一套新手自学COMSOL多物理场仿真的秘诀

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了多物理场仿真的概念、工作流程以及优势。多物理场仿真涉及到多个物理场的相互作用，例如流场、结构力学场、磁场、电场、化学场等。在仿真过程中，需要考虑各个物理场之间的耦合关系，并使用合适的控制方程进行求解。多物理场仿真相较于单场仿真，其优势在于能够提供更精确的结果。在多物理场仿真中，用户可以根据问题实际情况选择强耦合或弱耦合。本文以COMSOL MULTIPHYSICS为例，介绍了多物理场仿真的工作流程，包括定义需要求解的问题类型、绘制或导入CAD几何、定义每个求解域的材料属性、网格剖分、求解模型、后处理和报告结果、修改和优化等步骤。最后，本文以一个灯泡的自然对流案例为例，详细说明了多物理场仿真的建模过程。

在现实生活中，我们遇到的很多工况问题，涉及到并不是由一个单一的物理场，例如：流场，结构力学场，磁场，电场，化学场等。恰恰相反，实际的问题往往是由多个物理场相互作用产生的，所以在进行仿真研究的过程中，为了得到与实际工况相符合的精确结果，就需要考虑进行多物理场仿真。

对于一个仿真新手而言，单场仿真都不一定能搞定，多场仿真必然难上加难。这一假设在一般用户使用的商用软件上往往是成立的，然而有些时候也不尽然，像COMSOL公司推出的COMSOL MULTIPHYSICS，就是将多物理场的耦合作了一定的简化。

对于多物理场仿真，实际上有一套通用的工作流程，用户对模型进行建模，只需要遵从下列步骤，正确操作，即可完成模型的构建及后续的分析：

• 定义需要求解的问题类型

• 绘制或导入CAD几何

• 定义每个求解域的材料属性

• 定义需要求解的问题类型

• 网格剖分

• 求解模型

• 后处理和报告结果

• 修改和优化

接下来逐条为大家解释：

1、定义需要求解的问题类型：对于用户需要通过仿真考察的问题，首先我们需要了解其背后设计到哪些物理场，应该选用哪种合适的控制方程，各个物理场之间的耦合关系如何；

2、绘制或导入CAD几何：用户可以导入事先画好的几何模型，或者直接在COMSOL中作图，可以依据具体的情况进行调整。之后要对模型文件进行几何上的修改，以满足仿真的要求；

3、定义每个求解域的材料属性：针对不同材料选择相应的材料属性进行赋值，同时可以进行材料自定义来满足案例的特殊需求；

4、定义需要求解的问题类型：为每个物理场设定载荷和边界条件，并完成多物理场的设置；

5、网格剖分：可以使用COMSOL自带的网格自动生成功能对网格进行剖分，或使用自定义网格剖分；

6、求解模型：进行模型的求解，针对收敛问题，可以进行求解器的微调；

7、后处理和报告结果：对于后处理，可以进行各类衍生值计算，从而得到想要考察的对象；

8、修改和优化：根据已经有的结果进行对模型进行修改，甚至可以与优化模块联用进行优化操作。

那么，多物理场仿真相较单场仿真，它的优势在哪里呢？

简而言之用一个词概括的话，就是——精确。

相较于单场仿真，多场仿真所使用求解的矩阵要大的多以及复杂的多，为了确保多场耦合，COMSOL所有的数值方法都是有限元，从而来确保多场耦合的可行性问题。虽然这会在流体求解瞬态时造成一定的问题，但是鉴于该产品的优势是多场耦合，因此有一定的取舍也是情理之中的。

在建模过程中，你可以根据问题实际问题来选择是使用强耦合还是弱耦合，具体则是每个案例各不相同，如果对此感兴趣的，也可以在本次基础课程的后期，有一个大致的了解，在这里，首先为大家解读一个案例，以供参考：

我们以软件自带的案例库中的灯泡的自然对流为例：

在这个问题中，工程师希望通过分析氩气的非等温流动，从而来了解灯泡最终的稳定工作温度。在这里，套用之前的建模步骤，我们首先要进行的就是定义问题的求解类型：灯丝的加热，设计到的实际上是固体传热，同时，灯丝加热空气，因此也涉及到流体的传热现象，因此，在传热上，这是一个共轭传热的问题，我们在COMSOL中就要选择相应的固体和流体传热接口。

相应的，由于共轭传热导致的流体密度分布不均，在重力的作用下，就会造成自然对流现象，为了对流体进行计算，我们需要选用层流物理场接口：

以上两个物理场，在一般的流体仿真中，可以看作一个带固体热源的流体的自然对流问题，在其他软件中的设置和求解也非常方便。

但是，在这里有另外一个物理场，则是一般的仿真中较难耦合的，即热辐射的物理场，在这个案例中，包含有灯泡内部表面对表面的热辐射，以及灯泡外表面对环境的热辐射。

在完成上述物理场的选择后，接下来要做的就是对相应的边界添加边界条件，在这里各个物理场的边界条件如何在截图中已经有了概述，具体可以查阅相关实验数据进行设置。

接下来的步骤，也就是COMSOL的特色，即对多物理场的耦合。首先由于固体和流体传热会是流体，也就是灯泡中的氩气密度造成变化，此处，我们假设氩气的密度遵循理想气体方程，即：

其中M是摩尔质量，p是压强，R是通用气体常数，T为温度。相应的，要将材料中的氩气的密度的值改为：

在这个表达式中，Mw_a是氩气的摩尔质量，R_const是通用气体常数，T为氩气温度，ht.pA则是在传热物理场（ht）中氩气的压强。事实上在这一步中，即已经完成了温度对流体流动的耦合，而温度则受到传热物理场的影响，这一步的实现，则要使用COMSOL的多物理场接口，在这里，我们选用非等温流动多物理场，如下图：

由于已经进行了氩气材料特性的设置，因此在材料属性中的指定密度和指定参考温度中，我们选择的是来自传热接口，在完成这一步设置之后，氩气的局部温度T才能与传热场中的T相同，传热场和流体场才实现了双向的耦合。

接下来就是对表面对表面辐射传热的耦合设置，在此处，我们需要了解的是表面对表面辐射对的前提是介质透明，因此氩气在此处被视为透明介质，而灯泡的玻璃对热辐射可视为不透明的，以及灯泡外部环境可视为黑体，因此表面对表面辐射仅存在与灯泡内部，而玻璃外表面则是漫反射表面，不过其热的来源同样来自传热物理场，因此，我们的表面对表面多物理场耦合设置即作用域最终如下图：

接下来，则是进行网格的划分，在这里我们直接使用COMSOL自带的网格划分功能。

之后就是要我们进行求解的设置，由于我们需要考察温度随时间的变化情况，因此在这里我们选择瞬态，完成设置后，直接开始进行求解，求解完成之后，我们即可以进行相应的后处理，得到相应的：

温度的等值线分布：

灯泡内流速随时间的变化：

以及温度随时间的变化图

从图中我们不难看出，在灯泡点亮5分钟之后，其内部温度趋于稳定，维持在约585K位置。

另外，我们也可以得到灯泡在不同位置处的尽热通量幅值，来完善灯泡的外形以及灯丝的高度位置。

综上，即是一个典型的多物理场仿真案例的流程。

作者：COMSOL资深技术工程师 仿真秀科普作者

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