COMSOLMultiphysics之二十大使用技巧-最新文档资料

1、COMSOL Multiphysics之二十大使用技巧全局约束对于多物理仿真，添加全局约束是COMSOL非常有用的功能之一。例如，对于一个涉及传热的仿真，希望能够调整热源 Q_0的大小，从而使得某一位置处的温度T_probe恒定在指定值T_max，我们可以直接将这个全局约束添加进来即可。有些情况下，全局约束可能包含有对时间的微分项，也就是常说的常微分方程（ODE），COMSOL同样也支持自定义 ODE作为全局约束。例如，在一个管道内流体+物质扩散问题的仿真中， 利用PID算法控制管道入口的流速 u_in_ctrl，从而 使得某一位置处的浓度 cone恒定在指定值 c_set。（基本模块模型库

2、> Multidiscipl in ary > PID con trol ）。需 要添加的PID算法约束如下式：要添加上述约束，除变上限积分项外，另外两项都可以很容易的在边界条件中的“入口流速”设置中 直接定义。因此，这个变上限积分需要转化成一个ODE，作为全局约束加入。t令int = （conc c_set）dt，方程两边同对时间0t求导，得到d intdt二 conc-c_set。在 COMSOL中，变量u对时间的导数，用 ut表示。因此变量int的时间导数即为intt。利用COMSOL的“ ODE设定”， 我们可以很容易的将intt-（conc-c_set）=0这个ODE全局

3、约束添加入模型之中。二、积分耦合变量COMSOL的语法中，变量 u对空间的微分，分别默认为用ut，ux，uy，uz等来表示，这为仿真提供了极大的便利。那么对变量u的空间积分呢？ COMSOL提供了积分耦合变量来实现这一功能。积分耦合变量分为四种：点（poi nt）积分耦合变量、边（edge）积分耦合变量、边界（bou ndary）积分耦合变量、求解域（subdomain）积分耦合变量。根据模型的维度，会有相应积分耦合变量。用户还可以指定得到结 果后的作用域，例如全局，或指定某些点、边、边界或求解域。从而可以将对积分耦合变量结果的访问限 制在指定的对象上。求解域积分耦合变量，就是对指定变量或表达

4、式在指定的某个或者某些求解域上做积分，积分的结果 赋给自定义的这个积分耦合变量。对于三维仿真，这个积分是体积分；对于二维则是面积分。最典型的应 用当属对数值1进行积分，可以得到体积或面积。边界积分耦合变量，就是对指定变量或表示在指定的某个或者某些边界上做积分，积分的结果付给自 定义的这个积分耦合变量。对于三维仿真，这个积分是面积分；对于二维则是线积分。对1积分可以得到面积或边长。边积分耦合变量，就是对指定变量或表达式在指定的某个或者某些边上做积分，积分的结果付给自定 义的这个积分耦合变量。仅存在于三维仿真中，这个积分是线积分。对1积分得到边长。点积分耦合变量，就是对指定变量或表达式在指定的某个

5、或者某些点上给出它的值。它的最主要用法 是将某个点上的结果映射到指定的对象上。在上面PID控制的例子中，指定位置处的浓度cone就是一个点积分耦合变量，用来提取点PT1处的浓度值。同时，浓度 c的时间变化率ct在PT1点的取值，也可以用同样的方法提取出来，付给变量ctime。积分耦合变量除了用于添加约束，也常常用于后处理。COMSOL允许用户将任意表达式在任意求解域或者边界上的积分定义为一个变量，然后直接在后处理中对该自定义的积分耦合变量做数据可视化操作。例如，在二维扩散问题的仿真中，为了观测流出边界上总的流出的物质量，可以在出口边界利用边界 耦合积分变量，然后可以直接得到数据曲线。（基本模块

