基于COMSOL Multiphysical的蓄水运营期堤防工程安全稳定性研究

为研究高水位浸泡下堤防工程安全稳定性,采用COMSOL Multiphysical多物理场软件建立分析模型。结果如下:①得到边坡土体物理力学特征参数与运营时间关系,研究特征参数之间受之影响敏感程度,以黏聚力受运营时间影响更敏感,前期平均5 d浸泡下黏聚力降低52.2%;②边坡安全系数与运营时间为负相关关系,两者具有幂函数关系,降低速度为先快后慢,各危险滑动面的半径随运营时间延长而减小;③多砂断面堤防模型流速矢量场集中于粉土层与砂土层交界面,最大渗透坡降为0.7,出现在粉土层背水面肩部处,易出现渗透破坏;④全砂断面模型中渗流逸出点高程相比多砂断面模型增大15%,单宽渗流量相比多砂断面模型增长6.2倍,且最大渗透坡降为0.65,超出安全允许值。研究结果可为蓄水运营期堤防渗流及边坡稳定性分析提供一定参考。

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。

基于COMSOL的工作面瓦斯场与流动场耦合分析

针对工作面和采空区内风流的不稳定运动,使用COMSOL Multiphysic多物理场耦合模拟软件和气体运移的相关原理,模拟分析工作面及采空区的空气和瓦斯的运移和浓度变化。结果表明,进风风速增大,采空区内的空气含量增大;通风时间越长,采空区空气含量越高;自然通风很难解决瓦斯的上隅角积聚。模拟结果可以有效地指导矿井瓦斯抽放,为火灾爆炸事故预防提供理论依据。

基于COMSOL Multiphysics的经皮心肌内室间隔射频消融仿真模型构建及应用

目的:构建一种经皮心肌内室间隔射频消融仿真模型,探究不同激励电压、不同消融时间对消融区域的影响。方法:以梗阻性肥厚型心肌病患者的术前CT数据为基础,利用Mimics软件实现心脏各区域组织的分割与三维表面重建,通过SolidWorks软件将重建后的各部分转化为三维实体模型,并将其与在COMSOL Multiphysics仿真软件中建立的电极针结构结合在一起,得到梗阻性肥厚型心肌病的经皮心肌内室间隔射频消融仿真模型。基于该模型设置电磁、热多物理场边界条件,并对组织温度分布以及消融时间、激励电压对消融区域的影响进行仿真分析。结果:利用该模型可以实现经皮心肌内室间隔射频消融的仿真分析,且不同的激励电压、不同的消融时间对有效消融区域具有明显的影响。结论:构建的经皮心肌内室间隔射频消融仿真模型为后续开展多种因素对消融结局的影响提供了模型基础,对进一步研究实际临床治疗中的参数优化具有重要意义。

基于COMSOL Multiphysics的不同水头压力下水热耦合分析

冻土的水热耦合问题一直是冻胀融沉的主要原因之一,涉及到土壤中水分的迁移、热量的传递以及相变过程。在多年冻土和季节冻土区,由于环境因素的影响,冻土路基容易发生不均匀沉降、冻胀融沉等灾害,这些灾害都与水分迁移、相变以及温度变化息息相关。为了解决冻土水热耦合问题,本文通过COMSOL Multiphysic软件建立水热耦合的二维模型,研究不同水头压力作用下同一时间段温度和压力的影响、对流出边界总热通量的影响、对总液态水体积的影响,以及对最低温度的影响进行分析,模拟了3种不同水头压力的工况。结果表明:同一时间段的温度和压力随着水头压力的增加而变化;流出边界离开系统的总热通量也随着水头压力的增大而增大;不同工况下水头梯度越大,冰块融化速度越快,达到总液态水体积最大值的时间越短。The hydrothermal coupling problem of frozen soil has always been one of the main reasons for frost heave and thaw settlement, involving the migration of water in the soil, heat transfer, and phase change process. In permafrost and seasonal permafrost areas, due to environmental factors, permafrost roadbeds are prone to disasters such as uneven settlement, frost heave and thaw settlement, which are closely related to water migration, phase change, and temperature changes. In order to solve the problem of hydrothermal coupling in permafrost, this paper establishes a two-dimensional model of hydrothermal coupling using COMSOL Multiphysic software. The influence of temperature and pressure at the same time period under different head pressures, the influence on the total heat flux at the outflow boundary, the influence on the total liquid water volume, and the influence on the minimum temperature are studied. Three different head pressure working conditions are simulated. The results show that the temperature and pressure during the same time period change with the increase of head pressure;The total heat flux leaving the system at the outflow boundary also increases with the increase of head pressure;The larger the head gradient under different working conditions, the faster the melting rate of ice, and the shorter the time to reach the maximum total liquid water volume.

