资 源 简 介
comsol的有限元分析的教材，是一本集中了多种案例分析的书籍资料P3/7D2007CONSOL有限元法多物理场建模与分析WIlliam B::dammerman中纺料技公司主排通版来Cbpa. Commipiicetfons press内窖提要随着科学和工程的的发腰使用有限元法来求偏微分方程组的数值解拥有非常广阔的前景,科研人最必狐清楚地了解数学建模时的局限和图难。夲书可以靶助初学者〔解如何逐步的建立一个复杂模型并检验它正确与否并介绍了进阶的分析技巧最后通过各个方面的实例,详细演示了软件在各种问题中的应用作为有限元方法模的补充本书使用了最新版本的 COMSO. MElliphys,其中包合了很多新的进展;例如包括相变的多相流,等离子体动力学:电髓水动力学,流体混合以及腐蚀。屴外,对于」εve!se!πεtbod计算多相流最主要的进步就是确保了相位守恒本书理谂阐述透彻釆用的教学方法新颖,适合作为理工輕专业本科生和研究生的教材,也可作为上述专业的程技术人员和教师的參考书图书在版编目CIP数据COMSOL Multiphysid有限元法多物理场建模与分析/中仿科技公司等主编.一北京:人民交通出版社,20079rsBN978-7-114-06857-7I.C…ⅱ.中…孤①计算机辅助设计一应用软件,C0 MSoL MUltiphysics-应用-地球物理场-数学模型②有限元法-应用-地球物理场一数学模型ⅣP3中国版本图书铂CP数据核字(2007)第151620号COMSOL Multiphysics Yauxianyuanfa udwulichang Jianmo yu Fenxi书名: COMSOl Multiphysics有限元法多理场建棋与分析普作者:WⅲamB.5.Emmm中仿科公司资任编辑:陈志高培出版发行:人民交通出版杜地址:(3001)北京市朝阳区安定门外外馆斜衙3号网址:hp;//ww, cypress. corn.cn销售电话:(010)85285838,8528595总经铕:北京中交盛世书刊有限公司经销:各地新华书店印刷:廊坊市长虹印刷有艰公司开本:787x10921/16张:18.25宇数:396千版次:20年9月第1版印次:2007年9月第1次印刷书号;SBN98-7-114-06857-7定价:4000元如有印刷、装订质量问题的图书由本社负责调换)关于作者William e.J. Zimmerman是谢韩尔德大学化学和过程工程系生物化学动力学系统方向的教授,主要研究方向为流体动力学、反应工程和生物技术徽尺度流动,蓍有《有限元方法过程建模和模拟》(器004)一书,并編写《微尺度流动:历史、理论和应用》(2005)一书。他早先曾编写有关“ Mathematica求解化工问题”、“化工工程建模和模拟”、“化学工程数值分析”和“ FORTRAN编程″方面的文本书籍,并于1986年开始采用有限元方法建模,已经編写了超过80本的科学和学术著作他研究生就读于美国普林斯顿和斯坦福大学化学工程系,是环境和能源工程化工建模和模拟理论、过程流动动力学化工建模和模拟的创始人,并且在以下5个美和英国研究机构中享有高的声誉:2005~2006皇家工程学会和英国 Leverhulme frust资深研究员;2005~2005英国工程和自然科学研究委员会高级研究员1994~1999皇家工程学会, Zeneca Young学院研究员;1991~1993NATO科学与工程博士后;1988~1991国家科学基金会委员自2002年,我开始培训新手如何使用 COMSOL Multiphysics(当时是FEMLAB)进行建模,最近一次是在2006年1月的第七次培训。同时,我将我的教材从2005年早期的 FEMLAB3.1更新到2006年的 COMSOL Multiphysics3.2很多读者踉我联系,说他们买了我之前的那本书但是很遺憾那是针对 FEMLAB2、3的。事实上,前一本书中包含的知识现在仍然有用,但是当一本计算机书不能跟上软件最新版本时就不再受欢迎。如果 COMSO版本更新,教材一定会受到版本不匹配的影响。因为 FEMLAB版本3“看起来和感觉”都不一样,而且现在的名宇鄭变了看起来也应该升级一下我的教材了。本教材名宇较以前版本有所变化,以体现现在常用的一句行话——“多物瑆场”。