COMSOL在多孔介质中的应用
COMSOL_CFD_流体分析技术介绍
• 内建摩擦系数相关效应
– 自动适配层流或湍流模型 – 牛顿或非牛顿流体 （含Bingham plastic流动） – 支持多种管道截面 – 内建多种配件、阀门、泵的模型可供选择
• 管道与3D结构耦合
Cooling of a plastic mold of a steering wheel – including pipe flow in cooling channels.
Startup of a fluidized bed modeled using the Euler-Euler Model Interface
仿 真 智 领 创 新
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分离流动
• 精确追踪相界面
– 气泡或者液滴的形成、摇晃的水槽 – 油／水／气混合分离流动
• 流体微团 • 分子自由程<<流体微团尺度<<特征尺度 • N-S方程
– 连续性方程（质量守恒） – 运动方程
– 本构方程
• 牛顿流 • 非牛顿流（幂律定律、卡拉雷定律）
典型不满足连续介质假设 • 稀薄气体 • 高超飞行器
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CFD模块的单相流动
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单相流－层流
• 层流
– 可用于不可压缩或者可压缩流体 – 流体马赫数小于等于0.3
• 非牛顿流体
– – – – 幂律定律（Power law） 卡拉雷定律（Carreau） 支持用户完全自定义本构 流体黏度具有记忆性 • 通用Maxwell • Oldroyd-B model
COMSOL Multiphysics CFD模块介绍
COMSOL Multiphysics CFD模块介绍
计算流体力学(CFD)模块是COMSOL产品套件中对于复杂流体模拟的首选工具。
利用先进的湍流模型我们可以仿真可压缩流体和不可压缩流体的自然对流或强迫对流。
CFD模块的一个重要特性便是它能够精确地模拟多物理场流，比如非等温流的共轭热传，流构耦合，伴有粘性加热的非牛顿流，和粘度伴随浓度变化的流体。
多孔介质流接口能够实现各向同性，各向异性介质，以及自动结合自由流和多孔区域的模拟。
此外还可以实现对搅拌容器的旋转构件的二维和三维流体模拟。
针对均质两相流的模块接口包括了一个由细悬浮颗粒流和宏观尺寸气泡流的泡状流组成的混合模型。
对于跟踪两相流界面，我们提供了水平集和相场两种解决方法。
CFD模块中有针对先进传输和反应流体模拟提供了结合化学反应工程模块时自动扩展的工具。
对于流构耦合，可以利用结合结构力学模块和CFD模块来解决弹性固液耦合，以及流润滑和流体弹性力学。
应用领域：
•共轭传热
•旋风分离器,过滤器和分离装置
•电子冷却
•风扇，格栅和泵
•车辆和结构的外部绕流
•管道，阀门，接口和喷嘴内的流体
•流化床和喷剂
•流构耦合(FSI)
•气泡流
•热交换和散热凸缘
•润滑和流体弹性力学
•医药/生物物理应用，如血管血流问题
•混合器和搅拌容器
•非等温流
•非牛顿流
•聚合物流和粘弹性流
•多孔介质流
•沉淀，乳液和悬浮液
•湍流。
COMSOL在多孔介质中的应用
三轴测试
土壤中应力及位移分布
土壤样本有效塑性应变 （红色区域表示达到塑性应变）
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岩石裂隙发育
岩土基本性质 －试验手段
岩体损伤、裂隙发育 岩体渗流破坏
岩土本构理论研究
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土体塑性行为和接触分析
• 深开挖模型 • 土体塑性本构
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土体塑性行为和接触分析
• 参数化建模和参数扫略功能
深基坑开挖模型
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原位 (重力) 应力
• 有两种方法定义原位应力 • 设定初始应力(用户直接定 义初始应力状态) • 基于重力场的两步分析： – 计算线弹性模型在重力 荷载下的应力分布 – 在第二步的分析中应用 前一步计算的应力场
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隧道工程(双洞)
T < (Tm − ∆T ) (Tm − ∆T ) ≤ T ≤ (Tm + ∆T ) T > (Tm + ∆T )
λf λu − λ f * [T − (Tm − ∆T )] λe = λ f + 2∆T λu
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钢筋混凝土应力失效时的应力分布
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分形维数下的碾压土多孔介质三场耦合及comsol数值模拟
分形维数下的碾压土多孔介质三场耦合及comsol数值模拟應用分形维数理论，给出碾压土多孔介质的三场耦合数学模型，该模型应用物质守恒定律、力学平衡与能量守恒，这三个方程，相互耦合组成。
其中为引入Heaviside阶梯函数，将冻土与未冻土参数结合在一起，然后采用COMSOL Multiphysics 软件进行，温度场，水分场与应力场三场耦合数值模拟；标签：分形维数；三场耦合；COMSOL Multiphysics；数值模拟1、引言寒区碾压土是一种特殊土体，与常规土体比较，它的力学性质符合人们一定的预期构想。
所以能采用多孔介质理论中的分形维数理论进行描述。
寒区碾压土中的冻胀融沉等病害主要是由于，土体内水分的迁移与相变。
但参数间复杂的耦合关系，使一般计算的精度较低。
本文在传统的三场耦合的基础上，首先建立一组以分形维数理论为基础的多场耦合方程，并在相变区考虑heaviside函数，运用comsol软件对三场耦合进行求解。
