COMSOL Multiphysics在锂离子电池中的应用

作为一种具有前景的能量存储系统,锂离子电池需要进一步提高能量密度、功率密度、可靠性和循环稳定性,以满足不断增长的大型能源存储、电动汽车和便携式电子设备需求。当前对锂离子电池的实验研究仍然面临多个挑战,这些挑战包括电解液的导电性和安全性、高能量负极的沉积-剥离机制的优化、高能量正极的循环电压和容量维持、高电流条件下的界面极化和容量释放,以及在极端电流-温度-针刺条件下的热失控管理等问题。这些问题涉及到电-化-力-热等多个场的耦合作用,需要进行协同优化处理。COMSOL Multiphysics提供了一种可行的工具,通过求解多物理场耦合的连续方程,能够同时考虑载流子浓度、电流密度、电-化学势、温度、应力/应变和几何形态等综合信息的演化。本文概述了该工具在锂离子电池的电解液、负极和正极设计等方面的研究,并聚焦于多场耦合对电池性能的综合影响、多场耦合模拟方法以及理论模拟与实验表征的结合。最后,本文对理论与实验联合研究中的多场和多尺度问题进行了展望。

特高压并联电抗器铁芯振动及噪声特征研究

特高压并联电抗器因其铁芯是以铁芯饼与气隙垫块交替堆叠而成的结构特点,导致其运行过程中振动强度远超同电压等级的变压器,易出现振动超标等问题,现有计算方法对特高压并联电抗器铁芯振动特征还无法准确表征。鉴于此,该文针对1台特高压并联电抗器的铁芯振动机理及产生的噪声进行研究,结合磁-结构-声多场耦合分析,对铁芯所受麦克斯韦力及磁致伸缩力进行仿真计算,将结构场计算结果进行快速傅里叶变换后作为载荷激励进而计算由电抗器振动产生的噪声,并单独分析磁致伸缩力和麦克斯韦力对电抗器铁芯振动造成的影响。结果表明:电抗器运行过程中电抗器铁芯旁轭中部产生的振动最剧烈,电抗器周围产生的噪声最大。对比麦克斯韦力与磁致伸缩力对电抗器铁芯振动的影响发现,同时考虑两个力时铁芯振动小于未考虑磁致伸缩力的情况,证明影响电抗器铁芯振动的两个力存在相互衰减作用。

基于多能流耦合规律的综合能源系统潮流及流分析

从能量流和流两个角度分析综合能源系统的多能流耦合规律,建立系统能流稳态潮流模型和流模型,根据模型特点研究系统潮流和流分布计算方法,以算例验证计算方法的可行性并分析计算数据,验证流机理模型相比于黑箱模型在局部分析方面的优越性。以算例数据为例,分析其潮流及流分布特点,结果表明:算例系统中能源转换环节的地方损最大,为系统薄弱环节,值得着重改进;同时电、热网络也有部分管段损较大,优化局部网络时也应纳入考虑。

基于遗传算法的飞轮储能电机多工况效率优化

由于热泵系统具有电热转换效率高、电机转速控制便捷、系统灵活调节能力强的特点,其运用于电热耦合系统可实现热力系统与电力系统的协同运行支撑,而配备高速飞轮电机的电热耦合热泵系统具备大惯量、长延时特征,在电热协同运行领域具备更强的支撑能力。但现有飞轮储能电机多基于额定工作点进行效率优化,难以实现全工作周期内综合效率最优。为此,本工作基于电热协同实际工作场景得到单个完整工作周期下飞轮电机的运行工况变化,提出基于遗传算法的飞轮电机多工况效率优化方法。首先,建立适用于高速电机的效率计算模型,并根据热泵运行场景计算出单次工作下飞轮电机转速曲线;其次,确定待优化变量,通过参数灵敏度分析去除关联度较小参数以减少计算量,并根据实际工况提出电机综合效率指标以量化电机在全工作周期内的效率表现;最后,基于遗传算法寻优得到最优工作点,优化后综合效率增加0.34%,全速范围内电机效率均得到提升,单个工作周期能量损耗下降38.7 kJ,较优化前能量损耗降低14.8%。优化结果证明此方法可提高飞轮电机全工作周期内的运行效率,降低热泵运行过程中的能耗损失,提升飞轮储能系统的经济性。

