COMSOL之二十大使用技巧

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COMSOL Multiphysics之二十大使用技巧

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一、 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conc恒定在指定值c_set。（基本模块模型库 > Multidisciplinary > PID control）。需要添加的PID算法约束如下式：

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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t求导，得到

0?dint?conc?c_set。在COMSOLdt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全局约束添加入模型之中。

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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(point)积分耦合变量、边(edge)积分耦合变量、边界(boundary)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conc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。（基本模块模型库 > Chemical engineering > absorption）

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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。

C4 C3 C3 C1

C2

移除C4 将C3扩展到C1

C1

C2

C3 C4

C1

C2

C1

C2 C3 移除C4 修改C1到C3

C4 C3 C4 C3 C1

C2

将C4延长到C3

C1

C2

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C3 C4

C1

C2

移除C4 修改C1和C3

C1

C3 C2

C3 C5 C6 C1

C4

C2

移除C5, C6 修改C1或C4

C4 C1

C3 C2

非末端相交

C3 C

切除C1和C3

C2

C1

CC

多个交点

C3 C

切除C1和C3

C2

C

C3 C2

移除面，并扩展其他面填补缺口

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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，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。

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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。

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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。

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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 –input test1.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

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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选择。这时用户可以随意再用左键选取其他边界，这个蓝色的边界始终都保持不变，不会被取消选择。这样用户可以重复左键、右键，完成多个边界的选取。如果要取消一个已经加入选择的边界，则再用鼠标左键单击这个边界，这是该边界会由蓝色变为绿色，此时点击右键，则取消该边界的选择，其他已加入选择的边界不受影响。

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十八、 开启结构符号

为了让用户对于当前模型中的边界约束条件一目了然，可以开启结构符号，如下图开启结构符号后，可以清楚地看到对于这个结构对象的约束类型，即在对称面上自由度限制为0等 。

用户可以直接在左侧的绘图工具条上点击“显示符号”按钮，或

在菜单“选项”->“参数设定”对话框，点击“显示”标签，然后选中其中的“符号”复选框。

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十九、 正确绘制变形

变形图，可以帮助用户了解结构形变后的形状，然而，有时候，模拟得到的变形量很小，例如相对于结构而言，仅为实体的1E-3倍。如果以1：1的比例关系显示变形，很有可能看不到效果。这时，可以通过修改“绘图参数”对话框的“变形”标签中的“比例系数”，来增加变形图的效果。用户可以选择“自动”，或者清除“自动”复选框后，在后面的编辑框中填入自己希望的比例关系。

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二十、 避免建立违反物理规律的模型

当创建一个复杂的多物理模型时，COMSOL推荐用户采取从简入繁的建模思路顺序。先建立简单的单物理场的模型，然后完成计算看看结果是否合理。依次遍历所有涉及的物理场。经过这样的单物理仿真以后，就可以确保在每个物理场的仿真中，相关的设置都正确。然后再将这些物理场逐渐耦合起来，完成多物理场的仿真。

如果直接建立复杂的多物理模型，则很难验证结果的有效性，甚至计算报错也很难快速的找到原因。

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