COMSOL Multiphysics 3.5a
多物理耦合熱流分析之應用
上機課程
皮托科技股份有限公司
電話：04 -7364000
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http://www.pitotech.com.tw
COMSOL Multiphysics 簡介
• 有限元素法的CAE數值分析軟體
– 內建各類典型的物理應用模式
– 彈性的建模設定
– 與m-file程式語言的結合
• 模擬單一或任意物理現象的耦合
– 無限制的多物理量耦合
– 適合探索非典型或數學架構下的各領域
– 內建多物理耦合案例
COMSOL主要特點一
•20分鐘就學會COMSOL
– Easy to Use 的人機介面
– 提供十種不同語言的介面視窗，包含繁體中文
COMSOL主要特點二
•無限制物理模組多重物理量耦合分析能力
Full Multiphysics = 可任意加不同模組
新的想法 + COMSOL = 全新的研究領域
聲
化
電
熱
‧‧‧
數
磁
固
流
其他
別廠牌所標榜的多物理量軟體，頂多只
能算是套餐式的多物理量耦合軟體
COMSOL的多物理量功能，除了提供一
般套餐外，還提供如自助餐、基本酌料
的功能，任意搭配選擇
COMSOL主要特點三
• Equation / PDE Modeling
COMSOL 提供一般客製化的
Physics Modeling
更可同時選擇以數學導向的 Equation Modeling
方便輸入自建的數學方程式
比自己寫 Code 更快速，比用套裝軟體更開放性
COMSOL主要特點四
• 可程式化 (Physics to code)
– 檔案可另存為m - file 格式
– 與MATLAB 進行程式化撰寫與分析
COMSOL = Openness，
對研究、寫論文的貢獻度大為提高
COMSOL主要特點五
• 提供CAE模擬完整解決方案
– 前處理、求解、到後處理完整過程一手包辦
• 內建繪圖工具、網格生成與求解器
• 物理應用 / 多物理耦合模版、常微分視窗
• 單位系統、移動網格與後處理
 專注於問題而非軟體本身
COMSOL主要特點六
• 內建繪圖工具(1D、2D、3D)
– 以及圖檔匯入和修圖功能
COMSOL主要特點七
• 支援連結介面
– ECAD 載入，SPICE 電路與 CAPE-OPEN 連結
COMSOL主要特點八
• 全自動化可自適應網格產生程序
– 具備詳盡而互動式的網格尺寸控制功能
COMSOL主要特點九
• 模型資料庫近百個以上，收錄各範例相關文件
範例簡介
完整範例文件
COMSOL主要特點十
• 與Matlab及其Toolbox或Simulink 的完全整合
只需指定輸入 / 輸出參數，可自動產生Simulink
中COMSOL Block，快速模擬動態系統行為
COMSOL
Model
COMSOL
Block
2008 Taipei Comsol Conference
邀請之 清雲科大-周趙遠鳳 教授 演講報告
The study of high birefringence photonic crystal
fiber and near-field optical properties
of silver-shell nanocylinder pair
Yuan-Fong Chau
Department of Electronic Engineering, Ching Yun
University
Published papers simulated by COMSOL Multiphysics
1.Yuan-Fong Chau*, Han-Hsuan Yeh, Din-Ping Tsai,Surface plasmon effects arising from three-pair arrays of
silver-shell nanocylinders, (Under revision) Physics of Plasmas (2008) (SCI, IF=2.235)
2.Yuan-Fong Chau*, Han-Hsuan Yeh, Din-Ping Tsai, “Near-field optical properties and surface plasmon effects
generated by a dielectric hole in a silver-shell nanocylinder pair”, Applied Optics, V47, 5576-5561 (2008) (SCI,
IF=1.717)
3.Yuh-Sien Sun,Yuan-Fong Chau*, Han-Hsuan Yeh,” Highly birefringet index-guiding photonic crystal fiber by
squeezing different size of air-holes in cladding”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.47, No. 5 pp3755-3759 (2008) (SCI,
IF=1.222)
4.Tzong-Jer Yang, Lin-Fang Shen ,Yuan-Fong Chau*, Ming-Je Sung, Daru Chen, Din-Ping Tsai, “Highly birefrigent
and low loss circular air-holes photonic crystal fiber using complex unit cells in cladding.”, Optics commun. 281,
4334-4338 (2008) (SCI, IF=1.48)
5.Yuan-Fong Chau*, Han-Hsuan Yeh, Din-Ping Tsai, “Significantly enhanced birefringence of photonic crystal fiber using
