前言


近年來，COMSOL多物理場有限元仿真軟件，在科學(xué)研究與工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。在需要多學(xué)科密集交叉的航空航天領(lǐng)域研究中，國防科技創(chuàng)新研究院智能設(shè)計(jì)與魯棒學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)、國防科技大學(xué)天拓衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)與西安思繆智能科技有限公司圍繞衛(wèi)星微推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、衛(wèi)星內(nèi)部優(yōu)化布局、衛(wèi)星整星熱控、智能材料設(shè)計(jì)及分布式仿真計(jì)算等領(lǐng)域，利用COMSOL軟件進(jìn)行了多物理場仿真建模的廣泛交流與合作。合作成果先后應(yīng)用于天拓系列微納衛(wèi)星、天源衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)等多項(xiàng)航天項(xiàng)目，并支持項(xiàng)目獲得多項(xiàng)國家和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。經(jīng)過長期的項(xiàng)目實(shí)踐，一套基于多物理場仿真的數(shù)字化設(shè)計(jì)與多學(xué)科優(yōu)化方法已經(jīng)初步成型，COMSOL的應(yīng)用在其中具有不可或缺的作用。

COMSOL以其完全開放的架構(gòu)、任意自定義PDE、豐富的專業(yè)模塊，可以輕松實(shí)現(xiàn)建模流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，30余個(gè)預(yù)置多物理場應(yīng)用模式，同時(shí)配置了優(yōu)化功能、不確定性量化和粒子追蹤等5個(gè)多功能模塊，整體架構(gòu)涵蓋從流體傳熱到結(jié)構(gòu)力學(xué)，從電磁分析到化學(xué)工程等諸多工程、制造和科研領(lǐng)域。它可以使工程師與科研工作者通過仿真，賦予設(shè)計(jì)理念以生命。運(yùn)用它不僅可以提高衛(wèi)星的各項(xiàng)性能，還可以提升汽車、飛機(jī)和高鐵的安全性能。它可以基于物理場，模擬各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)以及設(shè)備運(yùn)行等過程。本書對COMSOL的傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和前沿應(yīng)用場景做了系統(tǒng)介紹，力圖將V5系列版本下COMSOL操作方法與建模技巧分享給廣大仿真愛好者。

全書共11章，第1～3章為本書的基礎(chǔ)篇。第1章介紹了傳熱學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系，進(jìn)一步闡述了計(jì)算傳熱學(xué)的發(fā)展概況和應(yīng)用領(lǐng)域，然后介紹COMSOL傳熱模塊的基本情況，最后介紹了本書的架構(gòu)和讀者使用本書的方法等。

第2章介紹了傳熱學(xué)基礎(chǔ)與控制方程，具體包含：傳熱學(xué)解決的問題、三種基本傳熱方式、傅里葉熱傳導(dǎo)理論、對流換熱理論和熱輻射理論，最終結(jié)合COMSOL多場耦合的特色介紹了軟件內(nèi)多種傳熱場耦合形式。

第3章在本系列第一冊書《COMSOL多物理場仿真入門指南》（機(jī)械工業(yè)出版社）的基礎(chǔ)上，對COMSOL求解器知識(shí)進(jìn)行了介紹，具體包含：數(shù)值求解的基本思想、當(dāng)前主要數(shù)值計(jì)算方法、軟件求解方法、離散化和數(shù)值穩(wěn)定性的概念與應(yīng)用，最終結(jié)合筆者多年的使用經(jīng)驗(yàn)，對軟件常見報(bào)錯(cuò)及解決辦法進(jìn)行了總結(jié)。

第4～7章結(jié)合COMSOL軟件內(nèi)的預(yù)置模式介紹了傳熱場的應(yīng)用專題。首先，第4章介紹了固體傳熱、流體傳熱、共軛傳熱和輻射的求解域設(shè)置方式及其主要邊界條件的物理意義。

