COMSOL传热与多物理场耦合仿真_李星辰田野姚雯主编_9787111725510

全书共11章，前3章为第一部分基础篇。第1章以传热学与计算传热学的发展为开端，介绍了计算传热学的发展概况及其应用领域，接着简要介绍了COMSOL Multiphysics 传热模块以及如何使用本书。第2章从传热学基础和控制方程的角度阐述了传热的三大方式及其耦合形式。第3章从实际操作角度出发，介绍了COMSOL的求解方法、数值稳定性和常见的报错解决方法。

第4～7章为本书第二部分专题篇，笔者依托十余年的仿真经验，精心选取四类耦合传热方式进行专题介绍。第4章介绍了使用频率最高的固体传热、流体传热和共轭传热等物理场形式。第5章介绍了热应力与金属加工耦合的分析原理，涵盖热应力分析、相变传热分析和蒸发与冷却等内容。第6章介绍了4种形式的多孔介质传热，包含热平衡、热非平衡、地下水和裂隙流等多种传热形式。第7章介绍了电磁效应和传热场耦合场景，具体包含焦耳热、感应热和微波热3种常见热源类型。

第8~11章为本书的第三部分应用篇，选取当今航空航天与动力、材料、生物、能源四大前沿领域，每个领域阐述3个有趣的案例，按照由浅入深的顺序较为详细地讲解了每一个操作步骤，使初学者可通过对照练习理解软件的使用技巧。

本书是面向具有初步传热基础的读者编写的传热仿真入门指南，初学者可以通过本书获得对COMSOL传热学及相关耦合知识较为全面的了解，也可以在阅读完成第一部分基础篇的内容后，挑选自己感兴趣的专题和应用领域，学习对应的案例操作。如果读者需要对软件设置原理有更全面的了解，可以查看COMSOL翔实的用户帮助文档。

前言

近年来，COMSOL多物理场有限元仿真软件，在科学研究与工程实践中得到了广泛的应用。在需要多学科密集交叉的航空航天领域研究中，国防科技创新研究院智能设计与鲁棒学习团队、国防科技大学天拓卫星团队与西安思缪智能科技有限公司围绕卫星微推进系统设计、卫星内部优化布局、卫星整星热控、智能材料设计及分布式仿真计算等领域，利用COMSOL软件进行了多物理场仿真建模的广泛交流与合作。合作成果先后应用于天拓系列微纳卫星、天源卫星在轨加注系统等多项航天项目，并支持项目获得多项国家和省部级科技进步奖。经过长期的项目实践，一套基于多物理场仿真的数字化设计与多学科优化方法已经初步成型，COMSOL的应用在其中具有不可或缺的作用。

COMSOL以其完全开放的架构、任意自定义PDE、丰富的专业模块，可以轻松实现建模流程的各个环节，30余个预置多物理场应用模式，同时配置了优化功能、不确定性量化和粒子追踪等5个多功能模块，整体架构涵盖从流体传热到结构力学，从电磁分析到化学工程等诸多工程、制造和科研领域。它可以使工程师与科研工作者通过仿真，赋予设计理念以生命。运用它不仅可以提高卫星的各项性能，还可以提升汽车、飞机和高铁的安全性能。它可以基于物理场，模拟各个领域的设计以及设备运行等过程。本书对COMSOL的传热学基础知识和前沿应用场景做了系统介绍，力图将V5系列版本下COMSOL操作方法与建模技巧分享给广大仿真爱好者。

全书共11章，第1～3章为本书的基础篇。第1章介绍了传热学和计算传热学的区别与联系，进一步阐述了计算传热学的发展概况和应用领域，然后介绍COMSOL传热模块的基本情况，最后介绍了本书的架构和读者使用本书的方法等。

第2章介绍了传热学基础与控制方程，具体包含：传热学解决的问题、三种基本传热方式、傅里叶热传导理论、对流换热理论和热辐射理论，最终结合COMSOL多场耦合的特色介绍了软件内多种传热场耦合形式。

第3章在本系列第一册书《COMSOL多物理场仿真入门指南》（机械工业出版社）的基础上，对COMSOL求解器知识进行了介绍，具体包含：数值求解的基本思想、当前主要数值计算方法、软件求解方法、离散化和数值稳定性的概念与应用，最终结合笔者多年的使用经验，对软件常见报错及解决办法进行了总结。

第4～7章结合COMSOL软件内的预置模式介绍了传热场的应用专题。首先，第4章介绍了固体传热、流体传热、共轭传热和辐射的求解域设置方式及其主要边界条件的物理意义。

第5章从材料学的角度出发，介绍了热应力和金属加工相关的专题知识，具体包含热应力的基本概念、本构方程、COMSOL设置方法、相变传热分析、潜热数值处理方式和蒸发冷却原理的实现等内容。

第6章以广泛存在于化工、地球物理和流体等领域的多孔介质为载体，介绍了多孔介质这一特殊类型介质传热的实现方法，具体包含热平衡/热非平衡过程的热传递、地下水传热和裂隙流传热等内容。

第7章从电磁学的角度出发，依次介绍了焦耳热、感应热和微波热三种热源形式，对其数理方程形式和影响因素进行了较为详细的剖析。

第8~11章是本书的应用案例讲解板块。第8章介绍了航空航天与动力领域的传热学应用，具体包含燃气轮机叶片、卫星热布局和稀薄气体气动热3个案例，包含了外部CAD导入方法、材料属性插值定义、多物理场耦合节点设置以及高马赫流实现等知识点。

第9章介绍了材料领域的传热学应用，依次介绍了超快激光加热金属膜、增材制造温度-应力场和化学沉积半导体材料3方面的应用案例，分别展示了传热场与热应力、化学反应等学科的耦合设置及操作方法，以及用户自定义函数、自定义热源、多层材料设置和反应工程定义等实用技巧。

第10章介绍了生物领域的传热学应用，依次阐述了用于DNA扩增的便携式芯片、肿瘤的微波热疗法和介电探针检测皮肤3个应用案例，涉及化学工程、电磁波和生物传热模块的设置过程，具体包含热力学系统设置、反应工程节点、稀物质传输、复介电参数定义以及频域求解器使用等功能实现技巧。

第11章介绍了能源领域的传热学应用，逐一阐述了锂电池温度特性、辐射冷却和地热开发3个案例，涉及固体传热、辐射传热和多孔介质流动等预置模块，具体包含了几何阵列操作、表面对表面辐射实现、自由多孔介质流动设置和局部热非平衡设置等相关操作方法。

本书主要编写人员有李星辰、田野、姚雯，黄奕勇研究员、杜巍讲师、肖定邦教授、戴思航、邓康宇、张若凡、梁昊鹏、胡云鹏、苏元元、刘奇、吴伟、赵栩鹤、刘张浩对本书的编写均有突出贡献，刘贝贝和吴小莉等人对本书提出了宝贵的建议。
出版过程中，本书得到了机械工业出版社编辑的大力支持，在这里深表谢意。

最后，需要特别声明，因为软件安装会受到硬件环境和软件版本影响，根据书中内容的操作结果难免和实际情况有所差异，如有问题，读者可以发邮件至support@matheam.com，我们会尽快给予解答。

编者

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