利用COMSOL 软件分析L形波状腔体内自然对流传热的流固耦合

图 1. (a) COMSOL 中建模的几何体。(b) 网格。

建模/仿真

图 1(b) 显示了所使用的网格。可移动挡板的运动发生在 L 形波纹腔体内的流体中，迫使网格根据挡板的运动动态调整 。本文采用了任意拉格朗日-欧拉 (ALE) 方法 ，该方法能够有效处理结构弯曲和流体运动耦合的情况。

网格速度采用拉普拉斯方程计算。该方程作为偏微分方程 (PDE) 用于平滑网格位移相关的边界值。应用狄利克雷边界条件，在静止壁面处设定零值，在流固耦合界面（具体而言，是柔性鳍片的壁面）处设定位移值。时间推进采用后向微分公式 (BDF)。使用 PARDISO 求解器，采用阻尼系数为 0.8 的牛顿法，逐步求解剩余方程。

结果/结论

使用COMSOL 进行的数值模拟结果表明，如图 2 所示，随着瑞利数的增加，对流增强，并产生更明显的回流区，尤其是在障碍物下方。当瑞利数超过 10⁶ 时，障碍物会发生显著变形，从而改变流动模式并增强传热。

另一方面，较低的弹性模量值允许屏障发生更大的弯曲，从而改变流动路径并形成新的回流区。随着弹性模量的增加，屏障变得更加刚硬，限制了其对流体行为的影响。

图 2. 在不同瑞利数下，流线（左）、温度分布（中）和速度面（右）的变化演变，保持恒定

关于热问题，等温线反映了流动的演变：在变形障碍物存在的情况下，温度分布变得更加分散，有利于更大的热混合和更好的传热效率。

总之，这项工作表明，COMSOL 是一款功能强大的工具，可用于模拟传热、流体力学和结构力学中的耦合现象。该程序处理涉及动态网格和流固耦合问题的能力是解决此类问题的关键。