Comsol复合材料相变模拟

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相变材料在能源存储、建筑节能等领域应用潜力巨大，其相变过程复杂，数值模拟是深入研究的重要手段。可借助Comsol软件对复合材料相变展开模拟，探究其物理机制。

文｜热流Es

编辑｜小苏

审核｜赵佳乐

「复合材料」

复合材料由两种或以上不同性质材料，通过物理或化学方法组合而成。

复合材料的相变是指材料在温度、压力等外部条件变化时，从一种相态转变为另一种相态的过程。相态主要包括固相、液相和气相，相变过程通常伴随着热量的吸收或释放。

在复合材料中，常见的相变类型有固-固相变、固-液相变等。以固-液相变为例，当温度升高到一定程度，复合材料中的相变材料会从固态转变为液态，在此过程中吸收大量的热量，起到储能的作用；当温度降低，材料又会从液态转变为固态，释放出储存的热量。

这种相变特性使得复合材料在诸多领域有重要应用。在建筑领域，将相变复合材料用于墙体材料，可调节室内温度，降低能源消耗；在电子设备中，能利用其相变散热，保证设备的稳定运行。此外，通过调整复合材料的成分和结构，可以控制相变温度和相变潜热等参数，以满足不同应用场景的需求。

图1. 相变材料

「物理建模」

复合材料相变物理几何模型和具体物理场边界条件如下图所示。

图2. 几何模型

图3. 物理场边界条件

「网格划分」

在 Comsol 复合材料相变模拟中，网格划分是关键环节，直接关乎模拟结果的精准度与计算效率。网格划分前，需根据相变材料的实际情况构建几何模型，模型要精准反映材料的结构与特征。网格类型有多种，如三角形、四边形用于二维，四面体、六面体用于三维。三角形和四面体网格灵活性高，能适配复杂几何形状；四边形和六面体网格精度更佳。

对于相变区域，因物理参数变化剧烈，要局部细化网格，保证能捕捉到微小变化，像固- 液相变界面就需细密网格。而远离相变区域，可适当增大网格尺寸以减少计算量。划分后，需检查网格质量，查看正交性、偏斜度等指标。若质量不达标，会影响计算结果或使计算不稳定，此时需调整划分参数重新划分，确保模拟的准确性和可靠性。具体划分网格分布如下所示。

图4. 网格分布

「结果展示」

通过Comsol 模拟清晰地呈现复合材料相变温度场、相变区域精准演变，数据与云图直观展示，为材料性能研究提供有力支撑，物理场分布如下图所示。

图5. 温度分布

图6. 速度分布

图7. 压力分布

图8. 相变指示器分布

图9. 截点温度随时间变化曲线

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来源：Comsol有限元模拟

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