COMSOL 建模简易保温杯热传导过程整理

Vacuum flask model stimulation introduction:

研究内容:内置泡沫保温材料的不锈钢保温杯在含90degC温度的热水下,周围环境为25[degC],在10个小时内的保温杯的热分布变化。

  1. 设定全局参数;
  2. 画图:不规则图形可以用线段组合;或者贝塞尔多边形进行勾勒,然后用【转换为实体】按钮将线段转换为实体图。

  1. 设定边界类,将一些特定组合的边界提前选定出来。方法为【定义】右键-【选择】-【显式】,右侧出现的属性界面,可以更换选择实体,还是面,还是线等。这样的操作可以使后面的边界定义操作更加简洁清晰。
  2. 【定义】右键-【环境热属性】,该操作可以更改标签,右侧的属性界面可以提前定义外界温度、气压、湿度等环境属性,此操作在后续设置外界对流边界时提供了方便。
  3. 添加材料:
    1. 区域编号如下:1为隔热泡沫;2为初始温度90°的热水;3为空气;4为尼龙材料的瓶盖。
    2. 其中1的内外边界还需要定义金属【薄层】。这个薄层定义在COMSOL 4.x版中操作为在物理场中右键选择【薄层】,然后在【薄层】右侧中选择使单层区域还是多层区域,选择是热薄近似(适用于区域热传导与临近几何相比,传导更迅速的情况。这种情况只关心切线热量,而忽略穿过薄层的纵向热量),还是热厚近似(适用于区域热传导与临近几何相比,热导很低的情况。这种情况下,我们只关心纵向传热,而不关心切向。这个选项适合多层结构的几何);然后材料分支中会出现响应的【单层材料】,在其中定义薄层厚度和材料属性即可。这样就不用为薄层的网格划分质量差而纠结,并且计算结果精度也是可以接受的。
  4. 添加物理场
    1. 首先设定【初始值1】,将1,3,4区域设为初始温度25[degC];
    2. 点击物理场的总支【固体传热】,右侧下方勾选【等温域】。这个操作是为了将区域2的热水设置为等温域,即区域内温度随时间变化,但是温度处处相等。这样可以简化计算。勾选之后还需要添加【等温域】操作,添加后选中等温域区域2,其余参数为默认值即可,如下:
    3. 添加【初始值2】,将区域2设置为初始值90[degC]
    4. 【固体传热】右键-薄层(层选择-单层材料;层模型-热薄近似)-材料分支-单层材料-材料厚度设为xxmm-材料设置为:合金刚。注意这里在选择薄层时,因此实际上是一些边界线的集合,所以在前面【显式】里定义的边界组,此刻就可以派上用场,直接在下拉菜单里选择即可
    5. 保温瓶与外界的对流传热边界条件通过【热通量】来设定
      1. 热通量需要设置4个属性:(1)选择对流热通量;(2)传热系数可以为自己定义,也可以选择【外部自然对流】等;(3)这个选项有讲究,直立的边界,还是横的边界的散热是不一样的,我的【热通量1】是先设定瓶身的边界条件,因此选择垂直壁;(4)壁高度为瓶身的总高度,即使瓶身有弧度,不是绝对的垂直地面,但是这里只考虑瓶身的总高度即可。同理【热通量2】是设定的瓶盖处的传热,因此传热系数处选择了【水平平板,上侧】。长度填写的瓶盖半径,即对称区域的瓶盖长度。
    6. 画网格
    7. 计算-我们打算研究保温杯10个小时内的温度变化,因此在【研究设置】处将【时间单位】改为【h】,时间步填写为[range(0,0.1,10)]。
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