第5章從材料學(xué)的角度出發(fā)，介紹了熱應(yīng)力和金屬加工相關(guān)的專題知識(shí)，具體包含熱應(yīng)力的基本概念、本構(gòu)方程、COMSOL設(shè)置方法、相變傳熱分析、潛熱數(shù)值處理方式和蒸發(fā)冷卻原理的實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

第6章以廣泛存在于化工、地球物理和流體等領(lǐng)域的多孔介質(zhì)為載體，介紹了多孔介質(zhì)這一特殊類型介質(zhì)傳熱的實(shí)現(xiàn)方法，具體包含熱平衡/熱非平衡過程的熱傳遞、地下水傳熱和裂隙流傳熱等內(nèi)容。

第7章從電磁學(xué)的角度出發(fā)，依次介紹了焦耳熱、感應(yīng)熱和微波熱三種熱源形式，對其數(shù)理方程形式和影響因素進(jìn)行了較為詳細(xì)的剖析。

第8~11章是本書的應(yīng)用案例講解板塊。第8章介紹了航空航天與動(dòng)力領(lǐng)域的傳熱學(xué)應(yīng)用，具體包含燃?xì)廨啓C(jī)葉片、衛(wèi)星熱布局和稀薄氣體氣動(dòng)熱3個(gè)案例，包含了外部CAD導(dǎo)入方法、材料屬性插值定義、多物理場耦合節(jié)點(diǎn)設(shè)置以及高馬赫流實(shí)現(xiàn)等知識(shí)點(diǎn)。

第9章介紹了材料領(lǐng)域的傳熱學(xué)應(yīng)用，依次介紹了超快激光加熱金屬膜、增材制造溫度-應(yīng)力場和化學(xué)沉積半導(dǎo)體材料3方面的應(yīng)用案例，分別展示了傳熱場與熱應(yīng)力、化學(xué)反應(yīng)等學(xué)科的耦合設(shè)置及操作方法，以及用戶自定義函數(shù)、自定義熱源、多層材料設(shè)置和反應(yīng)工程定義等實(shí)用技巧。

第10章介紹了生物領(lǐng)域的傳熱學(xué)應(yīng)用，依次闡述了用于DNA擴(kuò)增的便攜式芯片、腫瘤的微波熱療法和介電探針檢測皮膚3個(gè)應(yīng)用案例，涉及化學(xué)工程、電磁波和生物傳熱模塊的設(shè)置過程，具體包含熱力學(xué)系統(tǒng)設(shè)置、反應(yīng)工程節(jié)點(diǎn)、稀物質(zhì)傳輸、復(fù)介電參數(shù)定義以及頻域求解器使用等功能實(shí)現(xiàn)技巧。

第11章介紹了能源領(lǐng)域的傳熱學(xué)應(yīng)用，逐一闡述了鋰電池溫度特性、輻射冷卻和地?zé)衢_發(fā)3個(gè)案例，涉及固體傳熱、輻射傳熱和多孔介質(zhì)流動(dòng)等預(yù)置模塊，具體包含了幾何陣列操作、表面對表面輻射實(shí)現(xiàn)、自由多孔介質(zhì)流動(dòng)設(shè)置和局部熱非平衡設(shè)置等相關(guān)操作方法。



本書主要編寫人員有李星辰、田野、姚雯，黃奕勇研究員、杜巍講師、肖定邦教授、戴思航、鄧康宇、張若凡、梁昊鵬、胡云鵬、蘇元元、劉奇、吳偉、趙栩鶴、劉張浩對本書的編寫均有突出貢獻(xiàn)，劉貝貝和吳小莉等人對本書提出了寶貴的建議。
出版過程中，本書得到了機(jī)械工業(yè)出版社編輯的大力支持，在這里深表謝意。



最后，需要特別聲明，因?yàn)檐浖�安裝會(huì)受到硬件環(huán)境和軟件版本影響，根據(jù)書中內(nèi)容的操作結(jié)果難免和實(shí)際情況有所差異，如有問題，讀者可以發(fā)郵件至support@matheam.com，我們會(huì)盡快給予解答。



編 者