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1、仿真软件实验 (二)徐远清2012-9一、复习上节课的内容通道流的建模解析解解析解数值数值解解一、复习上节课的内容程序验证lx=0.005;ly=0.001;Pin=2;Pout=0;rho=1;nu=1;gama=nu/rho;y=-0.0005:0.00001:0.0005;h=ly;ux=(Pin-Pout)/(lx)/2/rho/gama*(h/2)2-y.2);plot(ux)解析解解析解一、复习上节课的内容关于有限元分析第一步：问题及求解域定义：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定根据实际问题近似确定求求解域解域的物理性质和几何区域。的物理性质和几何区域。 第二第二步：求
2、解域离散化：步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限将求解域近似为具有不同有限大小大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上上称为称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域散域的近似的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将差都将增大增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。之一。 第三第三步：确定状态变量及控制方法：步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理一个具体的物理问问题通常题
3、通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式式表示表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函泛函形式形式。 三、网格划分第四步：单元推导：第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即对单元构造一个适合的近似解，即推导推导有限有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元单元试试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形形成成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵单元矩阵（结构力
4、学中称刚度阵或柔度阵）。）。第五步：总装求解：第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵将单元总装形成离散域的总矩阵方程方程（联合（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元单元函数函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点单元结点进行进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点结点处处。第六步：联立方程组求解和结果解释：第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致有限元法最终导致联联立方程立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭
5、代法和随机法组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质质量量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需需要要重复计算。重复计算。 一、复习上节课的内容关于有限元分析第一次课：第一次课：第一次课：第一次课：介绍建模与仿真的概念，让同学们对建模与仿真及相关的研究应介绍建模与仿真的概念，让同学们对建模与仿真及相关的研究应用及平台等有一个详细的了解，并初步采用用及平台等有一个详细的了解，并初步采用Comsol Multiphysic
6、sComsol Multiphysics建立简单的流体建立简单的流体仿真模型。仿真模型。第二次第二次第二次第二次课：课：课：课：采用采用Comsol Comsol MultiphysicsMultiphysics建立具有相对复杂求解域的二维流体模建立具有相对复杂求解域的二维流体模型。涉及型。涉及“求解域的建立求解域的建立”、“网格划分网格划分”、“求解设置求解设置”及及“后处理后处理”等步等步骤，并实现简单三维模型的建立。骤，并实现简单三维模型的建立。第三次第三次第三次第三次课：课：课：课：采用采用Comsol MultiphysicsComsol Multiphysics建立多场耦合模型，主
7、要以建立多场耦合模型，主要以“T T形微混形微混合器合器”及及“基于电渗流基于电渗流的微通道门的微通道门进样模型进样模型”加强对软件使用的加强对软件使用的练习，加深对练习，加深对多场耦合的认识。多场耦合的认识。第四次课：第四次课：第四次课：第四次课：课题设计：课题设计：“基于电渗流的微通道门进基于电渗流的微通道门进样的数值模拟样的数值模拟”一、复习上节课的内容本次课内容安排二、不规则求解域实例在很多时候，求解域的形状需要采用布尔运算完成，以完成较为复杂的求解域。对于复杂一些的求解域，首先要在规划阶段明确建立方法及尺寸。二、不规则求解域实例二、不规则求解域实例二、不规则求解域实例采用采用PID
8、控控 制制 器器 来来 模模 拟拟 程程 序序 控控 制制 系系 统统 , 并并 找找 出出 最最 佳佳 PID 参参 数数二、不规则求解域实例三、不规则求解域的建立（T形通道）三、不规则求解域的建立（T形通道）三、不规则求解域的建立（T形通道）在在D盘建立盘建立comsol_work,文件夹，将文件夹，将T形通道存储形通道存储为为T.mph，以后备用。，以后备用。三、不规则求解域的建立（T形通道）三、不规则求解域的建立（微电渗混合器）ParameterValueWidth80e-6Height10e-6BaseCenterx position0y position0Parameter Val