COMSOL Multiphysics在物理化学教学中的应用

将计算仿真融入大学化学专业课程的讲授是帮助学生具体化抽象概念、提升教学质量的新思路。本文介绍了多场物理仿真软件COMSOL Multiphysics的基本原理和操作,并结合大学物理化学课程的教学内容,总结说明了该软件在相平衡、化学平衡以及化学动力学等章节中的应用实例。由学生反馈可知,计算模拟软件在课堂教学中的可视化的演示,增强了学生对所学知识的理解和掌握,提高了学生的学习热情和思考深度。

基于COMSOL Multiphysics 软件的地下水污染物运移模拟研究

地下水环境质量是衡量生态文明建设水平的重要指标,应用科学有效的计算方法模拟地下水污染物渗漏的影响范围及程度,对于地下水污染的防治有着极其重要的意义。COMSOL Multiphysics作为一款多物理场建模与仿真软件,能够较好地结合现实水文地质条件,有效地模拟自然界一些水文地质过程发生和发展过程,对进行以预防和修复治理为目的的地下水污染物数值模拟预测具有十分重要的应用价值。本文根据研究区的水文地质特征,利用COMSOL Multiphysics软件构建了地下水数值模型,对研究区地下水污染物运移规律进行分析,对污染物运移轨迹进行模拟与预测。预测结果表明,氯仿、石油烃污染物在释放1 000 a时的影响范围分别是6.3×10^(6)m^(2)和5.7×10^(6)m^(2)。由于地下水流速相对较慢,污染物扩散速度极其缓慢,研究区内污染物需要在百年时间量级上才可能形成较大规模扩散,短期内对地下水环境的污染风险较小。模拟结果为研究区的地下水环境评价和防范措施提供了科学依据。

基于COMSOL Multiphysics的混合坝接头数值分析

为保证工程设计的合理性和安全性,利用COMSOL Multiphysics对混合坝接头形式和防渗系统等进行三维有限元分析,考虑施工填筑路径、重力坝与土石坝接触的力学特性,通过系统的应力、变形和渗流场耦合计算,研究特征工况下混合坝相互作用的形态,分析大坝施工过程和主要控制工况下各结构的渗流、应力和变形情况。分析结果表明:混合坝的渗流、变形、应力、水力劈裂均满足要求。该分析方法可为混合坝工设计和施工提供参数和依据。

基于COMSOL的超磁致伸缩作动器磁路仿真及优化

提出一种超磁致伸缩作动器(GMA)结构,使用激励线圈与永磁体组合的方式提供驱动磁场。基于电磁学原理,首先建立了磁路的数学模型,然后使用COMSOL Multiphysics软件建立了GMA的有限元模型,分析了内部磁路开闭路以及导磁材料的相对磁导率对超磁致伸缩材料(GMM)棒中心线上的磁感应强度及均匀度的影响,同时以GMM棒中心线上的磁感应强度及均匀度作为评价指标,对上导磁体结构进行了优化设计。仿真结果表明,内部磁路闭合及适当增大导磁材料相对磁导率能够有效提高GMM棒中心线上的磁感应强度。上导磁体结构优化后,GMM棒中心线上的磁感应强度最终增加了0.18 T,均匀度提升至92%。

基于COMSOL Multiphysics的降雨型滑坡临界降雨阈值计算模型研究——以新疆新源县喀拉海依苏滑坡隐患体为例

本文以新源县喀拉海依苏滑坡隐患体为研究案例,采用COMSOL Multiphysics数值模拟有限元软件,建立了基于非饱和渗流理论与Mohr-Coulomb准则的滑坡稳定性计算模型。根据数值模拟结果得到研究区滑坡体原始应力分布与初始孔隙压力的分布情况、在降雨入渗条件下的内部应力、有效塑性应变、塑性区、含水率、潜在滑移面等的分布情况,并计算得到滑坡体在降雨入渗条件下的安全系数。根据模型计算,滑坡体在不同降雨入渗工况下的安全系数随降雨量的增大而减小,滑坡体在连续降雨5天的临界阈值为218.82mm,根据安全系数的变化可得到滑坡体临界降雨阈值。该论文提供了一种强度折减安全系数计算降雨型黄土滑坡降雨阈值的数值模拟方法,研究结果为西北地区降雨型黄土滑坡失稳破坏的临界降雨阈值研究提供了一种有效的研究手段。