Comsol 软件在求解时会先同一微分方程组，在一场中实现全耦合求解，这种求解方式比松散求解更精确。
2、分形维数理论在碾压冻土中的应用2.1 碾压土的分形模型从微观的角度来讲，碾压土是多孔介质由大小不一的颗粒逐渐堆积而成，这与分形的构造过程十分相似，因此可用分形模型进行定量分析。
本文采用Menger 海绵模型来模拟碾压土多空介质材料的孔隙特征。
得到menger海绵分形维数为：D=ln（m3-n）/ln m；带入可得，孔隙度与分形维数的关系为：2.2 基于分形理论下，碾压土的渗透率模型Darcy流体的数学表达式为：；达西定律中K值保持不变，表明渗透率K只与多孔介质本身的结构特性有关而与单项牛顿流体的特性无关。
但曾有实验给出Fanning 摩擦系数f对雷诺数Re的关系曲线由图可知，f=c/Re带入达西定律中可得与式，最终可知渗透率。
3、冻土水热耦合求解微分方程组根据原始傅立叶热传导方程，结合冻土特性，将相变潜热作为热源处理，得到温度场控制方程，土体中水分的迁移主要采用达西定律中的Richards 方程，应力场主要采用弹性力学远离，应满足平衡方程、物理方程、几何方程、应力边界条件及位移边界条件等，最后化简得到下列偏微分方程：其中u：土壤温度℃；C：容积热容量kJ/m·℃；L：冰水的相变潜热，取334.5kJ/kg；：土水势；分析研究时一般把基质势、溶质势都看成土水压力所以水土势简化为：为转换系数，其中水压力可以用Clapeyron方程求解。
地下岩体内多孔介质中裂隙流运移过程的COMSOL Multiphysics仿真模拟
Abstract ： Darcy' s law is used to simulate the fracture flow in porous media. The pressure and velocity of
the enOancc and exit cracts are defined by p。一 10( Pc/s] * " time function. The physical field of porous
+ Q 二 KAI 二 KA J sKA +1 一
式中:Q为通过砂柱过水断面的渗透流量;A为砂柱过 水断面面积;@为上下两过水断面的水头差,h s+1 + ;L为上下两过水断面之间砂柱的渗透途径;I为上 下两过水断面之间的水力坡度,Ish/L；K为砂柱的渗 透系数。
22 控制方程 本实验采用黏性流体的运动微分方程模型来进行
COMSOL Multiphysics Simulation of Fracture Flow Migration in Porous Medio in Un de rare und Rock Mass
* LIU —1 , S#0 Limin 2
(1. Northeast PeWcCeum University, Daqing 163318 , China 2. Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319 , China)
1达西定律简介
1856年法国水利工程师H. P. G.达西(Henri Philibert Gaspard Darcy, 1803 - 1858 年)经过大量的水 通过饱和砂的实验研究,得到渗流速度与水力坡度一 次方成正比。说明水力坡度与渗流速度呈线性关系, 故又称线性渗流定律——达西定律，该定律为计算通 过含水层中某一过水断面的渗流量提供了理论依据& 实验是在装有砂的圆筒中进行的,见图1,水由筒的上 端加入，流经砂柱,由下端流出，上游用溢水设备控制 水位,使实验过程中水头始终保持不变。并在圆筒的 上下端各设一根测压管,分别测定上下两处过水断面 的水头，下端出口处设置管嘴以测定流量&根据实验 结果,确定达西定律公式表达式为
COMSOL软件介绍与应用
多孔介质传热传质报告题目姓名：学号：完成日期：COMSOL软件介绍与应用一、COMSOL Multiphysics软件介绍1.1 COMSOL Multiphysics软件简介COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典COMSOL 公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
COMSOL Multiphysics 起源于MATLAB 的PDE Toolbox，最初命名为PDE Toolbox 1.0。
后来改名为Femlab 1.0（FEM 为有限元，LAB 为实验室），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。
从2003年3.2a 版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。
在全球各著名高校，COMSOL Multiphysics 已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球500 强企业中，COMSOL Multiphysics 被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。
2006 年COMSOL Multiphysics 再次被NASA 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”，NASA 技术杂志主编点评到，“当选为NASA 科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics 是对工程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL Multiphysics 软件设计理念独特，她抛弃了传统意义上的单元（库）的概念，抛弃了网格划分时单个单元刚度矩阵的概念，将多个偏微分方程（组）直接组装成一个总的刚度矩阵。
这样出现的结果即是，不管求解多少个物理场，我们只需选择对应的偏微分方程进行任意组合，软件自动联立求解，实现任意多物理场、直接、双向实时耦合。