rotational binary unit cell of elliptical-hole with squeezed triangular lattice”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.46 No.43 pp.L1048 L1051(2007) (SCI, IF=1.222)
6.Yuh-Sien Sun, Yuan-Fong Chau*, Tzong-Jer Yang, Din-Ping Tsai, “High birefringence photonic crystal fiber with
complex unit cell of asymmetry elliptical air holes cladding”, Applied Optics, Vol. 46, No. 22 , 5276-5281 (08/01/2007)
(SCI, IF=1.717)
© 2007 Nature Publishing Group 收錄論文
2008 Taipei Comsol Conference 經濟日報 報導
相關網頁報導連結：http://edn.udn.com/article/view.jsp?aid=74931&cid=9
2008 Taipei Comsol Conference 經濟日報 報導
相關網頁報導連結：http://edn.udn.com/article/view.jsp?aid=76839&cid=8
COMSOL 客戶群與技術期刊
• 各領域的先進研究，以COMSOL進行模擬的
期刊文章，如Airbus評估摩擦攪拌熔接、聲納
模擬，隱形材料的波傳、非接觸式坩鍋…
COMSOL 中文使用手冊
• 多重物理量耦合軟體
COMSOL Multiphysics簡介
– 特點 – 應用領域
– 產品線 - 模組介紹
• 模擬前準備
• 認識有限元素法
– 模組範例 - 背景知識, 模型描述
學習目標 , 逐步操作, 問題討論
• 常見問題與診斷
COMSOL各領域應用專輯 CD
•
•
•
•
•
•
Multiphysics Modeling
Acoustics Simulations
RF Simulations
AC/DC Simulations
Reaction Engineering
Structural Mechanics
實例分享
相關範例
操作導覽
COMSOL Multiphysics 3.5a
建模分析過程
COMSOL Multiphysics 建模步驟
NASTRAN format 網格載入
SolidWorks 即時連結
CAD 軟體圖檔載入
內建繪圖物件
內建物理模版
Physics Modes
內建 PDE 模版
PDE Modes
範例資料庫
Model Library
場的任意物理量計算
文字數據檔輸出
圖檔動/畫輸出
邊界條件設定
方程式係數設定/屬性設定
COMSOL Multiphysics ~ 檔案
• 開啟檔案
– 新檔案/模型資料庫
• 儲存檔案
– Mph/M-file
• 報表產生
• CAD/ECAD匯入
• 模擬結果匯出
– 影像/座標/模擬數據
– Simulink模型
• Matlab/SolidWork/Inventor連結
COMSOL Multiphysics ~ 選項
• 定義各種數學表示式與方程式
– 常數/表示式/耦合變數定義
• 使用者函數
– 方程式/表格
– 實驗數據
• 材料資料庫
• 其他設定
- 輔助格點
- 顯示設定
- 語系/單位設定
COMSOL Multiphysics ~ 繪圖
• 使用內建CAD工具
–
–
–
–
–
繪圖下拉式選單
幾何物件類型
布林運算工具
陣列/縮放/圓角
繪圖面/嵌入/拉伸/旋轉
組合物件設定
• CAD 匯入/修補工具
• 其他幾何建立
– SolidWork即時匯入
– 匯入Matlab建立幾何
繪圖快捷工具列
繪圖模式
COMSOL Multiphysics ~ 物理量
• 定義材料係數
• 物理量設定
物理量下拉式選單
– 統御域/邊界
– 邊緣/節點
– 材料資料庫
•
•
•
•
方程式系統
ODE設定
週期性/一致性邊界
SPICE電路
統域御、邊界、邊、點快捷工具列
統域御、邊界、邊、點模式
COMSOL Multiphysics ~ 網格
• 互動式網格
網格下拉式選單
– 三角形/四邊形
– 四面體/六面體
– 邊界層網格
• 網格細化設定
– 統御域/邊界
– 邊緣/節點
• 網格模式
– 手動/自動網格
– 拉伸/旋轉網格
• 網格品質/統計
網格快捷工具列
網格模式
COMSOL Multiphysics ~ 求解
• 內建求解器計算
• 求解模式
– 穩態/暫態分析
– 參數分析
– 分離求解器
• 線性求解器
– 直接求解器
– 疊代求解器
• 求解器管理
– 求解變數控制
– 疊代求解
求解下拉式選單
COMSOL Multiphysics ~ 後處理
• 視覺化顯示
• 繪圖類型
– 表面/等位/流線圖
– 粒子追蹤/變形
• 域面/剖面數值繪製
• 曲線關係圖繪製
• 積分計算 後處理快捷工具列
– 統御御
– 邊界,節點
• 幾何數據顯示
後處理下拉式選單
後處理模式
基本案例 DEMO
•散熱片熱傳分析
–穩態解
• 使用熱傳導物理模版 (case 1)
• 定義不同材質屬性 (case 2)
–暫態解
• 模擬 2000 seconds (case 3)

k
T0
T1  288
Case 1
k1
symmetry
Steel AISI 4340
kTn0
T2  550
k1
Case 2
k2
Copper AISI 4340
溫度分佈圖 for case1
溫度分佈圖 for case2
暫態分析
Cooling Flange Model / Model Navigator
• Case 1
Space dimension : 2D
Application Modes :
COMSOL Multiphysics >
Heat Transfer >
Conduction > S-S analysis
Dependent variables :
keep as default, T
