基于COMSOL柔性单向阀流固耦合分析(附视频教程)

一、问题描述

图 8-18 柔性单向阀几何模型

二、具体计算

1）模型向导

打开 COMSOL Multiphysics 软件，单击“模型向导”进入“选择空间维度”，单击“二维轴对称”进入“选择物理场”，选择“流体流动”→“流-固耦合”→“流-固耦合”，单击“添加”，单击“研究”进入“选择研究”，选择“一般研究”→“瞬态”，单击“完成”，进入 COMSOL 建模界面。

2）几何构建

在“模型开发器”窗口的“组件 1（comp1）” 节点下，单击几何 1，在“几何”的设置窗口中，定位到“单位”栏，从“长度单位：”列表中选择“μm”。导入“柔性单向阀几何模型”：在“几何”工具栏中单击“导入”（注：柔性单向阀的几何文件从附录中进行下载），在“导入”的设置窗口中，单击“浏览”选择“柔性单向阀几何模型”所在的路径，单击“构建所有对象”，如图 8-19 所示。

图 8-19 导入“柔性单向阀几何模型”

在“模型开发器”窗口中，单击“形成联合体 （fin）”，在“形成联合体/装配”的设置窗口中，单击“全部构建”。在“图形”工具栏中单击“ 缩放到窗口大小”按钮。

3）添加材料

添加“water”：在“模型开发器”窗口的“组件 1（comp1）” 节点下，右键“材料”，单击“空材料”，在“材料”的设置窗口中，在“标签：”文本框中键入“water”，定位到“几何实体选择”栏，只选择“域”1，定位到“材料明细属性”栏，在“密度”文本框中键入“1000”，在“动力黏度”文本框中键入“0.001”，如图 8-20 所示。

添加“solid”：在“模型开发器”窗口的“组件 1（comp1）” 节点下，右键“材料”，单击“空材料”，在“材料”的设置窗口中，在“标签：”文本框中键入“solid”，定位到“几何实体选择”栏，在图形窗口中选择“域”2，定位到“材料明细属性”栏，在“密度”文本框中键入“970”，在“杨氏模量”文本框中键入“1e4”，在“泊松比”文本框中键入“0.499”，如图 8-21 所示。

4）边界条件设置

（1）层流（spf）

设置“层流（spf）”：在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）” 节点下，单击“层流 （spf）”，在“层流”设置窗口中定位到“域选择”栏，只选择“域”1，如图 8-22所示。

图 8-22 设置“层流（spf）

”设置“开放边界 1”：在“模型开发器”窗口的“组件 1 (comp1)” 节点下，单击“层流 (spf)”，在“物理场”工具栏中单击“边界”，然后选择“开放边界”，在“开放边界”的设置窗口中，定位到“边界选择”栏，在图形窗口中选择“边界”2，定位到“边界条件”栏，在“f0”文本框中键入“40*sin(10*2*pi*t[1/s])”，如图 8-23 所示。

图 8-23 设置“开放边界 1”

设置“开放边界 2”：在“模型开发器”窗口的“组件 1 (comp1)” 节点下，单击“层流 (spf)”，在“物理场”工具栏中单击“边界”，然后选择“开放边界”，在“开放边界”的设置窗口中，定位到“边界选择”栏，选择“边界”6，定位到“边界条件”栏，在“f0”文本框中键入“-40*sin(10*2*pi*t[1/s])”，如图 8-24 所示。 

图 8-24 设置“开放边界 2”

（2）固体力学（solid）

设置“固定约束 1”：在“模型开发器”窗口的“组件 1 (comp1)” 节点下，单击“固体力学（solid）”，在“物理场”工具栏中单击“边界”，然后选择“固定约束”，在“固定约束”的设置窗口中，定位到“边界选择”栏，选择“边界”8，如图 8-25 所示。

图 8-25 设置“固定约束 1” 

（3）动网格设置

“变形域 1”：在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）”→“动网格” 节点下，单击“变形域 1”，在“变形域”的设置窗口中，定位到“域选择”栏，选择“域”1，如图 8-26 所示，动网格设置完毕。

图 8-26 设置“变形域 1”

5）网格划分

在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）” 节点下，单击“网格 1”，在“网格”的设置窗口中，单击“全部构建”，定位到“序列类型”栏，从列表中选择“用户控制网格”，在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）”→“网格” 节点下，右键“边界层 1”，选择“删除”，单击“全部构建”，如图 8-27 所示，网格划分完成。

