浅谈COMSOL模拟相变的方法
作者：极度喜欢上课
上一篇文章《浅谈COMSOL中的非等温流动和共轭传热》主要介绍了非等温流动和共轭传热接口的异同点，从COMSOL的操作层面上说这两者基本是没什么区别的，具体的文章内容大家可以考古一下，在使用COMOSOL进行传热模拟分析方面应该会给大家带来一定的启发。
本文继续探索一下COMSOL模拟传热方面的一些内容，以及自己使用COMSOL的一些心得体会。有研究传热方向的同学基本都绕不开“相变”这个经典的问题。一般意义上，相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程，在这个过程中物质系统的物理、化学性质完全相同，其中物质的相总共分为固相、液相和气相。但是随着对相变这一领域研究的深入，相变所囊括的范围也得到了进一步扩展，例如在金属铸造加工过程中的晶体转变属于固固相变（固态相变），SMA材料（一种形状记忆合金）在不同温度下奥氏体和马氏体之间的转换属于相变，像这些同种相之间的相变（同是固相、液相或气相的相变。）属于广义相变概念的范畴（恕本人知识浅薄，暂未查询到液相和气相同种相之间的相变，如果有研究这方面的同学麻烦可以留言科普一下）。下面本文主要针对的是一般意义上的相变在COMSOL中的模拟方法进行说明。（在描述的时候会涉及到一些是广义相变的表述，同学可自行区分。）
首先我们需要进一步将一般意义上物质的相进行归类，如下图1所示，其中固相属于固体类，液相和气相属于流体类。（我这句话好像很废，我这里主要是想指出的是固相不能流动，液相和气相可以流动，相信我，这个“可不可以流动”是相变模拟中的一个难点。）
图1 物质的相的归类
“同种相之间的相变”是最简单的相变问题了，直接利用COMSOL传热模块（包括：固体传热、流体传热、固体和流体传热、多孔介质传热等接口。）中的“流体”或“固体”域边界条件下的“相变材料”属性就可以完美解决了，如图2所示。
图2 COMSOL传热模块自带的相变功能
这么一看的话好像相变也不是什么大难题，COMSOL都自带处理相变的功能了！那大家想一想如果是不同种相之间的相变呢？特别是处理固体与流体之间的相变呢？对于气液相变这个还属于上述“相变材料”这个功能能处理的范畴，因为它们都是流体类，如图3是带有气液相变的热虹吸管，其使用的模拟方法就是“相变材料”这一功能，案例详细介绍可观看视频[1]。（虽然使用的是COMSOL自带的功能，但是想要让这个模型收敛还是需要很多技巧的。）
图3 热虹吸管
（底部的液态氯化钠受热汽化，顶部的气态氯化钠受冷液化，达到了动态平衡
那说到这，其实大家应该就已经知道了相变问题真正的难点是在于处理不同类相（固体类与流体类）之间的相变，因为需要找到一种方法要在同一个计算域内既要计算固体不能流动的传热，也要计算流体需要流动的传热。（当然在一些特殊的情况下，流体的流动速度小到可以被忽略的时候，我们也可以将流体假设成是固体，依然可以用上述的“相变材料”这一功能进行处理，但肯定会存在一定的误差，具体操作方法可观看视频[2]。）针对不同类相之间的相变，其实COMSOL也有一种较为简单的处理方法，就是利用“变形几何”进行处理。如图4所示是金属锡相变的模型，用到的就是“变形几何”这一功能。但是由于“变形几何”本质上也是用网格的移动和变形来进行处理的，所以存在一个很大的缺陷就是不能模拟固液界面的拓扑变化。具体展开说就是，1.不能无中生有，计算域在初始状态必须要同时存在固体和流体，无法处理纯固体融化以及纯流体固化的问题；2.不能模拟固液界面破碎、融合等情况；3.不能模拟完全融化以及完全凝固的情况，即在终止计算时间下也必须存同时存在固体和流体；4.处理固液界面大变形时收敛情况不好，虽然可以用自动重新划分来缓解，但是每次重新划分网格就会出现一次数据的奇点，在后处理提取数据时不方便。基于以上原因，用“变形网格”处理不同类相之间的相变还是有非常大的局限性的。
案例在2022年10月15日的COMSOL传热/相变专题网课详细讲解）
那有没有什么方法可以避开上述“变形网格”的缺点来更好的处理不同类相之间的相变问题呢？答案是有的！可以通过自定义的方法来人为的识别计算域中固体和流体的部分，目前本人收集的方法共有两种。第一种方法，如图5所示，是流道中结冰的案例。在流道的左上端，因为持续抽走热量，所以流道中的水会发生结冰（蓝色部分即为冰。），并且结冰会反作用于阻碍流道里水的流动，如图6所示，案例详细介绍可观看视频[3]。第二种方法，如图7所示，为完全固态金属锡的融化，案例详细介绍可观看视频[4]。这两个案例分别用到了两种自定义的方法，都是属于典型的无中生有的案例，其中流道中水结冰是从流体中“生出”固体，完全的金属锡融化是从固体中“生出”流体。
案例在2022年10月15日的COMSOL传热/相变专题网课详细讲解）
图6 流道结冰并阻碍水流动
案例在2022年10月15日的COMSOL传热/相变专题网课详细讲解）
本文就先说到这里，以后有机会的话再对这两种自定义的方法展开更具体的说明。