6、模型库> Chemical engineering > absorption ）三、时间积分现在我们已经可以在 COMSOL中方便的定义任意一个变量 u及其表达式的时间微分（ut）、空间微分 （ux，uy，uz）、空间积分（积分耦合变量）。那么对于时间的积分如何处理呢？COMSOL当然也提供了这项功能。对于时间的积分项的处理，COMSOL也是通过ODE的设定来实现的。例如前例中，我们已经可以利用一个边界积分耦合变量来描述某个时刻流出的物质量。现在我们进一步，需要知道一段时间内总的物质 流出量Totmass：将方程两边同对时间 t求导后就变成了一个 ODE方程，类似于定义一个全局约束

7、那样，我们使用 COMSOL的“ ODE设定”功能便可以定义这个新的变量Tot_mass。采用ODE进行时间积分，仅仅只能对标量进行积分，如果是想对求解域内的某个值进行积分（通常具有维度），则需要采用耦合一个 PDE应用模式的方法，通过修改 PDE方程，使其满足对时间的常微分方程 形式，然后在求解中可以得到对时间的积分结果。四、停止条件在进行稳态求解时，COMSOL迭代求解当然是以收敛条件满足作为计算的停止条件。但是在瞬态分析的情况下，计算何时停止就可由用户自行选择了。与其他仿真软件类似，COMSOL默认的瞬态分析停止条件就是遍历用户使定的时间范围后，计算停止。但是除此之外，COMSOL还可以

8、提供一种更为灵活而且强大的功能，就是允许用户选择让软件自动检测计算结果中的某一变量或表达式，当该变量或表达式满足一 定条件时，计算停止。例如上例中，我们可以让流出物质的总量达到指定值时，计算自动停止。分析类型对瀆与1T雜（cd）1：妆tt卅乱cl &aio用法：出时间愫存：求薛殍抉定rj间步妊问*：丫目幼塔提求草爲 求U寻：|白谨应最慣化J班黔性求単时惟團绘固担咼|串血憎节非线悄束树畧 时冋步长側監初蜡时问步长：匡目胡It大时间步长：/B if）0.1 ft ffi ff止茱件 停止黍件：無大小异 离» *岳BDF Kr 前： BPF 阶 El;陌址距阵：1|DAI寤蜿目怡初

9、治:布尔表达式也讦T启退戲竝法-包肖担騎确立|我酒11应用| 熬811 COMSOL的停止条件使用的是布尔表达式。布尔表达式运算的结果大于零，则表示有效，此时停止条件满 足，计算停止；当布尔运算结果小于或者等于零，则表示无效，停止条件不满足，计算继续进行。需要注 意的是，这里的表达式，通常是对某个标量进行求解的结果。五、非线性特征值问题求解方程的特征值是仿真中经常碰到的一类问题。问题线性度比较好的时候，方程的系数与方程的解 变量u不存在函数关系，这样的方程很容易解；反过来，方程特征值也很容易求。但是有时候我们会碰到 非线性比较强的问题， 方程的系数本身就是解变量 u的函数。对于正问题，COMS

10、OL很容易“求解域设定” 中，定义方程的某些系数是解变量的函数，然后利用COMSOL提供的非线性求解器完成求解。但是对于非线性很强的逆问题又该如何定义呢？这里有一个很好用的技巧，就是使用全局约束对特征值先进行一下 归一化，在这里定义特征值与解变量相关。例如PDE方程-灯Hu hu =1，其中7即为特征值（下图中的 Lambda）。我们可以先添加全局约束， 定义E=1，而E其实是一个积分耦合变量，对应于解变量u2在求解域上的积分。通过这样操作，我们就把Lambda和解变量u建立的联系，然后使用 COMSOL提供的非线性求解器完成求解。六、利用耦合变量对结果进行扫掠COMSOL支持多维度的耦合计算