本书希望能够适合于所有 COMSOL Multiphysics的初学者,而且也应该适合于下一个版本3.3,但是与化学工程师更相关。戕们有力学、电学和系统控制工程师,应用数学家、物理学家、化学家和医学研究者,也有工业研究者和项目工程师。我想这本书从广度上讲能够适含各种建襖初学者。我和 COMSOI没有什么特别的关系我们也像其他用产一样海年支付教室和研究许可的费用。但是这几年,我和 COMSOL的 Johan Sundgvist,EdFontes, Patrik Rosander, Jerome Long, Nikos Vasileides, Bertil Walden, JukkaTarvo, Nikas Rom, Eric Favre, Mina Sierou, Anna dzougoutov, Peter Georen, JeffHiller, Lars langer等人建立了良好的关系,他们对我的兩个项目给予了很大支持,提供给我很多資源帮助我消除建模中的因难,对建成各个模型繳出了很多贡献,对章节草稿也提出了很多宝贵意见和建议。 Yahoo!的 FEMLAB用户团体对我近儿年的工作给子了特别的支持。我真心推荐新用户能够加入并阔读每日摘要。一些大师将他们的研究实例贡献给本书(见http://groups,yahoocongroup/ COMSOL_ Users/)。本书中的一些文件(m,mat,mph),可以从我的模型网页中找到(http://eyrie,shef.ac.uk/femlab)在此,对一直给予我支持和鼓励的各个合作组织和章节合作者们表示裒心的感谢,其对 Buddi,Alex, Kiran, Jordar, Peter, George, Venkat,Dan,Ai, David,Jaime, Tanai, Julia给予頓宽厚话语和精妙想法表示由哀的谢意!作者详ZUO ZHE DE HUA多恸理场耦合模型及数值模拟在各领域的研究及应用正在快速地发展。本书灼读者可通过如下方式获得实用的信息,新的期刊、国际多物理场期刊(http://www,multiphysieg.salford.ac.uk/)和ComsolMultiphysics软件包(www,comsol.com),同时可以访问中文网站( comso. cntech,com.cn)以获取更多的中文資料及在缄的视频数罹Comso软件对于复杂过程的耦合建模能力纶用户呈现了广阔的应用空闯卞书整理了我近年来对 Comsol Multiphysics孰件的应用体会,同时我龅隨着软件炮“晟长”。我最早的博士研究生中有一位在1995年就开始使用 Matia软件的PDEtoob0x用于开发多相流电容层析成像重建算法,该工具箱也就是 Consol Multiphysics原 Femlab)软件的前身。我们早在2001年就购买了 Femiab2.0软件,她对有限元建模具有卓越的图形屠卢界面和扩充功能,我们用她来处理电动流和微通道流的混合。我在200年6月首次提供了基于 Fermilab2.2的加强模块,随着-系列的深入技术交流,她最终发展为有根元方法的过程建模和仿真。自从我们开发了更为有效的楼块以及新块实例,这个模块已经运行过8次,每一模块都引入了新的功能,并且我的研究团队巳学会如何使用。随着2005年 Consol Multiphysics3.2的引进, Femlab根本的改革牢牢地集中在多物理场模型建立的准确定位。图形用户界面的操作界面以及给人的惑觉已经欧变了,所以很多对 Femlab-步一步的描述不再和现代软件版面设计相匹配。处理例子的最好方法也不再是最初我用 Femlab的方法。许多模型是对 Matlab代码生成的混合GU应用,随后是基本 Matla程序设计步骤。Comsol Multiphysics的GUI中新的内建工具和许多新特征一起给出了足够的功能,那些对 Matlab程序设计不是特别需要的。我把一些能想到的列出来:1求解管理器求解管瑆鄙被看作一个复杂蚋平台以建立初始条件,能处理问题中的部分物理(单物理〕式得刻解,或者在前一个解作为始点时得到小的公差。在求解非线性问题时,如果对解空间以足够近的初始儐开始,你将一定仅得到一个解。 Comsol Multiphysics现在允许灵活地对多物理场模型建立初始估计/条件一物理模式或过程的不同组合以及不依赖复杂 Matlab程序设计的对先前近似解的公式改变2.