COMSOL Multiphysics 在岩土工程领域的应用案例集
全国统一客户服务热线：400 888 5100
网址: 邮箱:info@ -1-
中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd
多分支井
从一根管道中分岔出很多分支，能有效地提高采油效率，因为众多分支可以绕过不可渗透的区域，进入富油区。本例 耦合流体流动和固体形变，在 COMSOL Multiphysics 中轻松快捷地进行了一个孔隙弹性分析，估算了由抽油引起流体压力变 化，并继而产生应力、应变和位移。分析估算抽取地下水过程中的 3D 压缩，流体流动符合达西（Darcy）定律，与应力－应 变分析进行耦合分析。模拟的结果放到库仑表达式中，分析由抽油引起的压缩会在什么位置大到引起井的破坏。结果表明破 坏在分支井的交叉处发生。 案例来源： Earth_Science_Module/Flow_and_Deformation/multilateral_well
中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd
u
k W n S p esdl gZ
Darcy Brinkman
chns 2
uesdl
p
esdl
p
chns 2
(u chns (u chns ) T ) 0
Pchns P0
案例来源：内部 ppt 煤岩体瓦斯、水渗流耦合过程数值模型及其在矿山工程中的应用 素材由杨天鸿教授提供
Time＝1s时渗透性系数分布图
Time＝1e7s时渗透性系数分布图
全国统一客户服务热线：400 888 5100
网址: 邮箱:info@ -7-
距 离 /m
p
u
隔水边界
chns 2
I 1 p (uchns 2 (uchns 2 )T ) n pchns n
COMSOL Multiphysics 多孔介质流模块介绍
COMSOL Multiphysics 多孔介质流模块介绍
多孔介质流模块是被设计用于研究地球物理和环境现象的模块，如地下水流动，土壤中的污染物运移，以及多孔介质中的石油和天然气的流动等。
其中的理查兹方程接口能够用来描述在变饱和多孔介质中的非线性流，同时伴有饱和多孔介质的选项，包括对于慢速流的达西定律接口和不可忽略剪应力的布林克曼方程接口。
此外，还能够简便的合并自由纳维尔斯托克斯层流和多孔介质，甚至还包括薄裂痕中的流态。
该模型还能处理对于自由流，饱和流和变饱和流在固相、液相和气相中的溶质传输，也包括了在薄裂痕中的传输。
对于热传的模拟，地热和对于多件系统的有效热性能的自动计算都是可以实现的。
对压实和沉降的模拟壳通过功能强大的孔隙弹性接口来实现。
对于地球物理和环境的应用的多物理场模拟，该模块能够跟COMSOL Multiphysics中的其他物理接口进行任意耦合，比如化学反应动力学接口和电磁学接口。
应用领域：
•江口、河口和水滨分析——流动、水平对流和扩散
•气体贮存、补充和螯合作用。
•基于磁流体动力学的岩浆流动
•多孔介质和纤维性材料的机械和重力脱水
•石油提取分析
•在地下、地表和大气中的污染物质扩散分析
•饱和/和非饱和多孔介质流体分析
•浅水流动和河流泥沙运动
•多孔介质中的单相、多相泡沫流
•地下水位分析和盐湖入侵地下水分析
•多孔弹性基础上波的传播和流动
•水源分析
多种地球物理现象的耦合——火山内部电场、磁场、流体流动耦合分析
微尺度多空介质流
达西浮力流
多分支井故障分析
裂缝流。
comsol流体传热案例
comsol流体传热案例
燃料束套筒发生破裂，导致核废料通过周围的岩石裂隙发生渗漏，并回充到上方的隧道中。
饱和与变饱和渗流地下水流动模块面向需要仿真地下或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们，并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系，例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。
它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动，以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现象。
地下水流动模块可以模拟管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水，并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。
许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。
民事、采矿、石油、农业、化工、核能和环境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象，因为他们从事的行业会直接或间接（通过环境因素）影响我们生存的地球环境。
地下水渗流影响许多地球物理属性地下水流动模块内包含了许多专用的接口，用于模拟地下环境中的流动及其他现象。
作为物理接口，它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接口组合并直接耦合，或与COMSOL 模块套件中任何其他模块的物理接口组合并直接耦合。
例如，地下水流动模块的多孔弹性模型与HYPERLINK "/geomechanics-module" 岩土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。
COMSOL软件介绍与应用
多孔介质传热传质报告题目姓名：学号：完成日期：COMSOL软件介绍与应用一、COMSOL Multiphysics软件介绍1.1 COMSOL Multiphysics软件简介COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典COMSOL 公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