COMSOL Multiphysics仿真软件在PT教学中的应用

PT(Physicists’Tournament)作为一种启发学生物理思维、锻炼学生动手能力、培养专业素养的创新型赛事类物理科研活动,越来越多的学生在参与过程中选择使用仿真软件作为辅助工具进行模拟计算,以完成较为复杂的开放性研究问题。由于PT实验探究具有局限性,利用软件仿真能够突破苛刻的实验条件和复杂的操作过程等限制,将实验现象转变为可视的数据结果,既是对传统实验的拓展,又能继续指导实验的开展。相比于其他软件,COMSOL Multiphysics具有易于上手、可视性强、计算功能强大等特点,对于本科学生而言具有独特的使用优势。本文从三道具有代表性的不同类型PT赛题入手,利用COMSOL Multiphysics软件进行仿真模拟,发现其具有将抽象结果可视化、弥补实际实验不足、增强探究性等应用价值。本文的研究结果为基于COMSOL Multiphysics软件开展PT问题分析与探究和培养学生创新能力提供了有益的借鉴。

基于COMSOL Multiphysics的中子扩散问题求解以及气冷微堆应用分析

基于三维有限元程序COMSOL Multiphysics的“系数形式偏微分方程接口”开发了中子扩散方程的求解模型,利用COMSOL Multiphysics的特征值和瞬态求解器分别对稳态和瞬态中子扩散方程进行了求解。通过与二维的2D-TWIGL基准题(包括稳态和瞬态工况)以及三维的3D IAEA PWR基准题的计算结果进行对比,验证了所开发中子扩散方程求解模型的正确性。针对气冷微堆堆芯进行建模,采用蒙特卡罗程序RMC生成双群和25群的群常数,利用该中子扩散求解模型开展了气冷微堆堆芯临界计算,结果分别与连续能量和多群蒙特卡罗计算参考值进行对比。结果表明:得到的有效增殖因数以及三维功率分布总体上能与对应的多群蒙特卡罗参考值较好吻合。与连续能量蒙特卡罗参考值相比,采用25能群的结果较双群划分方式更为准确。对于气冷微堆堆型,能群结构划分方式对结果精度的影响显著。采用精细能群划分能改善计算精度,但会使得求解所需资源和时间大幅上升。

基于COMSOL Multiphysics的管线用钢在3.5%NaCI溶液中的腐蚀行为研究

为了进一步了解海上平台常用管道钢的腐蚀特性,尤其是在实际工作环境下存在的高温、高Cl-腐蚀情况,本文基于大型仿真软件COMSOL Multiphysics,在3.5%NaCl(质量分数)溶液中对Q235碳钢、304L不锈钢两种管道钢材进行了仿真模拟分析,从而为海上复杂环境中钢材的使用提供参考。

基于COMSOL Multiphysics的溢流坝预应力闸墩数值分析

为分析溢流坝预应力闸墩在不同工况下的最大主应力和最大位移,给工程设计提供技术参考,以某工程溢流坝为研究对象,通过COMSOL Multiphysics建立预应力闸墩三维有限元模型,并进行数值分析,得到不同工况下预应力闸墩的位移及应力分布情况。由分析结果可知:超过混凝土抗拉强度的部位,可以通过配置非预应力钢筋来限制闸墩表面裂缝的开展。该分析方法可为类似工程预应力闸墩体系的设计和优化提供借鉴参考。

电工实验台热继电器故障频发的研究与分析

电工实验室核心过载保护装置热继电器的频繁损坏,严重影响实验的顺利进行。随着电工实验台模块的不断增加,电路结构复杂程度不断上升,实验中频繁使用热继电器会导致其损坏越来越多,进而使实验准备时间成倍增加,极大地影响了学生做实验的积极性。针对以上问题及实验教学的实际需要,采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,结合Siemens NX软件完成热继电器线圈在持续工作电流及短路电流下,电流、电磁及温度三场的耦合仿真,并通过与实际数据对比分析查找热继电器频繁损坏的根本原因。这为之后的建模仿真打下良好的基础,同时也为实验室继电保护模块的选型提供了依据。

水分对废纸张微波加热特性影响模拟研究

水分对微波加热过程有重要影响,采用COMSOL Multiphysics软件对不同水分下纸张的升温、温度分布、能耗等微波加热特性进行模拟研究。研究结果表明:纸张含水率5%时,其加热效果最佳,高含水率下纸张温度分布更加均匀。较高的微波功率可以减少能耗,微波功率从0.5 kW增加到2 kW,不同含水率纸张温升提高30%~32%。此外,纸张厚度和含水率对纸张的微波加热具有耦合作用:10%含水率时,纸张吸收热量随厚度增加。40%含水率时,厚度3 mm时吸热量最佳。纸张厚度越大温度分布越均匀。