基于TOPSIS和CRITIC的齿轮坯闭式热模锻工艺方案评估

目的基于热力耦合机理,应用模型数值仿真和多参数化的评价机制,实施方案寻优,从而提升齿轮坯闭式热锻工艺的设计效率和成形质量。方法基于DEFORM仿真软件对某工程齿轮坯锻件的3种闭式热模锻成形工艺方案进行CAE仿真分析,研究其金属塑性流动规律,并采用TOPSIS(Technique for Order Preferences by Similarity to Ideal Solution)和CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)相结合的方法,构建以应变、应力、载荷、充填性、磨损等8个评价指标的评估模型及权值计算方法,进行工艺方案评估。结果通过仿真可以发现不同的预锻方案,金属塑性流动方式不同,成形结果不同,其中方案1未填满,成形有毛刺,受载不均匀,模具损伤值较大;方案2受载均匀,填充饱满,模具磨损深度大,等效应力大;方案3成形质量较好,但受载不均匀,且同样模具磨损深度大,等效应力大;综合考虑锻件成形质量和模具使用寿命,通过指标同向标准化处理、权重计算,得到方案1、2、3贴近程度分别为0.446、0.511、0.556,方案3值最大,结果最优。对方案3进行工艺试验,获得的齿轮坯充填饱满、无折叠缺陷。结论通过数值模拟与评估模型相结合的方法,可以精确、高效地评估闭式热锻造工艺方案的优劣,提高设计效率与成形质量。

基于多物理场的电磁锅炉加热器结构优化设计

为了获得最大换热效率的电磁锅炉加热器结构,选取加热器加热棒的直径、均布直径、均布角度,非金属外壳内壁直径及非金属外壳壁厚5个参数为设计参数,采用基于多物理场耦合计算,并利用基于响应面模型和遗传算法对加热器的多个设计参数进行了优化设计分析,得到了效率最高的结构参数,优化后的加热器换热效率达到了97.8%,比原型加热器结构换热效率提升了5.8%。

基于模糊区间算法的多能耦合系统电能流潮流计算

传统的电能流潮流计算方法往往无法有效处理多能量源之间的复杂耦合关系。为此,研究基于模糊区间算法的多能耦合系统电能流潮流计算方法。基于电热耦合理论,构建以电力、热力系统以及电联产机组等耦合单元为主的电热耦合系统电能流潮流模型,合理定义耦合系统各不确定性状态变量区间范围,并利用模糊数理论,梯形模糊化耦合系统各状态变量区间,通过双层抽样法,完成电热耦合系统电能流潮流模型求解工作,获取系统各状态变量模糊区间解。实验结果表明:所提方法可准确获取多能耦合系统各状态变量模糊区间解;当电热负荷扰动较大时,热网管道流量模糊区间上下限波动较为剧烈,会增加热网流量越限的风险。

漂浮式多能联合发电装置研究进展

海洋可再生能源具有广阔的利用前景。相较于单一能源利用装置,漂浮式多能联合发电装置可以更好地实现资源优化配置,降低能源开发成本。为全面了解多能联合发电装置开发前景,从多能联合发电集成方案入手,分析不同类型联合发电装置的区别,并总结其技术特点。其中,在理论研究和仿真模拟等方面,对漂浮式多能联合发电装置各模块的研究方法和整体装置耦合动力学分析方法的研究进展予以梳理和归纳,分析各类方法的适用场景,探讨漂浮式多能联合发电装置的发展趋势及其所面临的问题和挑战,以便为后续经济可行的漂浮式多能联合发电装置研发提供参考。

基于多场耦合的涡轮叶片静强度计算分析

涡轮叶片是航空发动机最昂贵和最关键的部件之一,它们在高交变负荷、极端温度、侵蚀和腐蚀的恶劣工作条件下运行。为了保障涡轮的正常运行以及防止事故的发生,在涡轮叶片静强度设计过程中需要考虑热-流-固多场耦合作用;建立了涡轮叶片的多场耦合计算流程,综合考虑热负荷、离心负荷和气动负荷对涡轮叶片静强度设计的影响;通过对涡轮叶片进行静强度分析,得到了叶片在热负荷、离心负荷和气动负荷综合作用下的应力分布,确定了涡轮叶片强度危险点的位置和最大等效应力,可以为涡轮叶片的寿命预测提供依据。