COMSOL Multiphysics 起源于MATLAB 的PDE Toolbox，最初命名为PDE Toolbox 1.0。
后来改名为Femlab 1.0（FEM 为有限元，LAB 为实验室），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。
从2003年3.2a 版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。
在全球各著名高校，COMSOL Multiphysics 已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球500 强企业中，COMSOL Multiphysics 被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。
2006 年COMSOL Multiphysics 再次被NASA 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”，NASA 技术杂志主编点评到，“当选为NASA 科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics 是对工程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL Multiphysics 软件设计理念独特，她抛弃了传统意义上的单元（库）的概念，抛弃了网格划分时单个单元刚度矩阵的概念，将多个偏微分方程（组）直接组装成一个总的刚度矩阵。
这样出现的结果即是，不管求解多少个物理场，我们只需选择对应的偏微分方程进行任意组合，软件自动联立求解，实现任意多物理场、直接、双向实时耦合。
基于COMSOL模拟开裂混凝土中的氯离子扩散行为
基于COMSOL模拟开裂混凝土中的氯离子扩散行为混凝土是建筑工程中应用广泛的材料之一。
然而，混凝土在长期使用过程中会受到多种环境因素的影响，例如氯离子的入侵与扩散。
氯离子是混凝土结构中最常见的污染物之一，经常伴随着水和气氛中可引起腐蚀的化学物质。
因此，针对开裂混凝土中的氯离子扩散问题进行研究，对于混凝土结构的使用寿命和安全性具有重要的意义。
目前，COMSOL Multiphysics软件已经成为了研究混凝土开裂问题中常用的一种工具。
本文基于COMSOL Multiphysics软件，研究了开裂混凝土中氯离子的扩散行为。
1. 模型建立在计算机模拟前，需要对氯离子在混凝土中扩散的物理机制进行分析。
这里我们采用了Fick扩散定律，本质上是一种基于浓度梯度的扩散模型。
在本模型中，我们针对混凝土中的开裂以及氯离子的扩散进行建模和分析。
开裂混凝土可以看做一个具有多孔性的介质，其中孔隙模型对于模拟氯离子扩散行为有着极大的影响。
因此，我们采用了孔隙模型对混凝土进行建模。
同时，开裂混凝土内存在微裂纹，这些微裂纹具有不连续性，可以看作孔隙介质中的小孔隙，并产生竖向通道，这些通道对于氯离子的扩散速度有着较大的影响。
2. 模型求解采用COMSOL Multiphysics软件，我们将开裂混凝土视为一个多孔介质，在该介质中建立方程，进行氯离子的扩散行为仿真计算。
在计算过程中，我们使用了如下方程：$$\frac{\partial C}{\partial t}=\nabla\cdot(D[\nabla C+\frac{C}{RT}\nabla\mu])$$其中$C$是氯离子的浓度，$t$是时间，$D$为扩散系数，$\mu$为化学势，$R$为理想气体常数，$\nabla$为梯度算子。
在实际计算过程中，我们需要先对混凝土进行网格划分，得到混凝土的几何模型。
根据模型中预设的参数，COMSOL Multiphysics软件可以计算出混凝土中氯离子的浓度随时间的变化规律，从而得到其扩散行为。
Comsol软件介绍
我不是做广告的啊COMSOL介绍COMSOL Multiphysics多物理关注前沿科技，解决多场直接耦合难题——COMSOL Multiphysics助您登上科学的巅峰COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。
广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。
模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。
COMSOL公司于1986 年在瑞典成立，目前已在全球多个国家和地区成立分公司及办事机构。
COMSOL Multiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox 1.0。
后来改名为Femlab 1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。
从2003年3.2a版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。
COMSOL Multiphysics以其独特的软件设计理念，成功地实现了任意多物理场、直接、双向实时耦合，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
在全球各著名高校，COMSOL Multiphysic已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球500强企业中，COMSOL Multiphysic被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。
2006年COMSOL Multiphysics再次被NASA技术杂志选为"本年度最佳上榜产品"，NASA 技术杂志主编点评到，"当选为NASA科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics是对工程领域最有价值和意义的产品。