9、ueRadius15e-6BaseCenterx position0y position0ParameterValueRadius5e-6BaseCenterx position0y position0三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）1235234681 1、规划、规划74三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模应用模式应用模式三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模1三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模2三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模3三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）
10、2、建模、建模4L: 2e-6*20.5W: 4e-6-2e-6*20.5Corner: (0,0)三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模5(0,4e-6-4e-6*20.5/2)(5e-6*20.5/2, 4e-6-4e-6*20.5- 5e-6*20.5/2)三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模6三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模6(11e-6*20.5-9e-6,-5e-6)三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模7(11e-6*20.5-9e-6-1e-6*20.5,1e-6*20.5)三、不规则求解域的建立（分叉毛细
11、管通道）2、建模、建模8三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模布尔运算布尔运算三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模填补填补三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模组合，删除内部边界组合，删除内部边界三、不规则求解域的建立（分叉毛细管通道）2、建模、建模复制对称复制对称结构，组合结构，组合在在D盘盘comsol_work,将模型存储将模型存储为为Bifucation.mph，以后备用。，以后备用。为何要进行网格划分？因为求解对象是整场的值，划分网格是要将宏观对象微观化，复杂问题简单化，连续时空离散化。四、网格划分网格划分的主要注意事项？u划分方法（
12、自动？手动？整场？分块？）u形状u大小u疏密 粗分四、网格划分（粗分与细分）细分四、网格划分（T网格质量显示）网格质量的显示，只是表明网格形状的均匀程度，网格质量的显示，只是表明网格形状的均匀程度，以及作为单元求解的可行程度，这种可行程度对于以及作为单元求解的可行程度，这种可行程度对于全局求解来说，是必要条件，而非充分条件。全局求解来说，是必要条件，而非充分条件。以上的网格质量显示出了较高的质量，但是求解以上的网格质量显示出了较高的质量，但是求解会失败，这是会失败，这是因为在因为在物理量的锐变物理量的锐变点处网格精度太点处网格精度太低。低。四、网格划分（关于网格关于网格质量质量）四、网格划分（
13、划分技巧）三、网格划分四、网格划分（划分技巧局部加密）四、网格划分（自由网格参数）四、网格划分（自由网格参数）四、网格划分（自由网格参数）什么是边界条件？什么是边界条件？边界条件种类？边界条件种类？怎样设置边界条件？怎样设置边界条件？五、边界条件边界边界边界条件？边界条件？在边界上设置的初值，求解域内部的值是要求出来的，在边界上设置的初值，求解域内部的值是要求出来的，但是边界上的值需要直接给定。但是边界上的值需要直接给定。五、边界条件 对有限元计算，无论是ansys，abaqus，msc 还是comsol等，归结为一句话就是解微分方程。而解方程要有定解，就一定要引入条件， 这些附加条件称为定解
14、条件。定解条件的形式很多，常见的有两种：初始条件和边界条件。五、边界条件 当方程y(x)需要求得未知参数时，通常需要事先知道y(x)及其导数y(x)在自变量的同一点x=x0取给定的值，即y(x0 )=y0， y(x0)= y0，这种条件就称为初始条件，由方程和初始条件构成的问题就称为初值问题。 在许多实际问题中，往往要求微分方程的解在在某个给定的区间a x b的端点满足一定的条件，如y(a) = A , y(b) = B 则给出的在端点(边界点)的值的条件，称为边界条件，微分方程和边界条件构成数学模型就称为边值问题。五、边界条件第一类：狄雷克利边界条件：给出未知函数在边界上的数值。如给定边界上
15、的温度、压力等。第二类：诺依曼边界条件：给出未知函数在边界外法线的方向导数。如给定边界上的温度梯度、电压梯度等第三类：罗宾边界条件：给出未知函数在边界上的函数值和外法向导数的线性组合。如水换热器中流体和管壁的边界等。五、边界条件(类型)四、边界条件设置按演化模式分:1. 流动进口边界：包括速度进口边界，压力进口边界，质量进口边界（可压流动）2. 流动出口边界; 3. 壁面边界（绝缘、绝热、电磁屏蔽）；4. 对称边界:在对称边界上，垂直边界的速度取为0，而其他物理量的值在该边界内外相等5. 周期性（循环）边界: 流出循环边界出口的所有流动变量的通量等于进入循环边界的对应变量的通量。五、边界条件(
16、类型)按不同物理量分:1. 压力边界; 2. 壁面边界; 3. 温度边界（热通量）； 4.电压（电流）；5. 磁场边界（磁通量）6.速度边界五、边界条件(类型)(1)选中相应的物理模式(2)激活边界条件设置模式(3)选择相应的边界类型(4)设定相应边界值练习练习 T T型通道的边界条件设置型通道的边界条件设置五、边界条件(Comsol中设置步骤)什么是稳态？什么是瞬态？什么是稳态？什么是瞬态？六、求解器与求解步骤什么是多场耦合时什么是多场耦合时解的依赖关系？解的依赖关系？选择求解对象选择求解对象及求解顺序及求解顺序六、求解器与求解步骤1 1、色度图（温度、压力、速度、电场、磁场、浓度）、色度图
17、（温度、压力、速度、电场、磁场、浓度）七、后处理什么是后处理？什么是后处理？2 2、矢量图（速度、各种通量）、矢量图（速度、各种通量）七、后处理3 3、等高线（温度、压力、速度、电场、磁场、浓度）、等高线（温度、压力、速度、电场、磁场、浓度）七、后处理4、剖面图七、后处理流体为流体为2020摄氏度水，速度场，压力场，速度矢量场摄氏度水，速度场，压力场，速度矢量场流线分布，入口速度曲线，出口速度曲线。流线分布，入口速度曲线，出口速度曲线。七、后处理考虑三维的情况考虑三维的情况圆管直径圆管直径1010微米，长度为微米，长度为100100微米，流体为水，微米，流体为水，2020摄摄氏度情况下。氏度情况下。七、后处理考虑三维的情况，考虑三维的情况，U U型管型管七、后处理八、Comsol应用基本练习一、通道流练习二、电场求解练习三、传热练习四、溶质扩散练习谢谢！