在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）” 节点下，右键“网格 1”，单击“统计信息”，如图 8-28 所示，显示已划分网格的相关信息。

6）计算

在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）”→“研究 1” 节点下，单击“步骤 1：瞬态”，在“瞬态”的设置窗口中，定位到“研究设置”栏，在“输出时间步：”文本框中键入“range(0,0.0125,1)”（注：开放边界的压力变化是周期为 0.1 秒的正弦函数控制的，因此时间步的设置最好为该周期的分数，能整除该周期。），在“模型开发器”窗口的“组件1 （comp1）”节点下，右键“研究 1”，选择“获取初始值”。在“模型开发器”窗口的“组件 1 （comp1）”→“研究 1”→“求解器配置”→“瞬态求解器 1”节点下，单击“分离 1”，在“分离”的设置窗口中定位到“常规”栏，在“最大迭代次数”文本框中键入“30”，单击“计算”，等待计算完成。

7） 结果后处理

当 COMSOL 计算完成后会在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下自动生成 6 组默认的结果，如需其他后处理结果，则需用户手动生成。

生成“出口流量图”：在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，右键“派升值”，选择“积分”→“线积分”，在“线积分”设置窗口中，定位到“选择”栏，选择“边界”6，定位到“表达式”栏，在“表达式”文本框中键入“w_fluid”，单击“计算”。在“结果”工具栏中单击“一维绘图组”，在“一维绘图组”的设置窗口中，在“标签：”文本框中键入“出口流量图”。在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，右键“出口流量图”，单击“表图”，在“表图”设置窗口中定位到“图例”栏，勾选“显示图例”复选框，从“图例：”列表中选择“手动”，在“图例”文本框中键入“出口流量 (m3/s)”，单击“绘制”。如图 8-29 所示，生成“出口流量图”。从图中可以看到有明显的回流，这是由于在逆流时柔性阀没有完全闭合导致的，但是从途中可以看到正向流量的最大值约为 12×10^-12m^3/s，反向流量的最大值约为 6.4×10^-12m^3/s，因此柔性阀能产生宏观上的单向流动。

图 8-39 出口流量图

生成“阀门孔径图”：在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，右键“派升值”，选择“积分”→“线最小值”，在“线最小值”设置窗口中，定位到“选择”栏，选择“边界”13，定位到“表达式”栏，在“表达式”文本框中键入“r”，单击“计算”。在“结果”工具栏中单击“一维绘图组”，在“一维绘图组”的设置窗口中，在“标签：”文本框中键入“阀门孔径图”。在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，右键“阀门孔径图”，单击“表图”，在“表图”设置窗口中定位到“数据”栏，从“表格：”列表中选择“表格 2”，定位到“图例”栏，勾选“显示图例”复选框，从“图例：”列表中选择“手动”，在“图例”文本框中键入“阀门孔径 (µm)”，单击“绘制”。

如图 8-30 所示，生成“阀门孔径图”。从图中可以看到，柔性阀闭合时孔径约为 13.38μm，柔性阀张开时孔径约为 17.25μm。

图 8-30 阀门孔径图

生成“三维速度 1”：在“模型开发器”窗口的“结果”节点下，右键“应力, 3D (solid)”，单击“复 制粘贴”，在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，单击“应力, 3D (solid) 1”，在“三维会组图”设置窗口中，在“标签：”文本框中键入“三维速度 1”。在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，右键“三维速度 1”，选择“切面”，在“切面”的设置窗口中定位到“平面数据”栏，从“平面：”列表中选择“zx 平面”，在“平面数：”文本框中键入“1”。在“模型开发器”窗口的“结果” 节点下，右键“三维速度 1”，选择“流线”，在“流线”的设置窗口中定位到“着色和样式”栏，从“点样式”“类型：”列表中选择“锥头”，从“颜色：”列表中选择“黑色”，单击“绘制”。如图 8-41 所示，生成“三维速度 1”，可以观察内部流动状况。

图 8-31 三维速度 1

三、基于COMSOL单向阀的流固耦合分析

以下是直播的具体安排。

2024仿真产学研用（十一）基于COMSOL单向阀的流固耦合分析-仿真秀直播

（完）