"COMSOL Multiphysics显著特点求解多场问题= 求解方程组，用户只需选择或者自定义不同专业的偏微分方程进行任意组合便可轻松实现多物理场的直接耦合分析。
基于COMSOL模拟开裂混凝土中的氯离子扩散行为
基于COMSOL模拟开裂混凝土中的氯离子扩散行为混凝土是一种常见的建筑材料，它具有良好的抗压性和耐久性。
混凝土在长期使用过程中可能面临氯离子侵蚀的问题，这会导致混凝土的开裂和损坏。
研究混凝土中氯离子扩散的行为对于预防混凝土的氯离子侵蚀具有重要意义。
COMSOL Multiphysics是一款用于多物理场仿真的工程仿真软件，能够模拟多个物理场之间的相互作用，包括结构力学、传热、电磁场等。
利用COMSOL可以对混凝土中氯离子扩散的行为进行仿真模拟，从而研究混凝土中氯离子的扩散规律和影响因素。
混凝土中的氯离子扩散过程是一个复杂的多物理场问题，涉及到扩散传输、结构力学和化学反应等多个方面。
混凝土的孔隙结构对氯离子扩散起着重要作用。
混凝土是一种多孔材料，其孔隙结构对其渗透性和扩散性能有着直接影响。
混凝土的力学性能也会受到氯离子侵蚀的影响，氯离子侵蚀会导致混凝土的孔隙结构破坏，从而影响其力学性能。
氯离子与混凝土中的水泥基体和骨料等物质也会发生化学反应，这些化学反应也会影响氯离子的扩散行为。
基于以上考虑，可以利用COMSOL对混凝土中氯离子扩散的行为进行仿真模拟。
首先需要建立混凝土的多物理场模型，包括结构力学、传质传热和化学反应等方面。
需要对混凝土材料的性能参数进行建模，包括孔隙结构参数、弹性模量、渗透率、氯离子扩散系数等。
然后，可以利用COMSOL进行实际仿真计算，得到混凝土中氯离子扩散的行为及其影响规律。
在COMSOL中进行混凝土中氯离子扩散的仿真模拟可以为混凝土的氯离子侵蚀问题提供重要参考，有助于优化混凝土材料的设计和配方，提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力。
这种仿真模拟方法还可以为混凝土材料的性能评价和寿命预测提供新的研究思路和技术手段。
利用COMSOL对混凝土中氯离子扩散进行仿真模拟具有重要的理论意义和实际应用价值。
COMSOL软件在流体、结构、传热等多物理场耦合领域的应用
Subsurface Flow Module基于地下水流动分析地球物理现象在建的核废料储存库，用于在接下来的10 万年内储存乏燃料棒。
该模型模拟的情形是：燃料束套筒发生破裂，导致核废料通过周围的岩石裂隙发生渗漏，并回充到上方的隧道中。
饱和与变饱和渗流地下水流动模块面向需要仿真地下或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们，并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系，例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。
它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动，以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现象。
地下水流动模块可以模拟管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水，并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。
许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。
民事、采矿、石油、农业、化工、核能和环境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象，因为他们从事的行业会直接或间接（通过环境因素）影响我们生存的地球环境。
地下水渗流影响许多地球物理属性地下水流动模块内包含了许多专用的接口，用于模拟地下环境中的流动及其他现象。
作为物理接口，它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接口组合并直接耦合，或与COMSOL 模块套件中任何其他模块的物理接口组合并直接耦合。
例如，地下水流动模块的多孔弹性模型与岩土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。
融合地球化学反应速率和动力场COMSOL 使您可以在地下水流动模块物理接口中的编辑区域内灵活地输入任意公式，这对于在质量传递接口中定义地球化学反应速率和动力场非常有用。
但是，将这些物理接口与化学反应工程模块耦合将意味着，您可以通过该模块易用的物理接口定义化学反应，模拟多个多物质反应。
对于模拟核废料数千年间在其储存库中的扩散及多步反应过程，这两种模块的组合会很有用。
更多图片地下水流动的仿真物理接口地下水流动模块用于仿真多孔介质流动及其相关过程：多孔介质流动地下水流动模块的核心功能是模拟变饱和与完全饱和多孔介质中的流动。
基于Comsol的饱和多孔介质动力方程的数值模拟及应用
方 程进 行 求解 ， 并 把 改 进 后 的 无 限 元 边 界 应 用 到 无 限 域 动 力 问题 的 模 拟 中 。 通 过 与 饱 和 多 孔 介 质
动 力响 应 的解析 解进 行 对 比 ， 验证 模 型求 解技 术的 可行性 和 正确性 ， 并在此 基础 上讨 论饱 和 土地基
中空 沟隔振 效果 与饱 和 土体参 数孔 隙率 、 泊松 比的 关 系。通过研 究分析 ， 可 以 为饱 和 土地基 中空 沟 隔振 设 计提 供一 些有 价值 的参 考 。
Ｄ０Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０— ０ ８ ４ ４ ． ２ ０ ｌ ７ ． ０ ２ ． ０ ３ ２ １
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｅｑｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ
