COMSOL

Материал из theor
Перейти к: навигация, поиск

COMSOL Multiphysics - программа для конечно-элементных расчётов сложных научно-технических задач. Пакет COMSOL Multiphysics позволяет моделировать практически все физические процессы, которые описываются частными дифференциальными уравнениями. Программа содержит различные решатели, которые помогут быстро справиться даже с самыми сложными задачами, а простая структура приложения обеспечивает простоту и гибкость использования. Решение любой задачи базируется на численном решении уравнений в частных производных методом конечных элементов. Спектр задач, которые поддаются моделированию в программе чрезвычайно широк. Набор специальных модулей в программе охватывает практически все сферы приложений уравнений в частных производных. Пакет COMSOL Multiphysics установлен на компьютерах в аудитории В-109.


Примеры решения задач

Ниже приведено описание использования COMSOL Multiphysics на стандартных примерах, поставляемых вместе с этим пакетом.


Пример 1

heat_transient_axi.mph
В этом пример рассматривается расчет процесса теплопередачи. Постановка задачи следующая: имеется цилиндр с заданой теплопроводностью и начальной температурой 0С. Все внешние поверхности цилиндра поддерживается при температуре 1000С. Необходимо рассчитать зависимость температуры тела от времени.
Чтобы решить такую задачу, при создании нового файла в COMSOL нужно выбрать размерность 2D axisymmetric, далее модель Heat Transfer In Solids и Time Dependent, так-как задача не стационарная. Когда новый проект создан - в окне Model Builder - мы видим все компоненты, присутствующие в нашем проекте.
COMSOL s1.png
Для начала нужно создать цилиндр, для этого в Model Builder нужно открыть вкладку Model, сделать правый клик на Geometry и выбрать прямоугольник, так как мы работаем с радиальной симметрией. После того как размер и расположение прямоугольника задано, можно нажать кнопку Build, и тогда прямоугольник отобразится в окошке с графикой.
COMSOL s2.png
Теперь нужно задать свойства материала. Для этого сделайте правый клик по Materials и выберите Material. Будет создан новый материал, здесь нужно указать, какие элементы геометрии изготовлены из этого материала (по умолчанию уже будет выбран цилиндр) и необходимые физические параметры материала (плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность).
COMSOL s3.png
Следующий шаг - задать начальные и граничные условия. Эти параметры указываются во вкладке Heat Transfer In Solids. В созданом по умолчанию параметре Initial Values задаются начальные условия для температуры тела. Чтобы добавить граничные условия, в нашем случае нужно сделать правый клик по Heat Transfer In Solids и выбрать Temperature. Для этого параметра нужно выбрать грани - All boundaries, и задать температуру границ.
COMSOL s4.png
Теперь можно приступить к вычислениям. Откройте вкладку Study-Step 1. Здесь можно указать интересующий нас временной интервал и шаг по времени. После этого щелкниет правой кнопкой мыши по Study и выбирете Compute.
COMSOL s5.png
Во вкладке Results можно настроить параметры отображения результатов, добавить графики с интересующими плоскостями, срезами, изотермальными линиями итд.
Этот пример выполнен в файле heat_transient_axi.mph, входящем в комплект COMSOL.
Как видно на этом примере, использование COMSOL во многом интуитивно. Следующие примеры будут разабраны менее подробно.

Пример 2

capacitor_tunable.mph
Этот пример - рассчет электростатического поля создаваемого обкладками конденсатора - трехмерная стационарная задача.
Заданая геометрия - 2 обкладки сложной формы, составленные из блоков прямоугольной формы, которые помещены в блок из диэлектрика. Для диэлектрика нужно создать новый материал и задать его диэлектрическую проницаемость.
COMSOL s6.png
В параметрах задачи Electrostatics задаются потенциалы обкладок. Одна обкладка назначается Ground, а другая - Terminal с потенциалом 1 вольт.
COMSOL s7.png
После того, как задана геометрия и потенциалы обкладок, можно запускать вычисления.
Для такой задачи интересным может быть потенциал на сечениях. Чтобы построить такой график, нужно сделать правый клик по Results и выбрать 3D Plot Group, затем правый клик по созданной группе и выбрать Slice. В параметрах созданного Slice можно настроить количество и местоположение сечений.
COMSOL s8.png

Пример 3

Heat_Sink.mph
В этом примере описан процесс охлаждения радиатора потоком воздуха. Радиатор закреплен на источнике тепла (воспроизводится модель охлаждения микропроцессора). Эта модель включает в себя одновременно расчет теплопередачи внутри радиатора, конфигурации потока воздуха и теплообмен радиатора с воздухом. Эта задача решается как стационарная.
На вкладке Global Definitions-Parametres заданы некоторые глобальные константы.
COMSOL s9.png
Геометрия включает в себя воздушную трубу, радиатор, тепловыделяющий элемент. Всего используется 4 материала: воздух, аллюминий (радиатор), кварцевое стекло (процессор) и термопаста (тонкая прослойка между процессором и радиатором).
Самая важная часть - настройка модуля Conjugate Heat Transfer. Помимо обязательных настроек начальных и граничных условий, были добавлены следующие элементы:
1 Fluid : это условие превращает наш воздух в несжимаемую жидкость, в которой также отсутствует нагрев за счет вязкости. Это существенно облегчит вычисления.
2 Heat Source : источник тепла - процессор.
3 Inlet : поступающий в трубу воздух.
4 Outlet : исходящий из трубы воздух.
5 Temperature : температура поступающего воздуха.
6 Outflow : специальное граничное условие на гарани через которую исходит воздух. Outflow используется когда процесс передача тепла происходит преимущественно из-за конвекции.
7 Thin Thermally Resistive Layer : тонкий слой с заданой теплопроводностью - термопаста.
COMSOL s10.png
После вычислений в этом примере строится график, на котором видно температуру и добавлены стрелочки обозначающие скорость и направление протекающего воздуха.
COMSOL s11.png