甚于数据和自定义西数的内插函数我过去當常制作m文件函数来建立嵌于 Femlab模型中的内插函数或复杂函数,但Comsol Multiphysics允许内建函数定义(和她们的符号导数),这对有限元矩阵组件是需要的。在精确模拟我的模型中的物理/染力学性质上,这些已证钥了具有很高的有效性在一些例子中,热力学性质的曲线拟合对你的数据并不是正确的,但是通过内插函数(比如三次样奈函数〕就可以做到。现在这就筒单了——你只要导入带有试验信息数据文件。3.附加的代数方程、常微分方程、态方程和约束处辉omsol Multiphysics有大量工具用于处辅助方程和条件,她们在 Femlab Matlab中允许使用高级编程语言,遁过自定义程序来处理。我将详细说明 Femlab宁的工作区,以显示创建模型组建的能力,并且现在她们在 Comsol Multiphysics的圈形用户界上是可处理的。还有更多的对 Comsol Multiphysics来说是独特的特征以及很多对有限元方法的运用选择,她们中的许多肉容在这书中我可能并没有涉及,这是因为她们在“后台”或者她们对我所处理的这类建模芹不需要。我耍感谢 Comsol Multiphysics在我数值模拟研究过程中的突破,基于此我们已经能够开发整个新的研究和试骏方法。我当前的砑究重点在解PE系统的反问题方法,来解决科学和工程中的应用问题。第七章中给出了基本患路,由于我团队中的儿个博士研完生和巴经毕业的博士对反河题所作的研究,我们其备了足够的实力。有超过七篇以上的期刊文章是关于微流电流测定中的反间题,运用PDE从小试禅中去求解复杂流和生物流的流变参数。其他包括从性能数据求解多相化学反应器和膜分离的设计参景,从营养爱收数据获得酵母代谢动力学发射光谱中解释等离子体的结构动力学这种方泫上的一个工程可能比 Nevier- Stokes方程更真实地表示对液体流的描述。因为多物理场过程的优灵模型宿助于协调建模和试验分祈与设计。科学方法总是关于假设形成,裣验假设修正。在多藺理场计算模型的料学研究中,模型是假定的,并且使用好的建模工具使修正变得更容勗。享实上,这是一本不同于过科建模和仿的书—一不同的建模方法和新例子学习。如果没有其他人的大量蓉助,本书是不可能形成的。我非常高兴向她的推动者表示敬意本书的译着 comsol中国区总代理—中仿秤技公司( Catech co,Ld)周少林、盛卫心、马慧等优秀团队,并非嘗感谢同济大学的许震字老师及赵赶同学,按照本书完成了所有侧的勘定,并提供了所有型的愿始文件,在此一并廊谢。本书所有实的源文件都可以到中仿科技公坷网站免费下载,或许您还会有意想不到的收获,因为公司网站同时发布了很多Comsol的stepbystep视频动画教程,详细网址是;www.CITech.comch中仿科技公司Ltd的梁琳意识到我的书在中国会有大量的读者,并且对她的翻译出版作了所的计划安排我对此深表感激。顺便说一下在 Yahoo上的 Comsol用户群对各水平的多物理场蹇模者是一↑活跃的交流区和,得浏览的地方,在中国也有一个比较洒跃的 Comsol讨论社区,感兴趣的可访阿中围仿真互动网技术交流论坛www.Simwe.com/forum/,录Comsol版块浏览Will zimmermanProfessor of Biochemical Dynamical SystemsUniversity of Sheffield, 20 July 2007.目录COMSOL Multiphysics简介………W. B.F. Zimmerman第一章 OMSOL Multiphysics及数值分析基础18Wr. B.j. Zimmerman第二章发爬方程的有限元分析中也血申●咖■曲中『■■d。■口■司bp口ppm● I晶司q晶c甲pbW. B.j. Zimmerman, B. N. Hewakandamby第三章多物理炀75w. B.. Zimmerman第凹章扩展多物理场……………………………………………"""……""96W.B.. Zimmerman, P O. Mchedlou Petrossyan, G. A. Khomenko第五章非线性动力学和线性系统分析……116w. B.. Zimmerman第六章变几何问惠:连辕和移动边界…+1143V. R. Gundabala, w, B.J. Zimmerman,A. F. Routh第七章变量耦合:反问题线性积分,积分方程和积分微分方程…160W. B.. Zimmerman第八章使用 