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 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。

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的高压脉冲电场仿真研究

为进一步研究高压脉冲电场的作用机理,文章通过COMSOL Multiphysics仿真平台对HPEF处理装置进行三维模拟:平行极板型电场进行了三维模型建立,同时对处理装置的电场分布、温度场分布、流场分布进行多物理场仿真分析。仿真结果表明,平行极板型处理装置的电场强度分布均匀,温度基本恒定不变,空气流速接近0。这一结果与HPEF的“传递均匀、产热少、能最大限度保持食品的品质”等特色保持高度一致,为后期探究其作用机理及处理装置设计改进提供了一定的理论依据。

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 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。

COMSOL Multiphysics V4.3亮点介绍

一、概述 近日，COMSOLMultiphysics4．3版本发布，新版本再次拓展了COMSOL在电气、机械、流体和化工等领域多物理场模拟的优势。

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超声波电机的谐振特性分析

基于COMSOL Multiphysics对超声波电机压电振子谐振特性进行了理论分析,建立了超声波电机压电振子的实体模型,仿真计算出了压电振子的谐振频率,确定超声波电动机的最佳工作频段,提出了电机与驱动电路匹配方法。试验结果表明:当对压电振子施加幅值为100V的激励电压后,软件分析和数学计算基本一致,可见仿真分析方法的可行性,为研究超声波电机谐振特性提供了一种简便的计算方法。

基于COMSOL Multiphysics的煤层气对流热采分析

COMSOL Multiphysics软件是一款以有限元法为基础,可以通过求解偏微分方程组来实现多物理场耦合计算的数值仿真软件。通过COMSOL Multiphysics软件,结合多孔介质弹性力学、渗流力学、热力学理论建立多物理场耦合模型,并借助前人成果,模拟向煤层注入200℃的水,对煤层气进行热采,计算煤层的应力场、渗流场、温度场的耦合变化规律,以及煤层气的产出量。研究结果表明:向煤层注热水60 d后,煤层温度整体达到160℃以上,煤体的渗透率基本能提高到2.1×10-12m2附近,结果证明利用对流热采新技术开发煤层气是完全可行的,开采效率极高,值得进行商业推广开发。

基于COMSOL Multiphysics的三维地质建模方法

三维地质建模具有直观、形象、便捷等优点,在地质、矿产、地下施工等领域有着突出贡献。COMSOL Multiphysics作为多物理场耦合模拟仿真软件,具备一定的三维建模能力。通过充分挖掘该软件自身潜力,结合Kriging插值方法,尝试建立了山西某井田的三维地质模型。研究结果显示,基于COMSOL Multiphysics的三维地质建模方法可实现地质体模型的缩放、旋转和平移等操作,生成地质剖切面图、透视图,展示地质体内部的各个细节。实例证明了COMSOL Multiphysics软件的三维地质建模能力及其在地质解译、矿产评估和多物理场求解等方面的应用价值。

基于Comsol Multiphysics的海上风力机塔架模态分析

塔架是风力机的主要支撑装置,鉴于海上特殊的工作环境,塔架振动在所难免。以海上3MW风力机塔架为对象,应用有限元分析软件Comsol Multiphysics对其进行模态分析,除了考虑叶轮激励频率的影响外,还要研究波浪频率对塔架的影响,通过求解有限元特征方程,得到前六阶固有频率及振型,确定引起塔架与外部激励共振主要取决于塔架的低阶频率;摆振是风力机塔架的主要振动,造成塔架顶端振幅较大。通过进行模态分析,为塔架设计、安全运行和结构动力学分析提供更可靠的理论依据。

基于COMSOL Multiphysics数学模块的冻土水热耦合分析

多年冻土内部的水热过程是影响冻土区生态环境演变、干旱区水资源利用及地表工程结构稳定性的重要因素。然而传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和土体中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。以垂直土柱单向冻结实验为基础,通过COMSOL Multiphysics软件的数学模块实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了冻土水分对流与温度变化的关系。结果表明:(1)COMSOL可以实现冻土水热参数、冰水相变潜热以及边界条件的灵活定义,容易实现水热两场耦合分析;(2)对于含水量较高的土体,水分对流传热作用不可忽略。

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。

基于Comsol Multiphysics无限长圆柱载流导线产生的磁场分布研究

介绍一种基于Comsol Multiphysics软件的工程电磁场仿真方法。以无限长圆柱载流导线产生的磁场分布为例,在理论计算的基础之上,给出了基于Comsol Multiphysics软件的仿真过程。并对比分析了理论计算值和仿真结果。证明了Comsol Multiphysics软件是一款功能强大,操作简单,计算精度高的工程电磁场仿真软件。