現象難以進行模擬。其中之一就是沸騰流。沸騰流雖然在熱交換器，冷卻系統等許多工業領域中有廣泛的應用，但其流動方式會隨液體與傳熱表面的溫度差等因素而發生變化，是一種復雜的流動。如果從微觀尺度來著手處理沸騰流問題，就必須對傳熱表面氣泡核的生成，及其隨后的發展，脫離等過程一一建立模型，目前尚缺乏普遍適用的模擬方法。因此，只能從宏觀途徑來加以考慮。
圖21.1中展示的是，通過自由表面流仿真中的VOF法來模擬沸騰流，對蒸發和冷凝（液化）這樣的相變化過程，用F值（即流體體積率）的增減來加以表示，從而建立模型。同時，還考慮潛熱的吸收和釋放，以及因氣液態密度差引起的體積的增減。上述諸量的變化，在局部區域取得平衡。在此假定的前提下，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Lee于1980年提出了有關蒸發和冷凝的一系列基礎方程式，從而建立起一個完整的模型。圖21.2就是Lee建立的模型，各個流體單元內的液體溫度若高于飽和溫度（即沸點）就蒸發，反之就液化。從這一假定出發，根據液體溫度與飽和溫度之間的差，同時考慮氣體與液體密度的不同，從而計算出相變化量的大小。
圖21.1 沸騰流的建模
圖21.2 Lee建立的模型
接下來，打算介紹這一章的模擬實例。作為第一個實例，首先來看一下圖21.3。在一個注了水的方形容器的底部加熱，我們來模擬從液相到氣相的相變化過程。圖中展示了VOF值為0.5的等值面。容器底部被加熱，產生了氣相（即氣泡），由于浮力的作用，氣泡徐徐上升，整個過程歷歷在目。
圖21.3 模擬實例之一：在容器底部加熱
另外，在氣相和液相之間的產生相變化時，物質的密度也隨之發生變化。
展開 案例分享 | 利用自由表面和動力學功能仿真分析巡航船的船姿
仿真目的
通過仿真船體的航行姿態來評價船體的穩定性。自由表面的計算采用VOF法，物體的運動利用動力學功能。通過船側有無鰭的兩種類型，用重量從重心位置移動時產生的橫向傾斜角的比較來評價船體航行穩定性。
仿真結果與實測的比較
圖1
圖2
圖1是重量向圖右移動時傾斜角的仿真結果與實驗的比
較。
圖中的基準位置是橫向傾斜角為0[deg] 的船體位置。
圖2是橫向傾斜角的仿真與實驗結果的比較。
從結果可
以確認鰭對船體姿勢起到的穩定作用，而且仿真與實驗的
結果基本吻合。
由粒子再現水滴的飛濺
通過流體體積率的輸送來捕捉自由表面的VOF 法，要表現水
面上飛濺的水滴是困難的。
本研究中，由波浪產生的水花以
質量粒子來再現。
圖中是從兩個方向觀察到的VOF 值為0.5
的界面與粒子飛濺的模樣，再現了VOF 法不能捕捉的水滴（粒
子）飛濺。
小結
利用
MSC Cradle仿真了小型船舶的航行姿勢，并對其航行穩定性做了考察。通過仿真確認了在船側設置鰭的效果，得到的橫向傾斜角與實測相吻合的結果。
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仿真目的
通過仿真船體的航行姿態來評價船體的穩定性。自由表面的計算采用VOF法，物體的運動利用動力學功能。通過船側有無鰭的兩種類型，用重量從重心位置移動時產生的橫向傾斜角的比較來評價船體航行穩定性。
仿真結果與實測的比較
圖1
圖2
圖1是重量向圖右移動時傾斜角的仿真結果與實驗的比
較。
圖中的基準位置是橫向傾斜角為0[deg] 的船體位置。
圖2是橫向傾斜角的仿真與實驗結果的比較。
從結果可
以確認鰭對船體姿勢起到的穩定作用，而且仿真與實驗的
結果基本吻合。
由粒子再現水滴的飛濺
通過流體體積率的輸送來捕捉自由表面的VOF 法，要表現水
面上飛濺的水滴是困難的。
本研究中，由波浪產生的水花以
質量粒子來再現。
圖中是從兩個方向觀察到的VOF 值為0.5
的界面與粒子飛濺的模樣，再現了VOF 法不能捕捉的水滴（粒
子）飛濺。
小結
利用
MSC Cradle仿真了小型船舶的航行姿勢，并對其航行穩定性做了考察。通過仿真確認了在船側設置鰭的效果，得到的橫向傾斜角與實測相吻合的結果。對于船體縱傾的穩定可以利用同樣的仿真方法。
展開 COMSOL自由與達西流動耦合 ￥39
模擬井中水與地層水的作用
COMSOL隨機參數化表面流體流動模擬
基于粗糙度表面的裂隙流研究對于理解地下水的流動、污染物傳輸以及與之相關的地質災害（如滑坡）等方面具有重要意義。本研究通過蒙特卡洛方法生成隨機表面形貌，并利用COMSOL Multiphysics對隨機參數化表面的微尺度流體流動進行模擬。
參數化表面模型采用CAD隨機粗糙度表面插件建立，插件可設置不同的表面起伏形態，以匹配相應的地形或研究不同表面參數下的流動特性。
在CAD內將模型截取表面部分，以sat格式導入到COMSOL內，完成三維隨機參數化表面幾何模型的建立。
在COMSOL內對模型劃分網格。
對模型設置邊界條件，使流體從模型左側流入，右側流出，計算并研究裂隙流體的流動特性。