针对 Ｂ ｉ ｏ ｔ 饱和 多孔介 质 Ｕ — Ｕ 耦 合形 式 下的 波动 方程特征 ， 经过 一 系列微 分算 子运 算和 矩 阵 变换 得
到 导数 形 式 下的波动 方程 ， 基 于 Ｃｏ ｍｓ ｏ ｌ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ提 供 的 广 义偏 微 分 方 程 模 式 对 变形 后 的 波 动
Ｏ ８４ ４． ２ Ｏ１ ７． ０２． ０３ ２１
基于 Ｃ ｏ ｍｓ ｏ ｌ 的 饱 和 多 孔 介 质 动 力 方 程 的 数 值模 拟 及 应 用 ①
杨 贝贝 ，李伟 华 ，赵 成 刚 ，李 梦姿
（ １ ． 北京交通大学 土木建筑 工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ；２ ． 华 北 水 利 水 电大 学 资 源 与环 境 学 院 ， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ４ ６ ）
（建议下载）COMSOL软件介绍与应用
（建议下载）COMSOL软件介绍与应⽤多孔介质传热传质报告题⽬姓名：学号：完成⽇期：COMSOL软件介绍与应⽤⼀、COMSOL Multiphysics软件介绍1.1 COMSOL Multiphysics软件简介COMSOL Multiphysics 是⼀款⼤型的⾼级数值仿真软件，由瑞典COMSOL 公司开发，⼴泛应⽤于各个领域的科学研究以及⼯程计算，被当今世界科学家称为“第⼀款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适⽤于模拟科学和⼯程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以⾼效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能⼒实现了任意多物理场的⾼度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域⾥得到⼴泛的应⽤。
COMSOL Multiphysics 起源于MATLAB 的PDE Toolbox，最初命名为PDE Toolbox 1.0。
后来改名为Femlab 1.0（FEM 为有限元，LAB 为实验室），这个名字也⼀直沿⽤到Femlab 3.1。
从2003年3.2a 版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。
在全球各著名⾼校，COMSOL Multiphysics 已经成为教授有限元⽅法以及多物理场耦合分析的标准⼯具，在全球500 强企业中，COMSOL Multiphysics 被视作提升核⼼竞争⼒，增强创新能⼒，加速研发的重要⼯具。
2006 年COMSOL Multiphysics 再次被NASA 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”，NASA 技术杂志主编点评到，“当选为NASA 科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics 是对⼯程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL Multiphysics 软件设计理念独特，她抛弃了传统意义上的单元（库）的概念，抛弃了⽹格划分时单个单元刚度矩阵的概念，将多个偏微分⽅程（组）直接组装成⼀个总的刚度矩阵。
COMSOL软件介绍与应用
多孔介质传热传质报告题目完成日期：COMSOL软件介绍与应用一、COMSOL Multiphysics 软件介绍COMSOL Multiphysics 软件简介COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典COMSOL公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
COMSOL Multiphysics 起源于MATLAB 的PDE Toolbox ,最初命名为PDE Toolbox o后来改名为Femlab （FEM为有限元，LAB为实验室），这个名字也一直沿用到Femlab。
从2003年版本开始,正式命名为COMSOL Multiphysics o 在全球各著名高校，COMSOL Multiphysics已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球500强企业中，COMSOL Multiphysics被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。
2006年COMSOL Multiphysics再次被NASA 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”，NASA技术杂志主编点评到，“当选为NASA 科学家所选出的年度最伕CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics是对工程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL Multiphysics软件设计理念独特，她抛弃了传统意义上的单元（库）的概念，拋弃了网格划分时单个单元刚度矩阵的概念，将多个偏微分方程（组）直接组装成一个总的刚度矩阵。
这样出现的结果即是，不管求解多少个物理场，我们只需选择对应的偏微分方程进行任意组合，软件自动联立求解，实现任意多物理场、直接、双向实时耦合。
comsol简介
COMSOL Multiphysics一、简介COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。
广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“最专业的多物理场全耦合分析软件”。
