淺談COMSOL模擬相變的方法
淺談COMSOL模擬相變的方法
作者：極度喜歡上課
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? ? ? ? 上一篇文章《淺談COMSOL中的非等溫流動(dòng)和共軛傳熱》主要介紹了非等溫流動(dòng)和共軛傳熱接口的異同點(diǎn)，從COMSOL的操作層面上說這兩者基本是沒什么區(qū)別的，具體的文章內(nèi)容大家可以考古一下，在使用COMOSOL進(jìn)行傳熱模擬分析方面應(yīng)該會(huì)給大家?guī)硪欢ǖ膯l(fā)。
? ? ? ? 本文繼續(xù)探索一下COMSOL模擬傳熱方面的一些內(nèi)容，以及自己使用COMSOL的一些心得體會(huì)。有研究傳熱方向的同學(xué)基本都繞不開“相變”這個(gè)經(jīng)典的問題。一般意義上，相變是指物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，在這個(gè)過程中物質(zhì)系統(tǒng)的物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，其中物質(zhì)的相總共分為固相、液相和氣相。但是隨著對(duì)相變這一領(lǐng)域研究的深入，相變所囊括的范圍也得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，例如在金屬鑄造加工過程中的晶體轉(zhuǎn)變屬于固固相變（固態(tài)相變），SMA材料（一種形狀記憶合金）在不同溫度下奧氏體和馬氏體之間的轉(zhuǎn)換屬于相變，像這些同種相之間的相變（同是固相、液相或氣相的相變。）屬于廣義相變概念的范疇（恕本人知識(shí)淺薄，暫未查詢到液相和氣相同種相之間的相變，如果有研究這方面的同學(xué)麻煩可以留言科普一下）。下面本文主要針對(duì)的是一般意義上的相變?cè)贑OMSOL中的模擬方法進(jìn)行說明。（在描述的時(shí)候會(huì)涉及到一些是廣義相變的表述，同學(xué)可自行區(qū)分。）
? ? ? ? 首先我們需要進(jìn)一步將一般意義上物質(zhì)的相進(jìn)行歸類，如下圖1所示，其中固相屬于固體類，液相和氣相屬于流體類。（我這句話好像很廢，我這里主要是想指出的是固相不能流動(dòng)，液相和氣相可以流動(dòng)，相信我，這個(gè)“可不可以流動(dòng)”是相變模擬中的一個(gè)難點(diǎn)。）
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? ? ? ? “同種相之間的相變”是最簡(jiǎn)單的相變問題了，直接利用COMSOL傳熱模塊（包括：固體傳熱、流體傳熱、固體和流體傳熱、多孔介質(zhì)傳熱等接口。）中的“流體”或“固體”域邊界條件下的“相變材料”屬性就可以完美解決了，如圖2所示。
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? ? ? ? 這么一看的話好像相變也不是什么大難題，COMSOL都自帶處理相變的功能了！那大家想一想如果是不同種相之間的相變呢？特別是處理固體與流體之間的相變呢？對(duì)于氣液相變這個(gè)還屬于上述“相變材料”這個(gè)功能能處理的范疇，因?yàn)樗鼈兌际橇黧w類，如圖3是帶有氣液相變的熱虹吸管，其使用的模擬方法就是“相變材料”這一功能，案例詳細(xì)介紹可觀看視頻[1]。（雖然使用的是COMSOL自帶的功能，但是想要讓這個(gè)模型收斂還是需要很多技巧的。）
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（底部的液態(tài)氯化鈉受熱汽化，頂部的氣態(tài)氯化鈉受冷液化，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡
案例在2022年10月15日的COMSOL傳熱/相變專題網(wǎng)課詳細(xì)講解）
? ? ? ? 那說到這，其實(shí)大家應(yīng)該就已經(jīng)知道了相變問題真正的難點(diǎn)是在于處理不同類相（固體類與流體類）之間的相變，因?yàn)樾枰业揭环N方法要在同一個(gè)計(jì)算域內(nèi)既要計(jì)算固體不能流動(dòng)的傳熱，也要計(jì)算流體需要流動(dòng)的傳熱。（當(dāng)然在一些特殊的情況下，流體的流動(dòng)速度小到可以被忽略的時(shí)候，我們也可以將流體假設(shè)成是固體，依然可以用上述的“相變材料”這一功能進(jìn)行處理，但肯定會(huì)存在一定的誤差，具體操作方法可觀看視頻[2]。）針對(duì)不同類相之間的相變，其實(shí)COMSOL也有一種較為簡(jiǎn)單的處理方法，就是利用“變形幾何”進(jìn)行處理。