展開 模型庫中sloshing_tank自由面上通過邊界上的弱解形式施加表面張力
附件中兩個文件：一個是邊界上表面張力和接觸點潤濕的公式推導，還有一個就是改進后的sloshing_tank的例子，將原來的例子縮小了1000倍，以突顯表面張力的作用。
wetting_and_surface_tension.pdf
sloshing_small(1e-2)_reset.rar
巖土力學中的塑性流動仿真與分析
實地測試的成本極高，因此仿真就顯得非常實用，甚至必不可少。人們開發了很多數值模型來深入研究土壤行為。在這里，我們將向您介紹 COMSOL Multiphysics 中用于研究土壤的運用最為普遍的模型，及對隧道開挖實例進行分析。
巖土工程快速入門
建筑界普遍存在這樣一個趨勢：海上結構物建造的水域越來越深；建筑物之間的距離越來越近；海上風力發電機建造在離海岸很遠的深海中，這使其可能面臨著極其嚴苛的負載條件。因此，近幾十年來，巖土工程師開發了多種數值仿真來應對這種建筑趨勢以確保建筑的安全性。
“Paris Metro construction 03300288-3″。已獲 Public domain 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。
塑性與巖土材料
塑性是指材料能穩定地發生永久變形而不破壞其完整性的能力，金屬、土壤、巖石、混凝土等材料便具有這樣的特性。當造成彈性形變的應力上升到達一個特定的應力級別——屈服應力時，材料開始產生塑性形變。
彈/塑性行為是與路徑相關的，應力取決于材料的之前的變形行為。因此，塑性模型通常與應力變化速率直接關聯，而非應力和塑性應變。整個行業中應用最為廣泛、最著名的塑性模型是以 von Mises 屈服面為基礎的，該模型中塑性流動不因壓力的大小而改變。因此，屈服條件及塑性流動只以偏應力張量為基礎。
然而，因為分析土壤物質時需考慮摩擦和膨脹的影響，所以該模型對此類材料無效。讓我們來看看該如何解決這個問題，并簡單介紹一下 COMSOL Multiphysics? 仿真軟件中不同的土壤塑性模型。
土壤及巖石的塑性
對于土壤和巖石等材料，摩擦和膨脹的影響是不可忽略的。眾所周知，這類材料對壓力非常敏感，當施加壓力時會產生不同的拉伸和壓縮行為。
展開 STARCCM 攪拌器自由液面仿真模型 ￥50
攪拌器槳葉高速旋轉帶來的漩渦，部分樣式攪拌雖然可以通過公式估算，但更多的攪拌器需要通過仿真方式來獲得。
該案例采用STAR-CCM+2402版本軟件，通過內置的參數化建模工具3DCAD構建了整個模型，運用剛體運動和多相流VOF模型相互結合，通過瞬態求解的方式，獲得攪拌器漩渦的發展變化過程，為后續攪拌器設計以及參數選擇提供參考。
可以通過分析模型文件，獲得求解思路。
包含兩個模型文件，其中之一為中心攪拌，另一為偏置攪拌?？梢酝ㄟ^求解獲得歷史文件，然后生成動畫。
三自由度機械臂運動學分析+仿真 ￥40
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下載咨詢鏈接
三維模型+word+仿真源代碼文件下載見收費內容
巖石裂隙中的流體流動仿真
本案例基于COMSOL軟件中的PDE模塊，采用雷諾方程對巖石裂隙中的流體流動過程進行了仿真，模擬結果如下：
感興趣的朋友可加我交流模型。
仿真案例｜葉片泵空化流動模擬實驗
一旦流動達到接近該數值的速度，就會發生空化現象，失去不可壓縮性和準平穩性，流動條件進入高度可壓縮和瞬態狀態。對于密度ρ=0.85 g/cm3且p0=1 bar的液壓油（吸氣通道無液壓損失的理想情況），可得出vcrit=15.3 m/s。
假設有z個排量單位，只要泵速度保持在臨界或特征值以下，泵的時間平均質量流量則為pzVmaxn。遠遠超過這個值，泵的質量流量將在有限的流速下飽和。在泵的設計過程中，當泵的流量基本上偏離其理論值pzVmaxn時，要著重注意泵的特征轉速。這個問題的復雜性比（上面提到的）簡單公式的算法要大得多，因為在空化流中發生了相當復雜的物理過程，比如溶解氣體的蒸發、再冷凝和出氣。因此，估算泵的特性轉速對計算工程是一個真正的挑戰。
當腔室達到其最大容積時，腔室與泵的吸入側和壓力側分離，也就是說，腔室既不與吸入通道接觸，也不與壓力通道接觸（如果忽略任何泄漏間隙的話）。這導致流體的限制和低壓區和高壓區的幾何分離，這是所有靜液壓泵的主要特征，同時也是與諸如水輪機之類的流體動力泵的主要區別。
注意，直接在室內限制階段之后，腔室會再次通過另一個開口幾何截面與壓力側接觸。腔室的容積再次減小，容納的流體被排入壓力通道。
這種泵的原理可以以不同的方式實現。最熟悉的可能是一種活塞泵設計。另一種可能的構造原理是葉片泵。葉片泵的功能在圖4中顯示。葉片將定子和轉子之間的容積分成若干個容積室，這些容積室的容積隨著泵的角度的變化而周期性地變化。
