農(nóng)學(xué)專業(yè)多物理場仿真課程中的關(guān)鍵問題

宋曉燕，宋 作，劉寶林，王 欣，宋丹萍

(上海理工大學(xué)生物系統(tǒng)熱科學(xué)研究所，上海 200093)

隨著自然科學(xué)的高速發(fā)展，人類探索自然界規(guī)律的步伐越來越快，但受當(dāng)前科學(xué)研究工具和理論基礎(chǔ)的局限性，很多試驗無法進(jìn)行，導(dǎo)致無效試驗的比例越來越高[1]。數(shù)值模擬技術(shù)的誕生和應(yīng)用則很好地解決了這一問題。數(shù)值模擬也叫計算機模擬。依靠電子計算機，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達(dá)到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。目前，大量的商業(yè)數(shù)值模擬軟件出現(xiàn)在企業(yè)、研究院所和高校的實驗室中，其中包括FLUENT、ANSYS、ABAQUS、SC/Tetra、TOSCA、Isight、MagneForce、FE-safe、Theseus-FE、SPDRM和COMSOL等。鑒于多物理場技術(shù)的強大功能，企業(yè)和專門的科學(xué)研究機構(gòu)紛紛購買了大型仿真軟件用于提高科研水平或輔助開發(fā)產(chǎn)品。同時，我國很多高校也紛紛設(shè)置數(shù)值模擬課程，希望為國家培養(yǎng)更多這方面的人才。在目前的商業(yè)仿真軟件中，COMSOL Multiphysics 是一款大型多物理場耦合模擬軟件，特別適用于模擬多種物理場之間有強烈耦合或者影響的復(fù)雜過程[2-4]。筆者以COMSOL為例，分析了農(nóng)業(yè)設(shè)備優(yōu)化與農(nóng)產(chǎn)品加工過程中多物理場模擬常常遇到的若干問題，以期為數(shù)值模擬的學(xué)習(xí)者和教學(xué)者提供參考。

1　多物理模擬常見問題分析

1.1空間維度的選擇在COMSOL中，空間維度選擇是建立模型的第一步，也是最關(guān)鍵的一步，因為它決定了模擬的效率。COMSOL5.3版本的界面中有6個維度可供建模者選擇(圖1)。其中，三維、二維軸對稱、二維和一維軸對稱適用于具有確定物理空間模型的物理場仿真，比如換熱器表面流場的模擬[5]、微通道內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程的模擬[6]、果蔬冷卻過程的模擬[7]。一維和零維則特別適用于基本理論實驗的仿真，特別是沒有物理空間約束的實驗，比如電容式壓力傳感器中壓力傳感器的響應(yīng)與封裝材料之間的關(guān)系[8]。前者與后者的區(qū)別在某種程度上可以認(rèn)為是工科與理科的區(qū)別。

1.2物理場的選擇物理場選擇的合適與否基本決定了仿真試驗的成功與否，因為數(shù)值仿真是一個即粗放又精密的工作。粗放指的是相對于真實情況，它需要建模者對物理過程進(jìn)行合理簡化，從而有利于快速排除不必要的干擾。例如，在模擬制冷系統(tǒng)大型管道內(nèi)部的流場時[9]，如果過于計較微小顆粒在流體中的布朗運動，這個模型基本上無法運行，否則計算量將是天文數(shù)字。精密指的是在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上物理場的把握必須準(zhǔn)確，而且參數(shù)一定要設(shè)置合理。例如，在模擬果蔬真空冷卻過程中，葉類蔬菜必須考慮葉脈對其傳熱傳質(zhì)的影響(圖2)[10]，不能過度優(yōu)化為規(guī)則的長方形或者橢圓形?；谶@種粗放與精密之間的關(guān)系，必須合理選擇物理場，才能與該研究的設(shè)想高度吻合，最終借助參數(shù)以及參數(shù)間一系列的邏輯關(guān)系將模型以較高收斂性運行下去。例如，在模擬牛奶表面的蒸發(fā)過程時必須考慮到邊界層的存在，而且這個邊界層具有一定的厚度，此時選擇稀物質(zhì)傳遞和流體傳熱模塊比較合適。然而，如果選擇了固體傳熱與多空介質(zhì)擴散模塊，就需要完成大量的公式修訂和參數(shù)設(shè)置工作，最關(guān)鍵的是效果不一定好。

1.3耦合參數(shù)的設(shè)置在物理場選擇及基本參數(shù)設(shè)置完成之后，各個物理場之間需要搭建起邏輯的“橋梁”。這個橋梁就是人們通常說的耦合量，也是影響各個物理場在下一個步長計算結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。例如，在模擬木頭防水油炸處理過程中的形變與冷卻現(xiàn)象時，必須將溫度與熱膨脹系數(shù)之間的關(guān)系實時變換，而并非是簡單地設(shè)置了不同溫度下木頭的膨脹系數(shù)。對于不同參數(shù)之間的關(guān)系，可以通過引入輔助參數(shù)、輔助公式或者輔助物理場實現(xiàn)。例如，在油炸土豆條冷卻過程中，油的反滲透現(xiàn)象大部分是通過引入輔助公式的方法實現(xiàn)耦合[11]，如圖3所示。

