农学专业多物理场仿真课程中的关键问题

安徽农业科学,J.Anhui Agric.Sci.2018,46(10) :227 -228

农学专业多物理场仿真课程中的关键问题

宋晓燕,宋作,刘宝林*,王欣,宋丹萍 (上海理工大学生物系统热科学研究所,上海20093)

摘要随着学科交叉程度的不断加深,多物理场仿真技术在农业科学研究中的作用越来越显著。分析了多物理场仿真模拟过程中空间 维度选择、物理场选择、耦合参数设置的若干技术问题,并提出了关于多物理场课程教育改革与培训的几点建议。

关键词制冷;多物理场;仿真技术

中图分类号S-01文献标识码A 文章编号0517 -6611(2018)10 -0227 -02

Key Technical Problem s of M ultiphysics Sim ulation Course for A gricultural M ajors

SONG Xiao-yan , SONG Zuo , LIU Bao-lin et al (Institute of Biothermal Science and Technolog , University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093 )

A bstract Multiphysics simulation technolog is playing a more and more important role in the agricultural scientific research field with the highly intersection of d ifferent disciplines. We analyzed some technological problems in the multiphysics field simulation process,like spatial dimension selection,physical field selection and coupling parameter setting,and put forward some advice about multiphysics simulation course education reform a d training.

Key words Agriculture ; Multiphysics fields ; Simulation technolog

随着自然科学的高速发展,人类探索自然界规律的步伐越来越快,但受当前科学研究工具和理论基础的局限性,很多试验无法进行,导致无效试验的比例越来越高[1]。数值模拟技术的诞生和应用则很好地解决了这一问题。数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机,结合有限元或有限容积的概念,通过数值计算和图像显示的方法,达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。目前,大量的商业数值模拟软件出现在企业、研究院所和高校的实验室中,其中包括 FLUENT、ANSYS、ABAQUS、SC/Tetra、TOSCA、Isight、MagneForce、FE- safe、Theseus- FE、SPDRM和COM-SO L等。鉴于多物理场技术的强大功能,企业和专门的科学研究机构纷纷购买了大型仿真软件用于提高科研水平或辅助开发产品。同时,我国很多高校也纷纷设置数值模拟课 程,希望为国家培养更多这方面的人才。在目前的商业仿真软件中,COMSOL M ultiphysic是一款大型多物理场耦合模拟软件,特别适用于模拟多种物理场之间有强烈耦合或者影响的复杂过程[24。笔者以COMSOL为例,分析了农业设备优化与农产品加工过程中多物理场模拟常常遇到的若干问题,以期为数值模拟的学习者和教学者提供参考。

1多物理模拟常见问题分析

1.1空间维度的选择在COMSOL中,空间维度选择是建立模型的第一步,也是最关键的一步,因为它决定了模拟的效率。COM SOL.3版本的界面中有6个维度可供建模者选择(图1)。其中,三维、二维轴对称、二维和一维轴对称适用于具有确定物理空间模型的物理场仿真,比如换热器表面流场的模拟[]、微通道内传热传质过程的模拟[]、果蔬冷却过程的模拟[7]。一维和零维则特别适用于基本理论实验的仿

基金项目国家重点研发计划重点专项(2017YFD0400404);上海市课程建设项目。

作者简介宋晓燕(1985—)男,河南郑州人,讲师,博士,从事农产品产地加工技术研究。*通讯作者,教授,从事制冷及低温工

程、生物医学工程研究。

收稿日期2018-01-16真,特别是没有物理空间约束的实验,比如电容式压力传感器中压力传感器的响应与封装材料之间的关系[]。前者与后者的区别在某种程度上可以认为是工科与理科的区别。12物理场的选择物理场选择的合适与否基本决定了仿真试验的成功与否,因为数值仿真是一个即粗放又精密的工作。粗放指的是相对于真实情况,它需要建模者对物理过程进行合理简化,从而有利于快速排除不必要的干扰。例如,在模拟制冷系统大型管道内部的流场时[],如果过于计较微小颗粒在流体中的布朗运动,这个模型基本上无法运行,否则计算量将是天文数字。精密指的是在关键环节上物理场的把握必须准确,而且参数一定要设置合理。例如,在模拟果蔬真空冷却过程中,叶类蔬菜必须考虑叶脉对其传热传质的影响(图2)[10],不能过度优化为规则的长方形或者椭圆形。基于这种粗放与精密之间的关系,必须合理选择物理 场,才能与该研究的设想高度吻合,最终借助参数以及参数间一系列的逻辑关系将模型以较高收敛性运行下去。例如,在模拟牛奶表面的蒸发过程时必须考虑到边界层的存在,而且这个边界层具有一定的厚度,此时选择稀物质传递和流体传热模块比较合适。然而,如果选择了固体传热与多空介质扩散模块,就需要完成大量的公式修订和参数设置工作,最关的。

1.3耦合参数的设置在物理场选择及基本参数设置完成之后,各个物理场之间需要搭建起逻辑的“桥梁”。这个桥梁就是人们通常说的耦合量,也是影响各个物理场在下一个步长计算结果准确度的关键。例如,在模拟木头防水油炸处理过程中的形变与冷却现象时,必须将温度与热膨胀系数之间的关系实时变换,而并非是简单地设置了不同温度下木头的膨胀系数。对于不同参数之间的关系,可以通过引入辅助参数、辅助公式或者辅助物理场实现。例如,在油炸土豆条冷却过程中,油的反渗透现象大部分是通过引入辅助公式的方法实现耦合?,如图3所示。

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