COMSOL模拟：锡熔融前沿的移动边界模型

"COMSOL案例 - 锡熔融前沿模拟" 在COMSOL Multiphysics 5.3a版本中，本案例展示了如何利用软件模拟熔融前沿的动态过程，特别是针对固-液相变的情况。这个模型是基于Stefan问题，它涉及到移动边界条件下的相变建模，这在热力学中是非常典型的问题。模型中的场景是一个含有固态和液态锡的方形腔，其两侧边界维持不同温度，导致相变和对流现象。 在模型中，方形腔的几何结构简单明了，其尺寸为10cm x 10cm，并且被假设填充了纯锡。两侧壁分别保持在508K和503K，这个温度设定使得腔内同时存在固态锡（熔点为505K）和液态锡。初始温度分布沿水平方向线性变化，熔融前沿设在x=6cm的位置，即温度达到505K的地方。 模型的物理过程包括自然对流，这是由腔内温度梯度驱动的。液体部分的运动受到布西涅斯科近似下的纳维-斯托克斯方程控制，以处理由于温度差异产生的浮力效应。为了精确计算浮力，采用了约化压力公式。在固-液相变界面，能量平衡的Stefan方程被用来计算前沿速度，该方程考虑了熔化潜热、热通量以及前沿法向速度。 在熔融前沿，热通量是关键因素，分为流体侧的热通量（l）和固体侧的热通量（s）。熔化潜热（H）是这个过程中的重要参数，它等于60kJ/kg。材料属性对于模拟的准确性至关重要，如表1所示，锡的密度、热容、热导率和热膨胀系数都被准确地给出。 模型应用的材料属性如下： - 密度（0）：7500kg/m3 - 热容（Cp）：200J/(kg·K) - 热导率（k）：60W/(m·K) - 热膨胀系数（p）：2.67·10-4K-1 通过COMSOL Multiphysics，用户可以直观地观察并分析熔融前沿随时间的动态变化，以及对流和固-液界面运动的影响。这对于理解和优化涉及相变的工程问题，例如金属铸造、材料加工等领域，具有重要的实践意义。