圖1　COMSOL MULTIPHYSICS 5.3 的維度選擇界面Fig.1　Dimension selection interface of COMSOL MULTIPHYSICS 5.3

圖2　葉類蔬菜模擬過程中的物理模型Fig.2　The physical model of leaf vegetable simulation process

圖3　油炸木頭冷卻過程部分參數(shù)的公式耦合Fig.3　The formula coupling of some parameters of deep-fried wood cooling process

2　關(guān)于多物理場課程教育改革與培訓(xùn)的幾點建議

2.1提高多物理場仿真軟件的必備素質(zhì)但凡是數(shù)值仿真軟件，都會涉及各種各樣的參數(shù)和公式，因此，學(xué)好多物理場的第一個基本素質(zhì)便是具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，尤其是求導(dǎo)、隱函數(shù)與積分等基本高等數(shù)學(xué)知識用得比較多。另外，扎實的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗也非常重要。例如，流化床超快速凍結(jié)果蔬的過程中，如果不了解兩段傳輸帶的交匯處是處于湍流還是層流狀態(tài)，就很難通過模擬得出高精度的結(jié)果。因此，在學(xué)習(xí)或者教授多物理場仿真軟件時，首先有必要通過各種方法強調(diào)高等數(shù)學(xué)的重要性。

2.2模型重現(xiàn)是最便捷最高效的學(xué)習(xí)方法很多研究生在對自己的實際試驗進(jìn)行仿真時，遇到各種各樣的問題，其中任何一個問題都足以困惑很長時間，甚至大部分問題無從解決，原因在于他所模擬物理過程的專業(yè)性以及仿真過程的復(fù)雜性。因此，很難找到第二個人能夠指出關(guān)鍵問題所在。遇到這種問題，最好的方法是從案例庫中找出類似的模型，按照系統(tǒng)提供的PDF文檔將別人的模型重現(xiàn)，模仿多了便會發(fā)現(xiàn)一些特別適用于自己的方法和技巧。

2.3多實踐，多觀察，多思考由于專業(yè)性在建模過程中至關(guān)重要，因此，建模者需要大量實踐來獲取可靠、準(zhǔn)確的物理模型，直到能清晰地畫出各個物理場以及各個步長之間的邏輯關(guān)系。同時，建模者在實踐中要站在不同學(xué)科的角度反反復(fù)復(fù)地觀察試驗現(xiàn)象，總結(jié)出不同學(xué)科知識點在實踐中的體現(xiàn)，進(jìn)而總結(jié)出該物理過程的特殊性和專業(yè)性。

3　結(jié)論

針對多物理場仿真技術(shù)在制冷過程中遇到的幾個常見問題展開了討論和分析，其中包括維度選擇、物理場選擇和參數(shù)設(shè)置技巧。然而，這些技巧僅僅是數(shù)值仿真中所需要掌握技術(shù)的一小部分，如果要完成整個建模過程，需要軟件的培訓(xùn)人員(尤其是大學(xué)教師)和學(xué)習(xí)者投入一定的時間鞏固使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及專業(yè)知識。同時，實踐是仿真結(jié)果與試驗結(jié)果高度吻合的關(guān)鍵，即仿真前必須保證試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。此外，該研究僅僅以COMSOL為例展開了討論和分析，其他軟件的使用方法與技巧提升需要根據(jù)軟件自身特性適當(dāng)調(diào)整。

[1] 付穌昇.ANSYS Workbench 17.0數(shù)值模擬與實例精解 CAE分析大系[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[2] 王玥，劉麗煒，胡思怡，等.基于COMSOL Multiphysics對Cu2S量子點的表面等離激元共振模擬研究[J].物理學(xué)報，2013，62(19)：477-482.

[3] 費康，劉漢龍，孔綱強，等.熱力耦合邊界面模型在COMSOL中的開發(fā)應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2017，38(6)：1819-1826.

[4] 王亮，周建偉，徐劍，等.基于COMSOL Multiphysics模型的液態(tài)罐頭食品熱殺菌過程模擬研究[J].中國食品學(xué)報，2014，14(11)：76-82.

[5] 黃康，郭憲民，邢震.翅片管換熱器結(jié)構(gòu)對霜層生長特性影響研究[J].低溫與超導(dǎo)，2017，45(3)：73-78.

[6] 陳華，李玉婷，張志強.微通道換熱器結(jié)露工況下的性能實驗研究[J].低溫與超導(dǎo)，2017，45(1)：65-68，90.

[7] 傅宏，左春檉，于建群，等.自然冷資源庫中果蔬冷卻過程的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000，16(3)：97-99.

[8] 王慶敏，楊要恩，蘇木標(biāo)，等.MEMS微電容式傳感器的傳感特性研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2009，22(10)：1396-1400.

[9] 朱暉，楊志剛，譚鵬，等.流體仿真平臺對汽車外流場仿真能力的對比研究[J].汽車工程，2016，38(2)：163-167，199.

[10] SONG X Y，LIU B L，JAGANATHAN G K，et al.Mechanism of spillage and excessive boiling of water during vacuum cooling[J].International journal of refrigeration，2015，56：37-42.

[11] YAMSAENGSUNG R，RUNGSEE C，PRASERTSIT K.Simulation of the heat and mass transfer processes during the vacuum frying of potato chips[J].Songklanakarin journal of science & technology，2008，30(1)：109-115.