COMSOL软件介绍与应用

多孔介质传热传质

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COMSOL软件介绍与应用

一、COMSOL Multiphysics软件介绍

1.1 COMSOL Multiphysics软件简介

COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典COMSOL 公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。

COMSOL Multiphysics 起源于MATLAB 的PDE Toolbox，最初命名为PDE Toolbox 1.0。后来改名为Femlab 1.0（FEM 为有限元，LAB 为实验室），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。从2003年3.2a 版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。在全球各著名高校，COMSOL Multiphysics 已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球500 强企业中，COMSOL Multiphysics 被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。2006 年COMSOL Multiphysics 再次被NASA 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”，NASA 技术杂志主编点评到，“当选为NASA 科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics 是对工程领域最有价值和意义的产品”。

COMSOL Multiphysics 软件设计理念独特，她抛弃了传统意义上的单元（库）的概念，抛弃了网格划分时单个单元刚度矩阵的概念，将多个偏微分方程（组）直接组装成一个总的刚度矩阵。这样出现的结果即是，不管求解多少个物理场，我们只需选择对应的偏微分方程进行任意组合，软件自动联立求解，实现任意多物理场、直接、双向实时耦合。

COMSOL Multiphysics 以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。目前已经在声学、生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、

光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。到现在，COMSOL Multiphysics已经更新至4.4版本，成为一套很完善的通用数值分析软件，下图是软件的整体构架：

图中各模块分别为：

?低频电磁场模块( AC/DC Module)

?声学模块(Acoustics Module)

?化学工程模块( Chemical Engineering Module)

?地球科学模块（Earth Science Module）

?热传导模块( Heat Transfer Module)

?微系统模块( MEMS Module)

?高频电磁场模块（RF Module）

?反应工程实验室(Reaction Engineering LAB)

?结构力学模块(Structural Mechanics Module)

?优化实验室(Optimization LAB)

?CAD 导入模块( CAD Import Module)

?材料库（Material Library）

各模块之间可以相互耦合。同时COMSOL还有强大的外部整合接口，包括SolidWorks 实时交互，Simpleware Scan FE 模型导入，MATLAB 和Simulink 联合编程，MatWeb 材料库导入，Simpleware/Mimics 接口，SolidWorks/Autodesk Inventor 实时交互，SPICE/PSPICE 电路语言接口等。同时，COMSOL支持多种

操作平台，包括Windows，Linux，Mac OS等平台。

1.2 COMSOL Multiphysics的显著特点

1.求解多场问题=求解方程组，用户只需选择或者自定义不同专业的偏微分方程进行任意组合便可轻松实现多物理场的直接耦合分析。

2.完全开放的架构，用户可在图形界面中轻松自由定义所需的专业偏微分方程。

3.任意独立函数控制的求解参数，材料属性、边界条件、载荷均支持参数控制。

4.专业的计算模型库，内置各种常用的物理模型，用户可轻松选择并进行必要的修改。

5.内嵌丰富的CAD 建模工具，用户可直接在软件中进行二维和三维建模。

6.全面的第三方CAD 导入功能，支持当前主流CAD 软件格式文件的导入。

7.强大的网格剖分能力，支持多种网格剖分，支持移动网格功能。

8.大规模计算能力，具备Linux、Unix 和Windows 系统下64 位处理能力和并行计算功能。

9.丰富的后处理功能，可根据用户的需要进行各种数据、曲线、图片及动画的输出与分析。

10.专业的在线帮助文档，用户可通过软件自带的操作手册轻松掌握软件的操作与应用。

11.多国语言操作界面，易学易用，方便快捷的载荷条件，边界条件、求解参数设置界面。

1.3 COMSOL提供的多种可供选择的模块

COMSOL Multiphysics 是多场耦合计算领域的伟大创举，它基于完善的理论基础，整合丰富的算法，兼具功能性、灵活性和实用性于一体，并且可以通过附加专业的求解模块进行极为方便的应用拓展。COMSOL Multiphysics中现有的模块包括：

?AC/DC 模块(AC/DC Module)

?声学模块(Acoustics Module)

?CAD 导入模块(CAD Import Module)

?化学工程模块(Chemical Engineering Module)

?地球科学模块（Earth Science Module）

?热传导模块(Heat Transfer Module)

?材料库（Material Library）

?微机电系统模块(MEMS Module)

?射频模块（RF Module）

?结构力学模块(Structural Mechanics Module)

?COMSOL 脚本解释器(COMSOL SCRIPT)

?反应工程实验室(Reaction Engineering LAB)

?信号与系统实验室(SIGNALS SYSTEMS LAB)

?最优化实验室(OPTIMIZATION LAB)

1.4 COMSOL MULTIPHYSICS 软件体系

COMSOL Multiphysics 的界面操作环境内建前处理、求解和后处理功能，建模分析过程中的各个步骤（几何模型绘制、指定材料特性和边界条件、剖分网格、求解以及结果后处理）都变得非常的容易实现。基于大量的预定义的应用模式，涵盖流体、传热、结构力学、电磁场、化学反应、地球科学及多场耦合模型，以及自定义偏微分方程，帮助用户十分迅速的建立分析模型。材料属性、载荷、边界条件可以定义为基于独立变量的任意函数。

针对热能工程专业，COMSOL MULTIPHYSICS中有关流体，传热的模块中包含了众多模型可供用户选择。流动模型中包括单向流，播磨流动，多相流，多空介质和地下水流，非等温流，高马赫数流动，Rarefied流，流动流体离子追踪，流固耦合等模型，传热模型中包括固体传热，流体传热，管中传热，多孔介质传热，生物传热，薄壳传热，共轭传热，辐射，电磁热等模型，用户可根据自身需求选择相应模型。