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柳昭和

铁虫 (小有名气)

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[求助] Comsol 6.0 桶内肥料产热产湿过程模拟求助

我用Comsol 6.0 Build 3.1.8版本做了一个三维的、关于一个桶内肥料堆发酵过程中产热产湿过程的模拟，在仿真29秒的时候总是说结果不收敛，请教高手和专家们解决办法，能让我这个程序尽快完成跑通，感激！

以下是模型简述：

1.模拟对象：
（1）有4层堆叠的肥料桶（像蒸包子一样摞起来），每层内部堆了一些肥料，肥料桶和肥料都是圆柱体。肥料里有微生物，其受热后对肥料进行分解并产热产湿。体系中心有一个贯穿整个系统的恒温中空加热管，提供热源用的。
（2）肥料堆靠近加热管一侧先受热，因此先开始产热产湿，随着热量沿径向传导，肥料堆远离加热管的部分也开始受热。同时，每层肥料桶的外表面也是一个恒温热源，即，肥料堆靠近加热管和肥料桶壁的部分（肥料堆两端）都受热。
（3）四层肥料桶之间用隔板隔开，隔板不传质，只传热，顶层肥料桶有个盖子盖着，底层肥料桶底下有个底板，盖子和底板的外表面都是散热截面。
（4）仿真需要模拟1天（86400秒）当中整个体系温度变化、湿度（含水量）变化、肥料堆域产热效率[W]随时间变化。

2.模型设置
（1）这个肥料桶以及内部肥料堆域、空气域的大概样子如图1。
（2）全局参数定义如图2，红框内的是几何尺寸，不太关键，红框外的比较关键，尤其是那个k_Q和k_moist，这两个参数是肥料堆的产热、产湿率系数，我不知道是不是它们选的不合适导致结果不收敛，就把他们先设置为0。
（3）图3，组件->定义子选项下我建了一个非局部耦合->积分算子，这是用来在计算结束后生成整个体系的产热量[J]的图表用的。
（4）图4，组件->选择子选项下我建立了3个域，这样以后指定材料和划分网格的时候比较方便，肥料堆域就是指的四个桶里的肥料、空气域是肥料堆上面的空气、不锈钢域是除了肥料和空气外的所有容器框架。
（5）图5，组件->几何子选项，就是关于这个4层肥料箱系统的建模，我觉得问题不是出在这。
（6）图6，组件->材料子选项，不锈钢域用的304不锈钢、肥料堆域我自己建的空材料、空气域我从材料库里找了个Air放进去了。我觉得问题应该也不是出在这。所以在下面简单介绍一下吧：
  +不锈钢域 -> 304[solid, polished] -> 含水量、渗透率、孔隙率都设置为0，其他的默认
  +Compost（肥料） -> 空材料 ->  密度546kg/m3，导热系数0.3W/(m*K)，恒压热容Cp3200J/(kg*K)，孔隙率0.34，渗透率1e-7m2，含水量0.2kg/m3。
  +Air -> 材料库里搜出来的Air -> 密度1.2kg/m3，导热系数0.026W/(m*K)，恒压热容1005J/(kg*K)。
（7）图7，组件 -> 物理场两个，一个是固体传热(ht)，一个是稀物质传递(tds)。固体传热用来模拟肥料堆域、空气域、不锈钢域内部和之间的导热。稀物质传递用来模拟肥料堆域、空气域内部和之间的水蒸气扩散。这里解释一下具体的参数设置：
  +固体传热 -> 不锈钢域、肥料堆域、空气域，这三个选项是初始温度（初始值子选项）
  +固体传热 -> 中央空气管恒温热源、桶的侧壁恒温热源、桶盖和桶底的散热，这三个选项（温度子选项）分别代表了中央恒温加热管、桶的侧壁都是对整个体系进行加热的恒温热源，桶盖和桶底的散热（热通量，通量类型：对流热通量），传热系数和外部温度也都设置了。这两个表面是用来散热的，怕桶内温度过高
  +稀物质传递 -> 传递属性_空气域、传递属性_肥料堆域两个子选项（传递属性）分别定义了两个空气和肥料堆的扩散系数（空气：2.5e-5（m^2/s），肥料堆：1e-5（m^2/s））
  +稀物质传递 -> 肥料堆域初始值、空气域初始值、不锈钢域（初始值）分别定义了这三部分的初始水蒸气浓度(mol/m^3)，其中，不锈钢域的初始水蒸气浓度是0