level-set法的多相流建模↓如b·pb电山p…r"……188K.B. Deshpande, D. Smith,W. B. Zimmerman第九章存在相变的自由表面流动问题模拟一—三相流20TL Ma第十章沟档微流道的牛顿流动昏普『·■冒甲··自血如■……………………212D, G. Hassell, w. b.j. Zimmerman第十一章电动力学流体…4++画罾甲阝■吾吾当吾普··口·看··司身·自自·22W.B.. Zimmerman,. M. Macinnes第十二章基于 Fokker-plenek方程的等离子体模拟…………236A. Shajii, D, Smith第十三章钢铁在防护层剥离情况下的缝隙腐烛………245F. M. Song, N. Sridhar第十四章直流微装置的磁流体动力学数值楼拟………………………:25T.H. L. Parada, W. B.J. Zimmerman晰录 COMSOL Multiphysics和 MATLAB矢量计算基础■『『t?!bb265W B.I. Zimmerman,j.M, ReesCOMSOL Multiphysics筒COMSOL Multiphysics简介W. B, ZIMMERMANDepartmeruz of Chemical and Process Engineering, University of Sheffieldrewcastle street, Sheffield S1 311)Uniied KingdomE-mail, w. zimmerman(e shef at uk最初 FEMLAB是 MATIAB编程语官和集成开发环境的一个强有效的建模软件包,后来将 COMSOL MulTiphysics作为 FEMLAB的商业用名。可能这本书的大部分读者是被本书的标题和封面所吸引,之前对 COMSOI Multiphysics的了解并不多。对于这部分读者,我衷心地推荐大家参加 COMSOL公司在高校举办的各类研讨会,因为实践中得到的 COMSOL Multiphysics经验要远比从书本、字面上得到的多。写这个简介主要是为了告诉大掠写这本书的目的、并且半了…一个精练的例了来说明刘何用 COMSOL Multiphysics对化工实例进行建模,从而使读者看到 COMSOL MulTiphysics建模的独特优点。如果读者想尽快熟悉 COMSOL Multiphysics的图形用户界而(GUI},认识“什么是 COMSOLMultiphysics”,显然 COMSOL Multiphysics的使用手册(可从 COMSOL网站上下载)比本章更为效。作为( MSOL Multiphysics的简介,本部分的重点是告诉读者如何确定一个模型并在 COMSOL Multiphysics中实现,该方法便于对后续章节的学习。但是,我更希望通过对本部分的学习,能够激起读者对应用 COMSOL Multiphysics建模的兴趣,这也正是本书要讲的内容。1.本书概述第一~四章讲解第一个部分-“ FEMLAR化工建模”,这几章再现了我使用COMSOMultiphysics的美好历程,但这并不是我写这本书的初衷,在我参加的一个长期项月中,腾要个能够适用于各种情况的偏微分方程(PD)计算引擎,一旦我决定使用 COMSOL Mulphysics:就必须精通它。一个极端的做法是开汀关于 COMSOL. Multiphysics的课程让硏究生和其他感兴趣的人加入进来,大察疯狂地学习,进而建立一种文化和框应的电脑实验室。我在教过本科生和研究生数值分析、建模秆模拟后积累了一些实例,所以在将这些模块实例改编为 COMSOL Multiphysics模型后,便出觋了本书的第→章。第二章是以前使用MATAB PDE工具箱的产物,也介绍了必要的有限元方法。第三~七章是更有针对性地尝试发搁COMSOI. Multiphysics的强大特性通过系统模型开发,每一章分别介绍了其不同的特点同时,我查找了自己所有的PDE模型并从同事处挑选了一些例子米介绍这些特点。而第八章是另一种类型。这些耸节作为学习 COMSOL Multiphysics的例子,与某一特殊实例相比是比较正统的。但是,这些例子着重研究 COMSOL/ MATLAB建模、分析和后处理都是非常基