如圖4所示是金屬錫相變的模型，用到的就是“變形幾何”這一功能。但是由于“變形幾何”本質(zhì)上也是用網(wǎng)格的移動(dòng)和變形來進(jìn)行處理的，所以存在一個(gè)很大的缺陷就是不能模擬固液界面的拓?fù)渥兓?。具體展開說就是，1.不能無中生有，計(jì)算域在初始狀態(tài)必須要同時(shí)存在固體和流體，無法處理純固體融化以及純流體固化的問題；2.不能模擬固液界面破碎、融合等情況；3.不能模擬完全融化以及完全凝固的情況，即在終止計(jì)算時(shí)間下也必須存同時(shí)存在固體和流體；4.處理固液界面大變形時(shí)收斂情況不好，雖然可以用自動(dòng)重新劃分來緩解，但是每次重新劃分網(wǎng)格就會(huì)出現(xiàn)一次數(shù)據(jù)的奇點(diǎn)，在后處理提取數(shù)據(jù)時(shí)不方便。基于以上原因，用“變形網(wǎng)格”處理不同類相之間的相變還是有非常大的局限性的。
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（左側(cè)為液態(tài)錫，右側(cè)為固態(tài)錫，固液界面最終達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡
案例在2022年10月15日的COMSOL傳熱/相變專題網(wǎng)課詳細(xì)講解）
? ? ? ? 那有沒有什么方法可以避開上述“變形網(wǎng)格”的缺點(diǎn)來更好的處理不同類相之間的相變問題呢？答案是有的！可以通過自定義的方法來人為的識(shí)別計(jì)算域中固體和流體的部分，目前本人收集的方法共有兩種。第一種方法，如圖5所示，是流道中結(jié)冰的案例。在流道的左上端，因?yàn)槌掷m(xù)抽走熱量，所以流道中的水會(huì)發(fā)生結(jié)冰（藍(lán)色部分即為冰。），并且結(jié)冰會(huì)反作用于阻礙流道里水的流動(dòng)，如圖6所示，案例詳細(xì)介紹可觀看視頻[3]。第二種方法，如圖7所示，為完全固態(tài)金屬錫的融化，案例詳細(xì)介紹可觀看視頻[4]。這兩個(gè)案例分別用到了兩種自定義的方法，都是屬于典型的無中生有的案例，其中流道中水結(jié)冰是從流體中“生出”固體，完全的金屬錫融化是從固體中“生出”流體。
（流道左上端受冷，流道中的水結(jié)冰，固液界面最終達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡
案例在2022年10月15日的COMSOL傳熱/相變專題網(wǎng)課詳細(xì)講解）
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（初始時(shí)刻模型全為固態(tài)金屬錫狀態(tài)，隨著左端加熱，金屬錫開始融化，固液界面最終達(dá)到平衡
案例在2022年10月15日的COMSOL傳熱/相變專題網(wǎng)課詳細(xì)講解）
? ? ? ? 本文就先說到這里，以后有機(jī)會(huì)的話再對(duì)這兩種自定義的方法展開更具體的說明。如果有需要更系統(tǒng)學(xué)習(xí)本文所涉及到的知識(shí)的同學(xué)可參加，本人于2022年10月15日舉辦的COMSOL傳熱/相變專題網(wǎng)絡(luò)課程，有機(jī)會(huì)全額返還學(xué)費(fèi)，費(fèi)用688可開發(fā)票，歡迎大家添加QQ2581349746咨詢報(bào)名，課程詳情可觀看B站視頻[5]。
課程大綱
第六次網(wǎng)絡(luò)課程（傳熱、相變專題網(wǎng)課）
（b站：極度喜歡上課 報(bào)名請(qǐng)?zhí)砑観Q：2905126697）
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[2]https://www.bilibili.com/video/BV14Z4y1i76a/?vd_source=fc522462f018b32dd1984d284739bc69
[3]https://www.bilibili.com/video/BV1FD4y1w7eS/?spm_id_from=333.788&;vd_source=fc522462f018b32dd1984d284739bc69
[4]https://www.bilibili.com/video/BV1LV4y1s7iw/?vd_source=fc522462f018b32dd1984d284739bc69
[5]https://www.bilibili.com/video/BV1o14y1t7zC/?vd_source=fc522462f018b32dd1984d284739bc69
