Comsol学习——经典案例：水杯中的自然对流

0.问题描述

案例几何模型和讲解PDF可以在官网案例中下载到：

1.选择研究空间维度

为了简化问题，这里可以用二维模型的旋转对称来简化建模。因此研究维度选择二维轴对称。

2.选择物理场

这个问题中涉及到流体流动，以及传热。水的温度不是均匀的，根据教程，这里选择非等温流动接口。

3.选择研究类型

这里由于我们想观测水如何流动以及温度如何变化，因此选择瞬态研究类型。

4.创建几何

这里导入下载好的几何序列，点击全部创建：

5.定义材料

本问题中，涉及到的材料有杯壁的石英玻璃：

以及杯子里面的水：

6.定义物理场

层流部分

流体属性跟随材料，初始值不需要设置

接下来定义轴对称

再设置好流体的壁

设置重力加速度方向和值，负值代表沿Z轴向下为重力方向

设置参考压力点，这里选择水面边界的一点为参考0表压的地方。

最后再添加液体上壁

流体传热部分

设置流体计算部分

这里依据问题描述，设置一下初始水温，根据问题描述，杯子才从冰箱拿出来，只有5℃，即278K。

还是一样，要设置轴对称，等会才能看到一个完整的杯子。

热绝缘在这个问题中没有，因此不需要设置。

这个传热中存在固体，固体设置为杯子。

根据问题描述，杯底与桌子接触，我们默认杯子就是环境温度。环境温度是预设好的，25℃。

设置热通量1：杯壁与空气之间的自然对流，属于外部自然对流，属于倾斜壁与外部空气自然对流的类型。

最后上面部分的传热被简化为最简单的传热描述，案例给出了一个传热系数来计算。至此，问题所需要设置的物理场均已设置完成。

7.生成网格

自动创建，选择全部创建，这里设置成细化的网格。

8.计算

由于是瞬态研究，设置一下计算的时间参数，然后就可以计算了。可能是因为二维的原因，30s就计算完成了。

9.后处理

直接创建一个面绘图，参数选择物理场中的速度，即可得到二维图中水的速度分布。

我比较关心温度分布，首先创建一个2D绘图来看看温度分布，这里可以用等温线来演示温度分布。

再创建一个3D绘图，选择绘制表面，表达式选择流体传热中的温度参数。

但是像上面这么看，温度分布看着区别不是很大，而且好像不是很漂亮。这里对它重绘下。首先手动控制颜色范围，把颜色范围变小，加强对比度，数据范围不用调整。然后把着色的样式给换成比较好看的彩虹色。重绘就可以画出下面这样看着更漂亮的图了。可以看到杯底传热速度强于杯壁强于上表面的，因此可以看到有一个这样的温度分布。

最后，绘制一个流线与热通量关系的图。创建一个三维绘图，创建一个表面绘图绘制杯底的热通量, 创建一个表面绘制杯壁的热通量, 最后再创建一个流线来绘制水流的流线。调整下颜色，即可得到下图。（看着好像还是有些乱）

10.总结

合理使用对称，可以大幅度降低仿真时间，这一点应该好好学习。

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