弥散颗粒毒物的多尺度耦合燃耗算法

弥散颗粒毒物具有特殊的空间结构和较强的空间自屏效应,在燃耗过程中容易出现微观分层现象。在数值模拟中,直接精细化求解将带来巨大的计算量和网格密度,具有一定的挑战。为此,本文提出了一种全新的基于多尺度耦合的燃耗计算方法:通过微观精细球层模型和宏观均匀栅元模型的耦合,将弥散颗粒介质的精细求解问题简化成对一个简单常规介质的快速求解,解决了弥散颗粒毒物在全局范围内精细燃耗求解过程中所面临的计算量大和网格密度高等问题,准确地表征弥散颗粒毒物的燃耗特征,为弥散颗粒介质的求解提供了一个新思路。经过初步验证,该算法在有效增殖因数、中子通量密度和核素核数密度等中子物理参数中有较好的表现。

复合材料身管电磁轨道炮轨道结构变形分析

以复合纤维材料缠绕下的电磁轨道炮身管为研究对象,通过研究其工作原理建立瞬态3D耦合仿真模型,并基于LS-DYNA软件对模型进行电磁-热-结构变形场耦合计算,分析轨道在发射工况下的变形位移情况。结果表明轨道上应力波、振动以及临界速度共振现象的存在,说明预应力的施加会提高结构的稳定性,改变缠绕角度和缠绕层厚度会对结构刚度产生影响。

基于多物理场计算的微波加热均匀性改善研究

针对微波加热过程中存在温度分布不均匀的问题,提出利用多端口加热方式,通过多物理场耦合计算分析了端口布局、位置、数量以及功率配比对微波加热马铃薯块均匀性的影响。仿真计算结果表明,在四端口馈入时,端口分布于腔体四面,四个端口坐标分别为(-55,-162.5,70)、(162.5,-55,70)、(55,162.5,70)和(-162.5,55,70),且四端口馈入功率比为200∶200∶300∶300时,微波加热均匀性效果最佳。

适用于直流断路器的大电流快速开关分闸特性

快速开关分闸稳定性是影响直流断路器开断性能的关键要素。文中对大电流快速开关的双弹簧永磁操动和电磁斥力双动机构的分闸过程,用有限元方法进行电磁、热和位移等多物理场耦合计算,分析了永磁操动机构驱动线圈是否有必要投入以及不同驱动线圈电流对双动机构分闸特性的影响。结果表明:在永磁操动机构驱动线圈投入的情况下,可提前将永磁吸力抵消,进而避免电磁斥力因做功时间较短而引起分闸回弹现象;由于分闸初期电磁斥力非常大,永磁操动机构驱动线圈的投入对分闸初期的速度影响较小;在电磁斥力消失后,永磁操动机构驱动线圈电流在一定范围内越大,到达额定开距的速度越大,为避免其造成分闸反弹,应合理选择驱动线圈电流值。将仿真结果与实际样机分闸特性曲线进行对比,二者具有较好的一致性,验证了仿真方法的正确性。

微波辅助煤炭脱硫的多物理场耦合计算研究

针对高硫煤脱硫研究中存在实验研究周期长,且实验过程中可能由于温度分布不均匀导致热点或热失控的安全隐患问题,多物理场耦合计算能够发挥重要作用。通过多物理场耦合计算的方法对微波辅助高硫煤脱硫过程进行研究,分析微波辐照功率、氧化剂配比、辐照温度、辐照时间对煤样脱硫率的影响,并分析搅拌速率对加热均匀性的影响,从而得到微波脱硫的最佳工艺条件,并对微波脱硫最佳工艺条件下的电场和温度场分布进行分析。结果表明,在最佳工艺条件下,煤样脱硫率较高,电场和温度场分布较均匀且无明显热点产生。