Click “OK” to get into
Modeling Step 1 draw mode
Cooling Flange Model / Draw Mode
Click the “Line” button on the draw toolbar
Move mouse at (0, 0) and left-click
Move mouse at (1.6, 0) and left-click
Move mouse at (1.6, 0.2) and left-click
Move mouse at (1.2, 0.2) and left-click
Switch to “Curve” button on the draw toolbar
Move mouse at (1, 0.2), (1, 0.4) left-click
Switch to “Line” button on the draw toolbar
Move mouse at (1, 0.6) and left-click
Repeat these steps to create a cooling flange
geometry
11. Use the “Point” button to draw extra points at
(0.6, 0) and (1, 0) giving extra boundary to set
different boundaries
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Cooling Flange Model / Boundary Mode
Pop-up menu, Physics >Boundary Settings
BC : Thermal Insulation
BC : Temperature, 288
BC : Thermal Insulation
BC : Temperature, 550
Cooling Flange Model / Subdomain Mode
Pop-up menu, Physics >Subdomain Settings
Load Material “Steel AISI 4340”
=> k= 44.5
Cooling Flange Model / Mesh Mode & Solve
1.
2.
Click the “Initial Mesh” button on the upper toolbar to create default mesh
Click the “Solve” button on the upper toolbar to solve the problem
Cooling Flange Model / Post Mode
Default plot is Surface Temperature
profile and it looks ok
Look at the Contour Plot, Zoom around the extra points
NOT a smooth profile because of large temp. gradient
Cooling Flange Model / Mesh Mode
INSTEAD we use the adaptive mesh,
activate “adaption” in pop-up menu, Solve > Solver
parameters
And Solve again
We could try using denser and denser mesh until
we are satisfied
•
Click the “Refine Mesh” button
•
Or Click the “Refine Selection” button
•
Or pop-up menu, Mesh > Mesh Parameter
Cooling Flange Model / Post Mode
Look at the Contour Plot,
the Solution get better
Cooling Flange Model / Draw Mode
• Case 2
1.
Go back to the draw mode and take away the
snapping by double clicking on the snap in the
bottom of the GUI window
2.
Draw a small circle in the figure, you can move
the circle and resize after the drawing
3.
Double-click the circle(E1), input radius 0.1
and center (0.7, 0.2) in opened window
Cooling Flange Model / Subdomain Mode
Select the circle (subdomain 2)
and choose copper with k=400
Cooling Flange Model / Post Mode
Temperature profile
Pop-up menu, Postprocessing > Cross-section
parameters to plot temperature along arbitrary line (e.g.
x=0.7, x=0.8, x=0.9 vertical line ),
to see the different temperature gradient
Note: select the Keep current plot check box (this feature
to show the different vertical profiles in same diagram)
Cooling Flange Model / Transient Analysis
Set initial temperature for both subdoamin,
