comsol中熱-流耦合的問題?

01-15

題主大一新生一枚，看到了今年美賽的第一題，果斷決定用comsol來處理。在計算里，題主用的是單相層流模塊和液體傳熱模塊，最後設置耦合。實際計算的時候發現，無論題主怎麼設置網格剖分，在計算過程中一定會出現求解器發散boom的情況。題主覺得可能是浴缸中的水流中出現了湍流，導致層流模塊的演算法失效了。然而我不是很了解comsol里的湍流模塊，也不太了解湍流的理論（不是很懂你們CFD）。有沒有做過類似模擬的大神，求抱大腿！於是目前主要疑惑是： 1.到底有沒有湍流出現？ 2.如果有湍流出現的話，應該如何選擇comsol湍流模塊用於計算？ 3.收斂速度太慢（或者乾脆不收斂orz），在假定物理模型沒有問題的情況下，應該怎樣調整網格剖分和求解器？ ---------------------------?(ˉ?ˉ?)割割割
於是這個是前0.3s的模擬

做模擬其實最怕的是在物理問題還沒分析清楚的時候就上手調模型，如果你的問題不是 well-posed, 很多的工作可能都是毫無意義的，即使模型收斂給出了結果，結果也不可靠。

所以一般第一步是先想清楚，到底要模擬什麼問題，物理現象是什麼樣的，邊界上發生了什麼，有沒有外加的源或者其他因素的影響。想清楚了再上手。建模從來都是這樣的，看案例的時候容易，覺得裡面的設置順理成章，輪到自己建模的時候就撓牆了。這裡其實還是關鍵是要回去看自己的物理問題如何數學抽象。當然各個邊界條件具體的數學表達軟體裡面都有顯示，也是一定要看的。

NS 方程在數值求解時，當對流項作用越來越顯著時，非線性越來越強，數值上越來越難於求解。而對流項在方程中的一個重要指標是雷諾數，如果你觀察無量綱化的 NS 方程，對流項前面的係數就是 Re。在數值求解的時候，可以參考的常常是單元雷諾數，這也是為什麼即使是某些層流問題，稀疏網格難於收斂，而網格加密到一定程度後即能收斂的原因。

湍流來說，可以先試試 k-epsilon。不過要注意的是你的求解器最好用原裝的，就是你改了湍流模型後，重新添加一次研究，這樣求解器設置就會重新為你的湍流模型配置。

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首先是不是湍流可以根據雷諾數來判斷，你的這個問題應該採用湍流。comsol中有很多湍流模型，實際比較常用的有k-epsilon和k-w,不過因為這兩個模型都是二方程湍流模型，所以求解難度會相對較大(當然即使是層流問題，因為本身非線性較強，所以也是較難求解的)，所以建議先採用代數型的湍流模型，相對會更容易收斂。另外，因為需要定義入口的流速，所以需要避免空間不連續的問題，入口的速度可以定義成拋物線型。另外，這個問題是一個強耦合的問題,所有可以選擇全耦合直接器。

如果浴缸尺度的話，很可能是湍流。建議你先學習些CFD基礎，畢竟軟體只是工具，如何將工程問題用物理原理來表達是第一步，之後才是數值計算，對物理問題分析不透徹的話，很難去debug模型。一般情況下三維湍流對網格要求比較高，計算強度大。先算下雷諾數，再看網格夠不夠細吧。