用comsol模拟大气湍流通过底部加热（温度不同）的腔体

Question

尝试了只加流体传热和湍流接口（就给底层边界一个热源，感觉结果不对热没传到流体），但只能出0-1s瞬态图，稳态出不来（这种方法瞬态图做出来不同温度下湍流截面图压力感觉不变，应该有问题），之后尝试了用共轭传热（在底部多加一个小扁矩形当加热板（腔外下面），给了加热板石墨材料），但结果出来加热板上的温度变化是气流入口附近温度高（应该气流入口处低），截面也是远离加热板处温度高（感觉温度还是没有传导），第三次还是共轭传热，尝试把腔体几何时分小细层出来，然后给小细层设定石墨材料，试了好几种，都显示材料这块需要给定动力黏度（不知道如何给，给多少），然后第四种在分的细层上面（腔里）加了个扁长方体加热板，都还没有计算，但同样的问题都是要动力黏度。希望可以解惑我这个模型到底该用什么传热接口，最主要的是这个加热板该如何设置，最后可以得到加热加热板（可以改变温度）使流过腔体气流的温度，速度方向，压力等会有变化，同时板上的温度变化可以是入口处稍低的这种形式。最后，若是我尝试将模型变为底面温度来自周围温度的这种热传导（就目的和上面一样），忽视底面的实际存在，只要外界和内部直接热传递该如何做，希望解惑，谢谢🙏，湫湫了我的哥，尽快，大概是图上那种，只有湍流一层

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引自免费微信小程序：皆我百晓生

针对您在使用COMSOL模拟大气湍流通过底部加热腔体时遇到的问题，以及希望实现的加热板设置和模型调整，以下是我为您提供的详细解决方案：

1. 选择传热接口：

   • 基于您的描述，您应该使用“传热”接口（Heat Transfer）和“湍流”接口（Turbulence）来模拟流体的热传递和流动行为。这两个接口可以很好地模拟底部加热对流体温度、速度和压力的影响。

2. 底部加热板设置：

   • 几何结构：在腔体底部创建一个与底部形状匹配的薄层（例如厚度为0.01m的扁平矩形），将其定义为加热板，材料设置为石墨或其他具有高热导率的材料。
   • 热源：在“传热”接口中，为加热板表面指定热通量边界条件，而非直接设置温度。这可以通过“热通量”（Heat Flux）或“表面热源”（Surface Heat Source）功能实现。根据实际需求，您可以设置恒定热通量或随时间变化的热通量。
   • 热传导：确保加热板与腔体其余部分之间有良好的热接触，并且两者之间无明显温度跳跃。如果需要，可以增加接触热阻参数（Contact Thermal Resistance）来考虑接触界面的热传递效应。

3. 动力黏度设置：

   • 对于气体，其动力黏度通常随温度变化。您可以在“湍流”接口中选择合适的湍流模型（如k-ε模型、RANS模型等），并确保该模型已启用“动力黏度模型”（Dynamic Viscosity Model）。对于空气这样的常见气体，您可以选择内置的“Sutherland's Law”模型，它会根据温度自动计算动力黏度。无需手动输入动力黏度值。

4. 稳态与瞬态计算：

   • 如果您的目标是获取稳态结果，应确保在“研究步骤”（Study Step）中选择“Stationary”类型。对于瞬态问题，选择“Time Dependent”。确保设定合理的初始条件和时间步长，以达到收敛的稳态或准确的瞬态结果。

5. 流场及温度分布：

   • 通过设置适当的切片、等值面或箭头图来可视化流场（速度方向）和温度分布。观察加热板附近和腔体内部的温度梯度，确认是否符合预期（即入口处温度略低于加热板附近）。

6. 外部环境热传递：

   • 如果您希望忽略底部实际存在，仅考虑外界与腔体内直接热传递，可以采用以下方法：
     • 在腔体底部添加一个虚拟壁面（例如，厚度为0.01m的薄层），作为与外界环境的接触面。
     • 为虚拟壁面指定合适的边界条件，如环境温度（Fixed Temperature）或环境对流换热（Convective Heat Flux），具体取决于外界环境条件。

以下是简化的COMSOL模型设置示例代码（基于COMSOL 6.x版本的语法）：

# 创建模型并导入相关模块
model = Model("BottomHeatedCavity")
model.setDimensions(3)

# 创建几何结构
cavity = model.Geometry().createRectangle(xmin=0, xmax=2, ymin=0, ymax=1, zmin=0, zmax=1, name="Cavity")

# 创建底部加热板（厚度为0.01m）
heating_layer = cavity.createRectangle(xmin=0, xmax=2, ymin=0, ymax=1, zmin=0.99, zmax=1, name="HeatingLayer")

# 设置材料属性
model.Material().create("Air", density=1.225, specific_heat_capacity=1005, thermal_conductivity=0.026)
model.Material().create("Graphite", density=2.2, specific_heat_capacity=710, thermal_conductivity=150)

# 分配材料
cavity.PhysicalGroup("1").setMaterial("Air")
heating_layer.PhysicalGroup("1").setMaterial("Graphite")

# 添加传热接口
ht = model.ThermalModel().addHeatTransfer()

# 为加热板设置热通量边界条件（例如，恒定热通量100 W/m²）
ht.BoundaryConditions().createBySelection(name="Heating", feature=heating_layer.PhysicalGroups(), heatFlux=100)

# 启用Sutherland's Law动力黏度模型（假设已在湍流接口中启用）
air_properties = model.MaterialProperties("Air").create("AirProperties", dimension=3)
air_properties.addSutherlandLaw(dynamicViscosityAtReferenceTemperature=1.81e-5, sutherlandConstant=110.4)

# 创建稳态研究步骤
stationary_study = model.Study().create("StationaryStudy", studyType=STUDY_STATIONARY)
stationary_study.setSolutions(ht)

# 运行计算并后处理结果
model.solve()
model.postProcess()

请注意，上述代码仅为示例，您需要根据实际物理参数和边界条件进行相应调整。同时，由于文本限制，无法提供完整的几何结构建模代码，建议您直接在COMSOL GUI中绘制或导入CAD模型。

按照上述方案调整模型设置和加热板配置，应能解决您当前遇到的问题，并得到加热板对流经腔体气流的温度、速度、压力影响以及加热板上温度变化的正确结果。如有其他疑问或细节需要进一步讨论，请随时提问。