Comsol冷-热水界面的马兰尼戈效应「附赠模型」_Comsol_海洋

Comsol冷-热水界面的马兰尼戈效应「附赠模型」

马兰戈尼效应是指因表面张力随温度、浓度变化产生梯度，促使流体从低表面张力区域流向高表面张力区域的现象，广泛存在于液-液、液-气界面。

借助「Comsol」多物理场仿真平台，可以深入探究冷热水界面的马兰尼戈效应，通过模拟流体流动与表面张力变化，解析温差驱动下的界面失稳与传质特性。

文｜热流Es

编辑｜小苏

马兰尼戈效应

1865年，意大利物理学家「卡罗・马兰戈尼」在研究液体表面现象时，首次发现了这一效应。他观察到，当在液体表面引入一种能够改变表面张力的物质时，液体表面会产生流动。

温度不同会使液体表面张力不同，温度高的地方表面张力小，温度低的地方表面张力大。例如，在一杯热水和冷水的交界处，热水部分的表面张力较小，冷水部分的表面张力较大，就会引起液体从热水区域向冷水区域流动。

溶液中溶质浓度的变化也会导致表面张力的差异。当溶液中某一区域的溶质浓度较高，另一区域浓度较低时，浓度高的区域表面张力可能较低，从而使液体从低浓度区域向高浓度区域流动。

在食品加工过程中，马兰戈尼效应会影响乳液的稳定性和食品的质地。例如，在奶油的制作过程中，需要控制温度和搅拌条件，以避免马兰戈尼效应导致乳液的破乳，保证奶油的质量和口感。在海洋和大气中，马兰戈尼效应也起着重要作用，海洋表面温度的不均匀分布会引发马兰戈尼对流，影响海洋环流和气候系统。此外，在火山喷发过程中，岩浆表面的马兰戈尼效应会影响岩浆的流动和喷发行为。

图1. 马兰尼戈效应

物理建模

上方区域为冷水区域，初始温度293.15K，下方区域为热水区域，初始温度353.15K，0时刻开始进行冷热水替换。上边界设置冷水速度流入边界，左右两侧设置流出边界。

图2. 物理场边界条件

网格划分

因马兰戈尼效应在界面处存在显著的表面张力梯度，致使流体速度、温度及浓度变化剧烈，所以必须对界面区域进行重点处理。可通过手动细化功能，采用极细化的三角形或四边形网格对冷热水界面及附近区域进行加密，确保能够精准捕捉表面张力变化引发的流体运动细节；而在远离界面的区域，可适当增大网格尺寸，使用较粗网格以减少计算量。同时，利用边界层网格功能，在与流体接触的固体壁面处添加多层网格，准确模拟壁面附近的速度梯度和边界层效应。划分完成后，需通过网格收敛性测试，对比不同网格密度下的计算结果，验证网格划分是否合理，避免因网格过疏导致模拟失真或过密造成计算资源浪费，从而为马兰戈尼效应模型的精确仿真提供可靠保障。

图3. 网格分布

结果展示

通过 Comsol 模型展示马兰戈尼效应，呈现界面流场、温度和压力分布。

图4. 温度分布

图5. 速度分布

图6. 压力分布

图7. 速度箭头分布

来源：Comsol有限元模拟

Comsol滑移流模拟（附赠模型）

在常规的流体力学里，一般假定流体与固体壁面之间是无滑移的，也就是流体在壁面处的速度和壁面速度相同。当气体的平均自由程和流动特征长度处于同一数量级时，气体分子和壁面的相互作用就不能再简单地用无滑移条件来描述，此时流体在壁面处的速度和壁面速度不同，存在一定的速度滑移，这种流动状态就被称作滑移流。投稿｜热流Es编辑｜小苏审核｜赵佳乐图｜（除特殊标注外）由软件截图提供滑移流通常，滑移流可以用克努森数（Kn）来界定，它是气体分子平均自由程（λ）和流动特征长度（L）的比值，当0.001<Kn<0.1时，就处于滑移流区域。这一范围涵盖了微纳尺度下的气体流动、高海拔稀薄气体流动等场景。案例分析（1）物理建模：搭建一个微米级尺寸的矩形模型，内部通入稀薄空气。左侧设置入口温度和速度边界条件，右侧设置出口压力边界条件，其余边界设置热绝缘和无滑移壁条件。图1.物理建模（2）网格划分：采用极细化物理场自动剖分网格方式划分网格，如下所示。图2.网格分布（3）结果展示：通过稳态计算，得到稀薄空气温度、速度和压力分布如下。图3.速度分布图4.压力分布图5.温度分布来源：Comsol有限元模拟