CO_(2)激光作用玻璃管的热效应

激光对单一玻璃管进行热熔封接的过程中,加工质量与玻璃管内的温度分布有密不可分的联系。在考虑表面热辐射、材料内部热传导和空气热对流的情况下,使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对CO_(2)激光作用高硼硅酸盐玻璃管的温度场进行模拟仿真,分析了温度场分布随时间的变化规律,比较了激光功率、激光光斑半径和旋转速度对玻璃管温度分布的影响。仿真结果表明,激光功率越大,光斑半径越小,玻璃管旋转速度越低,玻璃管温度越高。根据仿真结果,选择合适的加工参数能够达到高硼硅酸盐玻璃管进行激光加工的工艺要求,此项研究为后续玻璃管激光热熔封接的工艺参数选择提供了重要理论依据。

基于COMSOL Multiphysics的3Cr钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为研究

目前,关于低Cr钢在流动性腐蚀介质中的研究相对较少。为了进一步了解低Cr钢在实际工作环境下的腐蚀特性,尤其是在高温、高Cl-腐蚀环境中的腐蚀行为,基于大型仿真软件COMSOL Multiphysics,从静态和动态两个方面对3Cr钢在3.5%NaCl(质量分数)溶液中的腐蚀行为进行了模拟仿真,从而为3Cr钢在Cl-腐蚀环境中的使用提供参考。结果表明:浸泡液静态时,3Cr钢在3.5%NaCl溶液中具有较高的腐蚀敏感性,腐蚀等级属于严重腐蚀;3Gr钢在动态腐蚀条件下比静态腐蚀时具有更高的电化学腐蚀速率;浸泡液的流动极大地加速了3Cr钢的腐蚀过程,室温(25℃)下,浸泡溶液的流速为1 m/s时,最大腐蚀速率约为静态最大腐蚀速率的7.5倍;在25~80℃内,动态腐蚀速率先增大后减小,在60℃时为最大值。

纸膜双层缺陷检测的视觉成像光场设计

为实现包装盒纸质基底层和透明膜层缺陷的同步检测,开展了对纸和膜缺陷的同步成像研究。首先,分别建立了标准球面积分光场、椭球面积分光场和弧面积分光场模型,并利用COMSOL Multiphysics 5.6对3类光场进行射线仿真,对比分析了球面积分光场下射线角度均匀性及辐照均匀性,通过正交仿真优化椭球面积分光场参数;其次,在椭球面积分光场环境、亮场前打光环境、暗场前打光环境下对包装盒成像。与此同时,对包装盒的油污、抵触、开口、泡皱、破损5项常见缺陷依次进行物理检测和机器视觉检测,验证缺陷成像的有效性。试验结果表明,在椭球面积分光场下成像,图像对纸质基底层缺陷特征、透明膜层缺陷特征均有较好的呈现效果,图像上油污、抵触、开口、泡皱、破损的物理检出率分别为96.2%、92.5%、100%、95%、92%,异常检出率分别为98.6%、97.5%、100%、100%、98.4%,缺陷类别检出率分别为97.6%、96%、100%、97%、96%。研究结果表明,椭球面积分光场光路角度和辐照强度均匀,覆透明膜包装盒的缺陷特征呈现清晰,满足工业生产的检测要求。

基于多场耦合有限元的天福庙水库清淤过程污染物磷释放行为研究

天福庙水库处于黄柏河流域东支,是宜昌市嫘祖镇的水源地,受周边磷矿开采的影响,2015年以来水库水环境质量不断恶化,为此宜昌市政府对天福庙库区河道实施了生态环保清淤工程。实施过程中发现,清淤船作业时清淤设备吸头会对周边水体及底泥造成扰动,进而可能会对水库水体造成二次污染。为了探究清淤过程导致的底泥沉积物扰动情况,利用COMSOL Multiphysics中的层流和稀物质传递等模块建立水库底泥污染物磷释放模型,基于天福庙水库水质和清淤设备的属性数据,以及前人总结的经验值,模拟清淤扰动过程中不同清淤时间和不同水平扰动范围下底泥的扩散速度分布特征,以及水库底泥和孔隙水中的磷污染物的释放规律,并进一步通过实地模拟底泥扰动实验验证模型可靠性。模拟和实验结果表明:当清淤扰动时间不断增加,底泥及其所含的污染物会逐渐向水面扩散,扩散速度和污染物浓度会随时间的推移而不断增大;在同一清淤扰动时间下,再悬浮液和磷污染物的纵向扩散受水平扰动范围的影响明显,水平扰动范围越大,底泥向水面扩散越多,底泥磷污染物释放浓度越多,对水库水环境质量危害越大。释放初期,水体中污染物浓度增加较为剧烈,孔隙水中的磷污染物释放起主导作用;随后水体中污染物浓度增加速度变缓,后期再悬浮液逐渐混合均匀,垂线上的总磷浓度差距减小,底泥中污染物的释放达到平衡状态。研究发现模型能够对清淤扰动造成的水体总磷浓度变化进行合理预测,为湖泊型深水水库清淤工程实践的防范措施提供了科学依据。