11、仿真，这是COMSOL独有的强大功能之一。 COMSOL允许用户对一个物理问题做多维度的建模分析。也就是说，同一个仿真过程里可以包含多个几何结构，这些几何结构通 常都是不同维度的，最常见的是包含一个三维的完整几何，还有一个或者多个二维的截面，再加一个或多 个一维的线。在不同的几何上，用户都可以建立物理方程并同时求解，这些几何之间是如何传递参数的呢，就是通过COMSOL的耦合变量。COMSOL提供两种耦合两边实现这个功能：拉伸耦合变量、投影耦合变量。拉伸耦合变量的功能是把一个几何中的变量或者表达式，按照预定义或者用户自定义的坐标变换，直 接传递到另一个几何中。例如一个建立在二维轴对称情况下的传热

12、仿真，灯泡。经过计算后已经获得的其 温度场T的分布。此时的变量 T仅存在与二维轴对称这个几何中（ Geoml ）。现在我们在同一模型下可以建立一个新的几何Geom2，这个三维的几何就是由二维轴对称的几何直接绕对称轴旋转而来。在模型树里可以清楚看到，在Geom2下面没有任何的方程，当然也就没有什么变量。我们可以利用拉伸耦合变量，将 Geoml中的变量T传递过来，然后在三维的 Geom2中看这个结果。 投影耦合变量是积分耦合变量与拉伸耦合变量的合体。它的用法与拉伸耦合变量非常类似，只不过在 跨几何传递参数的时候，拉伸耦合变量传递的就是变量或者表达式本身，而投影耦合变量传递的是变量或 者表达式的积分

13、。七、在非线性设置中调整瞬态求解器当求解瞬态非线性问题时，为了提高收敛性和求解器的效率，用户可以手动调整求解器的一些参数， 例如非线性求解器中的迭代步数、公差因子、阻尼衰减参数、Jacobian修正方法等。通常情况下，如果在迭代步数范围内，收敛性较慢，未能在适当的迭代次数后得到结果，可以将迭代 步数改大。但是这样做，有时候会产生较大的计算量。当非线性较强时，可以将公差因子调小，这样做可以控制迭代时的步长，较小的步长受非线性的影响 较小，可能会快速得到结果，但也有可能会产生较大迭代次数，增加计算量。阻尼衰减参数等，可以根据实际情况进行调整，用户可以指定初始值、最小步长、以及最大步长。如 果非线性

14、很强，则应该将最小步长改小，反之可以将最大步长调大。Jacobian修正方法，也可以根据需要来修改，例如缺省是采用最小值方法，用户可以修改成每个迭代 都要修改，或每个时间长只进行一次修改。修改次数越多，意味着非线性的影响越小，同样也意味着计算 量的增加。八、求解时绘图边求解边绘图是 COMSOL最强大的后处理工具之一，它允许用户在求解的过程中，实时观测到某个 变量或者表达式的结果图。例如在求解相变析出的一类问题，使用边处理边绘图可以实时观察到相结构的 演变。在 COMSOL中要使用这个功能非常简单，只需要在“求解器设定”勾选“求解时作图”的复选框 就可以了。九、绘制探测图在求解的同时，COMS

15、OL还以做一种图，即探测图。这个功能允许用户在任意的位置放置观测点，随 着求解的进行实时的掌握观测点上的某些变量或者表达式的取值变化。十、保存探测图数据COMSOL也允许用户将这种实时的探测图加以保存，或者将数据导出也可以。交互式网格剖分选中的（扫描）网格剖分是有限元仿真最重要的技术之一，好的网格可以有效小的提高计算的收敛性并减少计算时间。COMSOL内建了极为强大的网格剖分工具，包括自由网格生成器、映射网格生成器、扫描网格生成器、边 界层网格生成器四种网格生成方法，同时还提供网格复制、网格删除、网格撤销、网格拉伸和旋转、网格 导入等等功能。将这些工具联合使用，就是COMSOL的交互式网格剖分

