COMSOL工作流程---层流模拟 (Laminar Flow)
1. 引言
地下水在节理中的流动以及充填采矿中充填体在管道中的流动经常假设为层流。本文简要描述了使用COMSOL模拟层流的过程，本质上也是COMSOL的工作流程【安装仅用于岩土工程的多物理场模拟软件Comsol】。
2. 什么是层流
层流(Laminar Flow)是流体（气体或液体）流动的一种类型，在层流中，流体平稳或按规则路径流动，与之相反的是湍流，在湍流中，流体发生不规则的波动和混合。在层流中，流体中每一点的速度、压力和其他流动特性都保持不变。
层流可视为由相互平行的薄层或层状物组成。与表面接触的流体是静止的，而所有其他层则相互滑动。一副新扑克牌就是一个很好的比喻，可以让它层层 流动。
层流仅在流道相对较小、流体流动缓慢且粘度相对较高的情况下才常见，例如流经细管的油流或流经毛细血管的血流。大多数其他类型的流体流动都是湍流，除非在固体边界附近，那里的流动通常是层流，尤其是在紧邻表面的薄层中。
3. COMSOL的层流
COMSOL的层流接口用于计算单相流体流动在层流状态下的速度场和压力场。只要雷诺数(Reynolds number)低于一定的临界值，流动就将保持层流状态。雷诺数较高的情况下，扰动趋于明显，并最终过渡为湍流。这个临界雷诺数因模型而异，一个经典示例是管道流，其中公认的临界雷诺数接近 2000。
该物理场接口支持低马赫数（通常小于 0.3）的不可压缩流动和可压缩流动，还支持非牛顿流体。该接口求解动量守恒的纳维-斯托克斯方程和质量守恒的连续性方程，可用于稳态和瞬态分析。请注意，雷诺数较高时，流体在根本上变为瞬态和三维流态，此时应该使用瞬态研究。
4. 模拟流程
(1) 选择空间维度。文件>新建>模型向导>二维。
(2) 选择物理场。流体流动>单相流>层流(spf)>添加>研究。
(3) 选择研究。一般研究>稳态>完成。稳态在固体力学中，用于计算处于静态平衡时的变形、应力和应变。在流体流动中，用于计算稳态流场和压力场。此研究还可以计算多个解（例如大量载荷工况），或跟踪缓慢变化载荷的非线性响应。
(4) 设置单位。模型开发器>几何1。在设置几何中改变长度单位和角度单位。
(5) 建立几何模型。几何>矩形，产生矩形1(r1): 输入宽度(100)和高度(30)，输入位置(0,0)；产生矩形2(r2): 输入宽度(200)和高度(60)，输入位置(100,-15)。这是两个邻接的矩形，需要组合在一起。
(6) 组合模型。几何>布尔操作和分割>并集，选择两个矩形r1和r2，不勾选“保留内部边界”，按面板左上角的“构建选定对象”，产生出如下的几何模型。
(7) 设置流体边界。物理场>边界>入口，选择左边界，“法向流入速度”U0输入0.1m/s；相同的操作选择右边界，压力p0输入0。
5. 结束语
(1) 管道形状的改变会影响流速，如下图所示，在截面变窄的地方流速变大。
(2) 与层流相关的分析是“粒子追踪”，“粒子追踪”包含的接口用于计算流体中颗粒、液滴或气泡的轨迹，包括单向和双向流体-颗粒的相互作用。“流体流动颗粒跟踪”接口用于计算背景流体中的颗粒运动。颗粒的运动由曳力、重力驱动，可以添加用户定义的力，还可以计算颗粒质量、温度以及颗粒-流体相互作用。初步试验了一下这个功能，计算步骤很简单，但要得到具有真实意义的解，还需要在输入参数上作很大努力。
