前言

目前，热能科学与工程技术领域广泛采用数值传热分析软件进行模拟仿真、分析预测和设计优化，以便提高热交换效率、冷却效率、热防护效率或者降低辐射率等。因此，掌握传热机理模型及其数值计算技术对于从事各类装备设计、热管理等工作的工程师是非常必要的。而且，传热分析也是复杂装备多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）技术、热管理领域的重要组成学科。传热分析技术是复杂装备创新设计（各类设备热管理）和跨越发展的支撑技术。

数值传热分析主要是对传热控制方程求解，有很多方法，如有限差分法、有限体积法、有限单元法、边界元法等。其中有限单元法（简称有限元法，FEM）是计算椭圆型和抛物线型偏微分方程的有效数值计算方法，广泛应用于传热和固体力学计算领域。有限元分析软件可以帮助工程师解决复杂装备设计、优化或控制等环节中的传热问题。有限元分析软件很多，其中COMSOL Multiphysics具有高效的计算性能和独特的多物理场全耦合分析能力，可以保证数值仿真的高度精确，帮助科研人员与工程师分析各类传热问题，在机械工程、石油工程、能源化工、土木工程、航天航空、海洋工程、环境工程、光学工程、生物医药、电力电子、交通运输等行业的传热数值分析方面发挥着重要作用。

为了让读者掌握传热（含相变传热）分析基础知识、有限元法基础知识及COMSOL在工程传热与相变方面的应用方法，我们编写了这本《COMSOL工程传热与相变实战》。本书包含数值传热分析基础、相变基础与有限元法等基础知识及COMSOL在固体传热、流动传热、相变传热、耦合传热、参数与拓扑优化、代理模型等方面的案例分析。案例涵盖基础传热、热固耦合、热流耦合、电热耦合、相变传热等方面的工程实例，尽可能多地涉及了COMSOL的传热分析领域，案例操作步骤详细，并给出了演示视频，便于读者进一步研究。

全书共分6章，第1章介绍固体传热、流动传热、耦合传热与有限元法的基本知识，第2章介绍COMSOL的界面组成与基本操作、简单传热分析案例，第3章为传热基础分析（包括不同材质平板导热量分析、蒸汽管道的总散热量分析、建筑结构热桥分析、齿轮的渗碳与淬火分析、翅片的拓扑优化分析），第4章为耦合传热分析（包括热水壶加热过程分析、纳米流体在微通道内的流动传热特性分析、机房内的传热分析、柔性涡发生器的振荡强化传热分析、CPU散热器传热分析、双金属片的热变形分析、铜丝的通电发热分析），第5章为相变传热分析（包括孔隙尺度相变填充床储热性能分析、管道中的结冰分析、激光烧蚀分析、电池复合散热分析、微通道中蒸汽气泡生长分析），第6章为复杂传热分析（包括多孔介质传热分析、加热电路的电热固耦合分析、管式反应器温度条件优化分析、传热代理模型训练）。本书通过基础知识的介绍，让读者清楚软件中一些物理量及设置的具体意义；利用案例驱动软件学习，结合工程案例解析COMSOL在传热与相变领域应用分析的详细操作过程及一些注意事项，让读者在真实的工程分析实践中明确如何建模、设置参数及分析计算结果。本书的20多个案例涉及COMSOL传热的各个方面，让读者尽可能全面地了解传热分析的应用领域。

本书由江帆、温锦锋编写，江帆负责构思全书框架与案例筛选，并编写第1章、第2章和第6章，温锦锋编写第3章至第5章，全书由江帆统稿。

本书部分材料取自COMSOL博客、百度、知乎、哔哩哔哩等网络资源，并稍作修改，感谢这些网友所做的工作。本书编写得到广州大学各级领导，以及机械与电气工程学院老师们的支持，得到人民邮电出版社的大力支持，还得到作者家人所给予的理解与大力支持，在此一并致以深深的谢意！

本书既是从事固体传热、流动传热、相变传热、耦合传热、复杂传热及传热参数与传热结构优化等研究的工程技术人员应用COMSOL进行相关传热分析的参考书，又可作为高等院校相关专业本科生和研究生进行工程传热与数值传热分析教学、复杂传热问题（特别是多物理场耦合传热、深度神经网络求解传热等问题）研究的指导书或教学用书。

因笔者的水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者批评指正，请致信jiangfan2008@126.com或2908551877@qq.com，不胜感激。

江帆
2025年2月于广州