面向临电预警的多电极电场矢量传感器系统设计与试验

为防止电力检修、试验时误闯高场强区,电力工作人员需要佩戴临电预警安全帽。安全帽上的电场感应探头是临电预警技术的核心,而传统探头存在测量精度低、适用范围窄等问题。为加强探头对人体周围场强识别能力,提升电力工作安全性,设计了一种全对称弧面结构电场矢量传感器。该传感器基于多维立体层面电场耦合计算原理获得极板输出与场源间的关系,能够实现极高精度多场合矢量电信号采集与处理。稳态和暂态测试结果表明,所设计的传感器灵敏度高,线性度好,具有MHz级别的宽频带信号采集能力,有潜力广泛应用于精密临电预警安全帽的电感应探头。

基于多通道数据耦合技术的智能机器人系统在煤矸分选中的研究与应用

针对原煤车间苦、脏、累、险的人工拣选工作,付村煤业有限公司选煤厂采用非放射性煤矸识别技术,设计开发了集物料识别系统、执行系统、控制系统以及管理系统为一体的智能煤矸分选系统,实现矸石及煤的自动识别、自动分拣、自动煤矸分流处理。生产实践表明:该系统使煤矸分选工艺环节从落后的人工控制方式转变为高效稳定的智能控制方式,煤矸分选效率≥98%。系统运行稳定可靠,提高了选煤厂自动化、智能化程度。

数值反应堆及CVR1.0研究进展

数值反应堆是基于先进耦合建模技术、大规模并行计算技术、先进的验证与确认(V&V)等技术,建立在超级计算机上,可实现实际反应堆各种物理过程高精细模拟预测的复杂软件系统。它是实际反应堆“外在”和“内在”的镜像,是先进的核反应堆设计优化、高效运行、事故预测和应急以及新材料研发等的试验验证平台。本文在简略综述国内外典型数值反应堆研究成果的基础上,描述了本课题组近期开发的数值反应堆核心软件组成体系,分析了数值反应堆对计算资源和存储资源的需求,并介绍了目前正在开展的中国数值反应堆原型系统(CVR1.0)的研究进展。进展主要包括:两相子通道热工水力模拟软件、单相CFD热工水力模拟软件、多尺度材料辐照损伤模拟软件、直接3D中子输运特征线法模拟软件,以及这些软件与欧美CASL、NEAMS、RPV等相关软件的对比和在神威、曙光等超级计算机上的测试结果。

列车多体耦合撞击分析

设计了耐冲击吸能车体,其前端司机室控制台前端和尾端为塑性大变形区域,中间载客区为弹性小变形区域。建立轻轨列车的等效简化模型。对实际模型和简化模型在同样工况下进行了撞击计算,结果显示等效模型和简化模型的变形过程相似,力—位移曲线也基本相同。在简化的轻轨车模型基础上,模拟6辆编组的轻轨列车以25km.h-1速度撞击一列静止的轻轨列车,得到各辆车的动力学响应。计算结果显示,车辆与车辆之间发生了多体耦合撞击,每辆车都产生了塑性变形,其中头车前端塑性变形较大。

可燃气体泄漏爆炸下海洋平台数值仿真计算

用等效TNT方法计算了海洋平台复杂结构在油气爆炸冲击波作用下的动态响应,采用MSC.DYTRAN中的多欧拉-拉格朗日耦合方法进行数值模拟研究。用多欧拉域模拟结构内外空气中爆炸冲击波传播情况,用快速耦合方法计算结构和流体的耦合作用。模拟结果显示:在油气爆炸冲击波的作用下,平台舱室变形、失效后破裂,冲击波通过破口传入平台其它舱室;研究了平台各层甲板、舱壁等构件的吸能情况,为平台的结构设计和结构加强打下基础。

综合能源系统能流计算方法述评与展望

能流计算是综合能源系统分析与优化工作的重要基础。由于广泛涉及电/气/热/冷等多种能源形式耦合,综合能源系统能流计算面临诸多挑战。文中从确定性能流计算和不确定性能流计算2个角度系统性地归纳总结了现有研究成果,对其基础理论、数学模型及求解方法等进行全面评述并分析对比了其优缺点。其中,确定性能流计算旨在根据已知信息求解系统在某一确定工况下的运行状态,并从稳态计算和动态计算2个方面进行论述;不确定性能流计算以确定性能流计算为基础,旨在基于不确定因素的影响获取系统状态量的分布特征,并从概率能流、区间能流和模糊能流3个方面进行论述。最后,结合综合能源系统未来发展要求对能流计算的研究方向进行了展望。