16、，用户可以根据需要，完全自由控制网格的形状和分布。十二、 CAD导入COMSOL除了内建有强大的 CAD工具之外，还提供了与其他CAD软件的接口，用户可以方便的直接导入其他CAD软件创建好的模型。COMSOL的CAD导入功能除了能够正确识别其他CAD文件之外，更重要的是提供了一些修复的工具。就一般的 CAD设计过程来说，零件在设计的后期往往会加入一些圆角、倒角之类的特征，另外零件 上本身还有一些狭小的曲面，这些特征对于COMSOL仿真的物理结构并不重要，但是却会带来许多不必要的网格，COMSOL提供了 CAD修复的功能来自动移除这些圆角、倒角、狭小曲面。另外，导入的 CAD模型有可能存在组件未

17、对齐、本该连接在一起的面没有连上等等，这些都会造生COMSOL无法有效的识别物理求解域，因此COMSOL提供的CAD修复工具可以修补缺口，消除自相交或者不连续。移除C4将C3扩展到C1C1C3移除C4修改C1到C3C1C2移除C4修改C1和C3C1C3xC1C2将C4延长到C3移除C5, C6修改C1或C4C3C4C1C2移除面，并扩展其 他面填补缺口十三、 3D模型中抑制对象“抑制”功能是 COMSOL常用的后处理技术之一。在三维仿真的后处理过程中，用户可能常常需要 看到内部的一些结构上的变量分布。这时就要用到COMSOL的抑制功能。例如前面灯泡的例子，后处理显示的是三维结构外缘的温度分布，

18、而我们关心的实际上是内部的温度 分布，因此可以选择抑制某些边界。十四、复杂模型绘图COMSOL的几何建模功能极其强大，其主要体现就在于工作平面的设定。与很多CAD软件类似,COMSOL在用户需要建立复杂三维几何模型时，推荐用户使用工作平面。COMSOL提供了灵活的建立工作平面的方式，用户可以在不同的工作平面上绘制二维的曲线和实体，然后再拉伸或者旋转成三维。用户 可以反复选取工作平面，然后将不同的几何旋转或者拉伸到同一三维几何结构中，从而完成复杂模型的绘 图。十五、 几何属性COMSOL中可以随时查看几何对象的属性，比如如果选中一个三维实体，点击“几何属性”按钮， COMSOL就会在信息窗内给出

19、体积、表面积等信息。选中某两个点，COMSOL就会给出两点之间的距离，以及经过这两点的边的长度等信息。十六、开始命令的命令行选项从操作系统的图形化界面启动 COMSOL是大家最为熟悉的。但是对于有些特殊的情况，用户可能会 需要从命令行启动 COMSOL 。这种启动方式其实更为灵活，因为 COMSOL 提供不少很实用的启动参数。Comsolbatch -nput testl.mph -output test2.mph这是 COMSOL 的批处理命令，这种启动方式允许 COMSOL 在后台运行，将 test1 模型计算后保存成 test2 文件。在很多大型集群系统中，主节点的 linux 系统很可

20、能就没有图形化界面，这时就可以利用这条 命令，在文本界面下后台运行 COMSOL 。Comsol server -port 2233 -multi on在服务器上运行 COMSOL 作为服务器端应用程序，并至定端口。Comsol client在终端运行 COMSOL 。Comsol -np 8指定 COMSOL 可以使用的 CPU 的个数。Comsol matlab (opens matlab with comsol path)使用命令行启动 COMSOL with Matlab十七、 选择复杂几何体边界在复杂三维几何结构当中，选取边界，尤其是同时选取多个边界有时并不那么容易。COMSOL 从用户的角度思考，提供了很贴心的解决方案。在 COMSOL 中，点击鼠标左键表示选取当前边界，边界被选中则显示为红色；此时如果左键单击另 一边界，则原先的选取取消，新被选中的边界红色显示。如果我们要同时选取多个边界怎么做呢。点击左 键选中一个边界，边界变为红色表示被选中；此时点击右键，边界变成蓝色，表示该边界已被加入