模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。
应用领域有：声学；生物科学；化学反应；弥散；电磁学；流体动力学；燃料电池；地球科学；热传导；微电机系统；微波工程；光学；光子学；多孔介质；量子力学；无线电频率部件；半导体设备；结构力学；传动现象；波的传播等等各种可以用偏微分方程（PDE）描述的数学、物理和工程领域。
在全球各著名高校，COMSOL Multiphysic已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球500强企业中，COMSOL Multiphysic被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。
二、OMSOL Multiphysics的特点1.应用范围广COMSOL Multiphysics通过定义和耦合任意数量偏微分方程的能力使之成为一个强大的分析工具，其灵活性和基于方程的建模方式可以帮助用户深入研究。
尤其是自定义偏微分方程（PDE）应用模式，允许用户建立自己的模型，更加扩大了COMSOL Multiphysics 在科研领域的应用。
COMSOL Multiphysics的应用领域非常广泛，如果一个科学或者工程问题可以简化为偏微分方程形式的数学模型，几乎都可以借助COMSOL Multiphysics进行求解。
软件中预定义的物理模型几乎包括了所有常见的工程和物理学科。
2.使用方便通过强大且直观的图形用户界面，很容易地在所有工程及科学的规范下，建立所需的设备及处理程序模型。
容易建立模型且可客户化，能执行1D、2D 或是3D 模型。
COMSOL Multiphysics的交互建模环境，可以从开始建立模型，直到分析结束，都不需要借助其它任何软件，它便捷的图形环境，在不同步骤之间（如建立几何模型、设定物理参数、划分网格、求解以及后处理）进行转换相当方便，能极大地减少了工作量。
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三轴测试
土壤中应力及位移分布
土壤样本有效塑性应变 （红色区域表示达到塑性应变）
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岩石裂隙发育
岩土基本性质 －试验手段
岩体损伤、裂隙发育 岩体渗流破坏
岩土本构理论研究
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岩石裂隙流动
缓慢渗流+裂隙边界 参数绘图
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弹性波地层传播
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流体-电磁耦合
• 多孔介质中的流体流动而产生的电动电压 • 电流产生的磁场；电场对流场的反作用
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渗流模型
基于多孔介质的流动：
Richard非饱和渗流模型 Navier Stokes 自由流动模型
Darcy’s慢速饱和渗流 模型
Brinkman 快速饱 和渗流模型
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球形轴承及密封圈应力分布
• 压电效应
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岩土力学模块
结构力学模块的一个特殊附加模块 − 研究岩土工程中的塑性、变形、 土壤和岩石的失效问题 − 混凝土和岩石模拟专业工具 应用 − 隧道、挖掘、边坡稳定性和支护 结构
自由+多孔介质流
开放流道和多孔结构的速度场
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流体传热耦合
• 地热梯度
温 度 场 分 布
• 温度的改变，引发水的密度 的改变，从而引发了浮力流 动
速 度 场 分 布
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COMSOL Multiphysics
Modules Livelinks for CAD CAD Import Livelinks for Matlab Java Script
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地下水渠流热分析
• 暗渠流体域：
由于不同介质具有不同的传热特性，因此根据介质不同分为 流体区和土层区二个区域进行研究。为了简化计算，做如下 基本假设： 1) 流体层流 2) 流体不可压缩 3) 流体压力不随温度变化 4) 流体密度为常数
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结果分析：
温度分布
永久冻土边坡融化的反应、弛豫时间
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地 下 水 渠 流 热 分 析
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• 流固耦合：Darcy 流动+结构力学
• 达西方程：
∂ε vol /∂ t 是从固体位移方程得 到的体积应变变化速率
• 平面应变方程：
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高富水砂层动态降水
地 面 最 大 沉 降 地 面 最 大 水 平 变 形
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COMSOL Multiphysics 多物理场仿真模拟系统
PASSCODE：9FFFBFFF0-TYUS-120704-5075285-316603496