  +重点！！！固体传热和稀物质传递 -> 热源、产湿速率（热源、反应）子选项，分别代表了肥料堆域的产热[J]和产湿[mol/m^3]，对于产热，我定义了一个热源子节点，在里面选定了肥料堆域，然后写了一个公式：Q0 = Q_base + k_Q*(T - T0_compost)，意思是产热率[W] = 基础产热率 + 产热系数 * 温度差。此外，对于产湿，我定义了一个反应子节点，在里面选定了肥料堆域，然后写了一个公式：Rc = S_moist_base + k_moist*(T - T0_compost)，意思是产湿率[mol/m^3*s] = 基础产湿率 + 产湿系数 * 温度差。我不知道是不是因为这两个公式导致的我整个系统计算不收敛？？

  +湿度最大值子节点被我禁用了，那个是用来阻止湿度上升的太快最后结果算爆了用的。公式：(S_moist_base + k_moist*(T - T0_compost)) * (c < c_saturation)，用的是截断式。
（8）图8，重点！！！网格划分选项，我是不是划分的太粗了？？？导致最后哪个计算结果不收敛？，怎么设置的我大概介绍一下：
  +网格1 -> 序列类型：用户控制网格
  +网格1 -> 大小子节点（是不是就被后面的覆盖了？），最大单元大小：100mm；最小单元大小：20mm；最大单元增长率：1.5；曲率因子：0.6；狭窄区分辨率：1。
  +网格1 -> 全局网络（大小），最大、最小单元：80mm/10mm，最大单元增长率：1.5；曲率因子：0.5；狭窄区域分辨率：0.5
  +网格1 -> 自由四面体网格1，定义其他没有定义网格的部分（我觉得没什么用）
  +网格1 -> 一般细化_肥料堆、一般细化_中心管、一般细化_空气域（大小），这三个子选项用来定义这三个区域的细致一点的网格规划，关键参数如下：肥料/中心管/空气  最大单元大小  60/60/60mm；最小单元大小  15/15/15mm，其他的默认。
（9）图9，图10，图11，图12，重点！！！我觉得问题是不是出在这里？研究节点！这一块我真不懂该怎么设置了，胡乱设置了几个，具体介绍一下：
  +图9 -> 研究1 -> 步骤1：瞬态 -> 研究设置：时间单位s，输出时步range(0,10,100)先算个100秒吧；容差：用户控制；相对容差：0.01（瞎编的）。
  +图10 -> 研究1 -> 瞬态求解器1：常规 -> 由研究步骤定义：用户定义；时间单位：s；输出时步：tange(0,10,100)；要储存的时步：插值输出时间；相对容差：0.01（瞎编的）。  绝对容差 -> 全局方法：已缩放；容差方法：因子；容差因子：0.01（瞎编的）；导数容差方法：自动（勾选更新缩放绝对容差）。
  +图11（放在附件里） -> 接研究1 -> 瞬态求解器1 -> 时间步进：方法：向后差分公式；求解器采用的步长：自由；初始步长：默认0.1；最大步长约束：常数；最大步长：100s（瞎编的）；最大BDF阶次：2；最小BDF阶次：1；事件容差：10（瞎编的）；奇异质量矩阵：可能；后向欧拉法初始步长分数：0.001（瞎编的）。
（10）图12（放在附件里）->研究1 -> 瞬态求解器1 -> 全耦合子节点 -> 常规 -> 线性求解器：AMG，浓度（tds）；方法和终止 -> 非线性方法：自动（牛顿）；初始阻尼系数：1；最小阻尼系数：1e-4；更新步长的限制：10；步长增长的限制：1；使用恢复阻尼系数：自动；恢复阻尼系数：0.75；终止技术：容差；最大迭代次数：4；容差因子：1；终止准则：解。