input T_init= 288 in Menu > Physics >Subdomain Settings
Change to time dep. Solver and solve for 0:1:2000
in pop-up menu, Solve > Solver parameters
Cooling Flange Model / Transient Analysis
Pop-up menu, Postprocessing > Domain Plot parameters
to plot temperature vs time on predefined point (e.g. point 9)
案例操作：
自由對流熱傳現象模擬
熱流案例分析
• 第一部分，考慮某流體中的流場模擬
– 流場模擬：使用穩態Navier-Stokes分析
• 第二部分，流場案例中的加入熱傳分析
– 使用穩態對流傳導分析
– 比較其中兩個流場分佈下的散熱情況
• 入口線性流速，流經固定熱源 case 1
• 增加入口流速，case 2
相關熱流案例
• 水平電路板的強制對流冷卻模擬
• MEMS 熱交換器的熱模型
• 熱水瓶的自然對流冷卻分析
案例一：問題定義
壁面
低流速 線性
電子元件
R＝0.02cm
空氣
參考壓力
1 atm
壁面
0.5 cm
0.15 cm
案例二：問題定義
壁面
提升流速
線性
電子元件
R＝0.02cm
空氣
參考壓力
1 atm
壁面
0.5 cm
0.15 cm
案例一建模分析
• 開啟模型導覽視窗，選
擇空間維度為 2D
• 選擇 COMSOL
Multiphysics > 流體動力
> 不可壓縮 Navier-Stokes
> 穩態分析
• 點選確定進入主視窗
案例一建模分析
• 按住Shift，點選 “矩
形/正方形”。
• 輸入寬度0.5e-2、長度
0.15e-2，點選確定。
• 按住Shift，點選 “橢
圓/圓形(以圓心)”。
• 輸入半徑0.02e-2，x =
0.2e-2， y = 0.05e-2
案例一建模分析
• 點選 “縮放至視窗大小”
• 點選 “建立複合物件” ，
輸入公式為 R1-C1，並
點選確定、挖去圓區域
案例一建模分析
• 由選單開啟 物理量 > 統
御域設定，選擇統御域 1
• 點選 “載入”，選擇
Basic Material Property >
Air, 1 atm，點選確定以
載入。
• 完成後點選確定
案例一建模分析
• 由選單開啟 物理量 > 邊
界設定，指定下列條件：
– 邊界 1：類型為“入
口”，勾選 u0 v0，並輸
入
u0 = 1*y*(1/0.15) ，使u0
隨 y 座標線性變化
– 邊界 4：類型為“出
口”，條件為“壓力” ，
輸入 p0 = 101325
– 其他邊界保持 “壁”類
型完成後點選確定
案例一建模分析
• 由選單開啟 網格 > 自由
網格參數，點選 “邊界”
分頁
• 選擇邊界 1，輸入最大有
限元素尺寸為 0.15e-2/50，
使於入口邊界加密
• 點選再生網格，完成後
點選確定
案例一建模分析
• 若直接點選 “=” 求解，
將出現錯誤訊息，由於
溫度 T未定義
• 由選單開啟 選項>常數，
輸入名稱：T，表示式：
300，點選確定
案例一建模分析
• 點選“=” 求解，得到穩態流場分佈
• 於選單開啟 後處理>繪圖參數，
– 於“通用”分頁，勾選流線，完成後點選確定。
案例二建模分析
• 由選單開啟 多重物理量 >
模型導覽視窗
• 選擇 COMSOL Multiphysics
> 熱傳 > 對流與傳導，點選
“新增”加入應用模式
• 點選確定回到主視窗
案例二建模分析
• 由選單 多重物理量，確認
“對流與傳導” 被選擇，
以設定此模式參數
• 由選單開啟 物理量 > 統御
域設定，選擇統御域 1
– 下拉選擇材料資料庫為 Air,
1 atm
– 輸入u速度場為：u v
– 切換至“初始”分頁，輸
入T(t0) = 300
• 完成後點選確定
案例二建模分析
• 由選單開啟 物理量 > 邊界
設定，指定下列條件：
– 邊界 1-3：設為 “溫度”，
輸入環境溫度T0 = 300
– 邊界 4：設為“對流通量”
– 邊界 5-8：設為“熱通量”，
輸入q0 = 1000
• 完成後點選確定
案例二建模分析
• 於選單開啟 選項 > 常數，
刪除定義名稱 T
• 點選 “=” 求解
• 於選單開啟 後處理 > 繪圖
參數，切換至 “表面” 分
頁，選擇內建物理參數為溫
度
案例二建模分析
• 於選單開啟 物理量 > 邊界
條件：
– 選擇邊界 1，輸入u0 =
u_p*y*(1/0.15)，以將速度
參數化
• 完成後點選確定
• 於選單開啟 求解 >求解器
參數，選擇為“參數”求解
器
• 輸入參數名稱u_p，參數值
為 1 2 5 10 50
• 完成後點選確定
案例二建模分析
• 點選 “=” 求解，顯示u_p = 50時的模擬結果
案例二建模分析
• 由選單開啟 後處理 > 剖面圖參數，選擇 “點”分頁
• 選擇物理參數為“溫度”，輸入x = 2e-3, y = 8e-4，點選套用，觀察孔洞
右方溫度與u_p值關係
COMSOL Q&A
• 原廠
– support @ comsol.com (only for licensed user)
– http://www.comsol.com/support/
• 台灣
– 皮托科技網站 http://www.pitotech.com.tw/c/fq-01.htm
– 皮托科技信箱 (pitotech @ mail.pitotech.com.tw)
– 04-7364000
• 國際網路論壇區
– http://groups.yahoo.com/group/COMSOL_Users/
COMSOL Q&A
•
•
•
•
•
•
•
•
•
購買客戶姓名 (學生請填寫指導教授) ：
單位名稱：
部門 / 科系：
使用者姓名：
聯絡電話 (可提供手機方便聯絡) ：
使用的License No：
使用的作業平台：
軟體版本：
問題描述(若能附上您的檔案或圖片會更佳)：