圖4：葉片泵的功能說明
作為示例，每個泵循環具有兩個位移的轉子單元。葉片可以在其狹縫中自由運動，并將定子（環）和轉子之間的容積分成若干個腔室。
數值模擬、實驗與分析
在過去的產品設計過程中主要依賴于經驗數據，而仿真已經成為設計過程中的重要元素。
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民機沖壓空氣系統流動特性仿真研究
邊界條件
計算工況
數值計算模型
5
計算結果與分析
空氣流動壓力分布結果
空中巡航狀態下機身外表面壓力分布如圖所示，其中沖壓空氣內流道壓力分布下圖所示。根據仿真計算結果可知，空中巡航狀態下機身外部的機頭以及機翼前端直接與來流高速氣流接觸，導致局部壓力較高；沖壓空氣內流道部分高速氣流流經換熱器區域之后，壓力明顯下降，表明壓力損失主要集中在換熱器區域。
空中巡航狀態下機身壓力分布圖
空中狀態沖壓空氣內流道壓力分布圖
地面狀態下風扇處局部壓力分布如下圖所示。根據仿真結果可知，在地面狀態下，風扇為驅動沖壓空氣流動的動力源，風扇區域的整體壓力分布均勻，沖壓空氣流經沖壓腔內的風扇區域后，由于風扇的作用，空氣壓力有一定程度的上升?；谏鲜鲇嬎憬Y果可以獲得沖壓空氣流道內的壓力分布，并計算得出整個沖壓空氣流道的阻力值，用于全機能耗評估。
展開 波紋管湍流流動FLUENT仿真 ￥299
本算例以周期邊界算法為基礎，驗證波紋管湍流仿真結果與實驗結果的對比。
模型主要邊界條件
模型網格
仿真結果，流線圖
與實驗結果對比，x方向速度
直播課程 | 快速的三維流動噪聲仿真
01/直播主題&時間
快速的三維流動噪聲仿真
11月13日（星期五） 14:00~15:00
02/您所期待的內容
- 氣動噪聲仿真方法及發展
- MSC氣動噪聲聯合仿真解決方案
- 如何運用聯合仿真方法進行風機及管路氣動噪聲聯合仿真
- HVAC管道氣動噪聲聯合仿真實例演示
精彩預告
- scFLOW2Actran氣動聲學包的執行機制
- scFLOW2Actran氣動聲學包流程解析
scFLOW2Actran的設定界面
scFLOW2Actran的聲學網格和后處理
以HVAC系統氣動噪聲解析為例，展示如何在scFLOW中實現聲源和聲輻射分析
03/適合誰來參加？
- 具有CFD仿真基礎的高校學生、企業和研究機構的工程師
- 對航空、汽車聲學領域知識有濃厚興趣的朋友
04/參與方式
掃描下方二維碼注冊
或點擊注冊：https://mpages.mscsoftware.com/WBNCH-ALL2020-11-13Acoustics3Dsimulation_LP-Registration.html
參會須知
請至少提前1小時注冊，直播參會鏈接將發往您所填寫的注冊郵箱。
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數仿真估算
仿真模型
導語
據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。
研究發現，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應加劇容易產生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發生明顯下降。
因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預測動力鋰離子電池內部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。
01
導讀
目前，國內外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進行了相關研究。早期美國D.Bernardi等[1]通過研究電池溫度特性提出了電池生熱率模型，之后通過研究人員的不斷發展研究，鋰離子電池熱模型已經呈現多維度趨勢發展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學-熱耦合模型仿真驗證了單體電池和成組電池包溫度分布的真實性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實驗驗證了圓柱電池熱響應能力比棱柱電池??；Chacko等[4]將電-熱模型應用到恒流勻速和變電流工況中，研究發現變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎上，突破傳統仿真中將對流換熱系數、電壓溫度系數設定為常數，通過變化的電壓溫度系數來估算對流換熱系數，以此來達到更高的溫度仿真精度。
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