文档介绍：COMSOL处理相变
技术部施翀
案例1—Phase Change
案例背景介绍:模拟冰到水的相变过程
冰到水的相变过程,本来因为水与冰的密度不同,体积会发生变化。
但是本案例没有考虑密度的变化,密度一直都是冰的密度,否则需要使用
移动网格或两相流来模拟。
域方程:
只有密度是冰的密度,其他的材料参数都是冰和水两相的
等效值,其中热容还与潜热有关!
案例1操作
选择流体中传热,但是根据PDE文档说
的是选择多孔介质中的传热。虽然对于
并案例来说选哪个都一样。
右端温度从T0到Thot
为了增加收敛性使用
平滑函数
案例1操作
对于同一个区域,添加了两种材料属性之后,冰的属性显然会被水
的属性覆盖掉。但是本案例不同,因为采用的是相变传热。
案例2—冷冻干燥(Freeze Drying)
Freeze-drying或叫lyophilization(冻干法)是干燥处理热敏感物质如食物、
血浆(blood plasma)、抗生素(antibiotics)等的有效方法。
具体过程为:潮湿物质先被冷冻,然后冰(或其他冻结的溶剂)通过高真
空的方法被升华除去。
模型采用变形几何来模拟随着水蒸气-冰界面向上移动。
采用变形几何而不是移动网格原因是:??
案例2—几何
从几何上看是2D轴对称的,但是因为有条件(边界条件或热源等)并不是2D轴对称,所以只能将3D几何画出来,可以取一半来减少计算量。
因为本案例在真空设备底部有热通量为:
案例2—理想气体假设
冰在真空容器的底部,其余空间为升华的水蒸气。最初,假设干燥
空气的分压为p0=20Pa,在这样的低压下,水蒸气可以被认为是理想气体
那么水蒸气分压为:
总的压力为:
所以潮湿空气的总密度为:
而不是Moist air!
案例2—传热方程
在冰和水蒸气域都使用如下传热方程:
对于水蒸气的密度:
但是注意热容和导热系数都
需要指定,这与选择Moist
Air不同!!
真空容器顶部加热热源:
模拟底部受热的不均匀!!
案例2—质量守恒和界面设置
只有扩散影响:
水蒸气和冰界面处的质量通量:
Vs为界面的法向速度
Qs为界面处的净热通量,
这里可用变量T_lm
根据界面处的能量守恒公式
与tin melting front案例一样
L就是潜热
还与与tin melting front案例一样,在相变
界面处温度平衡:
案例2—初始浓度和温度
c_ice为冰/蒸气界面的初始浓度,其在蒸气域的初始浓度分布为c_init
根据表达式意味着在整个蒸气域中初始浓度分布是不均匀的,与离界
面的距离有关,Zg为网格框架的高度坐标。
因为使用了变形几何,所以网格
框架分离出来了。但是为什么一
定用网格框架下的坐标??
初始温度的分布与初始浓度的分布类似。