中仿科技 张 凯 （Kevin Zhang） 2012年6月
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多物理场耦合 • What • How
孔隙弹性
• Biot固结 • California Central Valley
Land surface in Fresno, CA Dropped 9 m in 20 years
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孔隙弹性
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多物理场耦合 ——垃圾填埋
• • • • • • 渗流分析 气体扩散 热分析 污染物迁移 固结、沉降 ……
流体 H (Hydraulic) (Hydrolic) 力学 (Mechanical)
多场 耦合
热传 (Thermal)
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照射48小时后的温度分布情况，白线代表冻土融化分布
没有覆盖时，
存在覆盖时，
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阿尔卑斯山永久冻土分析
永久冻土二维热力学模型
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原位 (重力) 应力
• 有两种方法定义原位应力 • 设定初始应力(用户直接定 义初始应力状态) • 基于重力场的两步分析： – 计算线弹性模型在重力 荷载下的应力分布 – 在第二步的分析中应用 前一步计算的应力场
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隧道工程(双洞)
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孔隙弹性研究
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冻土
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研究背景
• 冻土：温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土。 • 特点：对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。 具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。
东北大学
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突水模型
• 考虑不同工况条件下的地下水渗流分析
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CO2地下封存
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测量电压和磁场的分布情况可以获 得对火山内部流动的认识。
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岩土工程
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岩土领域
• • • • • • • 应力应变 岩土本构 流体流动 多相流 溶质运移 热传问题 孔隙弹性 -- 基础分析 -- 岩石、土壤、混凝土 -- 宏观 微观 -- 两相流，多相流 -- 对流扩散方程 -- 同流动相关，共同考虑 热应力 … …
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土体塑性行为和接触分析
• 深开挖模型 • 土体塑性本构
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土体塑性行为和接触分析
• 参数化建模和参数扫略功能
深基坑开挖模型
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T < (Tm − ∆T ) (Tm − ∆T ) ≤ T ≤ (Tm + ∆T ) T > (Tm + ∆T )
λf λu − λ f * [T − (Tm − ∆T )] λe = λ f + 2∆T λu
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地下水渠流热分析
• 土层区
对于含水介质中相变潜热问题采用显热容法进行处理，假 设模型中含水介质相变发生在温度区间 ，相变前后 热容和导热系数：
Cf C f + Cu L * Ce = + 2 2∆T Cu
T < (Tm − ∆T ) (Tm − ∆T ) ≤ T ≤ (Tm + ∆T ) T > (Tm + ∆T )
反应 (Biological) 仿 真 智 领 创 新
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COMSOL Multiphysics®
第一款真正的多物理场耦合分析软件
• COMSOL Multiphysics
– 一套针对可以用偏微分方程 （组）描述的数学、物理或工 程上的问题，使用有限元方法 进行仿真的电脑辅助分析软件
关键因素：热稳定性 温度 渗流
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计算机数值模拟
多物理场耦合： 温度 渗流
热传导、对流传热、热参数
冻土结构、强度：抗压强度、抗剪强度、压缩性质、蠕变 路基走向、风速、辐射、蒸发等外界条件
仿真建模：
斜坡几何模型、确定岩土参数、热学、渗流边界条件 含水量、温度对边坡稳定性的影响 冻融界面 边坡结构、外界环境的影响因素 边坡稳定性随时间的变化规律