Comsol多物理场仿真软件在滑坡数值模拟中的运用

滑坡地质灾害由于其成因机制特殊,涉及水与岩土体之间作用,有关能模拟流-固耦合的软件相对较少。而Comsol作为一款多物理场仿真软件,其“多孔弹性”接口很好的做到了达西定律与固体力学的耦合,对于评估流体导致岩土体的变形有很大的优势。基于此,文中以某实际滑坡案例为基础,利用Comsol多物理场数值模拟软件对滑坡进行了流-固耦合计算,获取了滑坡的变形破坏机理及特征。

基于COMSOL多物理场耦合仿真建模方法研究

在相关理论研究的基础上,利用COMSOL Multiphysics建立了一套声振耦合、热力耦合、热声耦合等多物理场耦合仿真建模方法,并通过简单的模型算例进行了仿真计算,在与其理论值及相关文献的结果进行对比分析后,验证了该仿真建模方法的正确性。

COMSOL多物理场仿真软件用户年会在京召开

2017年11月3日，一年一度的多物理场仿真盛会——COMSOL用户年会北京站在金隅喜来登酒店圆满召开。大会由全球领先的仿真软件供应商COMSOL主办，在“拓展人脉、学习探索、开拓创新”的主题下，旨在为全球COMSOL软件用户搭建互动交流的平台，了解如何应用仿真技术进行研发和技术创新。

基于ANSYS及COMSOL的变压器内部检查机器人多物理场仿真及运动计算

针对一种需要在封闭、充满变压器油介质、空间狭窄、无照明的环境中完成异物检测及清理任务的变压器内部检查机器人,对其在潜油运动下的流场、热场等多物理场进行仿真分析,并对螺旋桨推力进行仿真计算,同时通过有限元方法计算螺旋桨旋转时产生的气泡体积。最后,计算机器人在油液中运动时的整体受力情况。仿真结果表明:变压器内部检查机器人在承受一定应力情况下仍能正常运行;同时推进器螺旋桨能提供足以使机器人本体正常运动的推力,且在旋转过程中生成的气泡不会影响变机器人的正常工作。

质子交换膜燃料电池多物理场建模及模型参数敏感性分析

受限于外部运行工况及内部多物理场参数的耦合作用机制,质子交换膜燃料电池的精确机理建模成为其研发和应用的瓶颈。该文通过探究燃料电池内部“电-热-流”多场耦合关系,构建准一维电堆动态模型,并基于单参数敏感性和多参数敏感性分析,得到不同模型参数的敏感度指标,完成了建模中部分关键参数的权重分析。为验证模型精度及耦合参数变动对输出特性的影响,在搭建Ballard NEXA 1.2 kW燃料电池测试平台的基础上开展变载及参数变动实验。结果表明,所构建的模型能够较为精确的模拟电堆特性,且对称因子、活化面积和压力系数的变动对电堆输出的影响较大。结果可为燃料电池电堆的测试及改型提供理论基础,并揭示电堆故障及老化过程中主要参数的衰退变化趋势。

多物理场下超薄吸波磨耗层微波加热性能研究

微波加热技术在沥青路面除冰中的应用得到了广泛的关注,然而目前多对沥青路面整体进行微波加热增强,从而导致路表加热效率提升缓慢。为了进一步提高沥青路面路表的微波加热性能,采用碳化硅(SiC)微波增强集料制备了一种超薄吸波磨耗层,通过微波加热以及除冰试验分析了超薄吸波磨耗层的微波加热性能以及加热耐久性,确定了超薄吸波磨耗层的最佳厚度。并采用COMSOL Multiphysics有限元软件建立了多物理场沥青混凝土微波加热模型,分析了超薄吸波磨耗层的设置对微波加热过程中电磁场的强度与分布以及温度场的影响。研究结果表明:在2.45 GHz频率的微波加热下,超薄吸波磨耗层具有良好的微波加热性能,10 mm厚的超薄吸波磨耗层的微波加热效率相比于普通沥青混合料以及整体微波增强的沥青混合料提高了4.47倍和1.40倍。SiC稳定的微波吸收性能保证了超薄吸波磨耗层具有良好的微波除冰耐久性,在经过反复的微波加热除冰后超薄吸波磨耗层的除冰时间仍然可以保持在45 s左右。数值仿真模拟结果表明超薄吸波磨耗层较强的微波吸收能力可以局部增强试件表层的电磁场强度,从而使更高的温度分布在试件表层。超薄吸波磨耗层内部的电场强度和磁场强度分别比普通沥青混合料试件提高了50.9%和15.7%。综上可知,超薄吸波磨耗层的设置可以提高沥青路面表面的微波加热性能。

多簧片结构的磁保持继电器多物理场刚柔耦合仿真模型建立和实验分析

多簧片结构的磁保持继电器衔铁转动引起的触点碰撞、弹跳现象使运动过程复杂,静、动态特性理论分析和仿真模型建立困难。以某型号多簧片结构的磁保持继电器为研究对象,理论分析结构拓扑及工作机理,考虑触点间切入深度,引入狄拉克函数和赫维赛德函数,解决簧片受力分散及触点由于碰撞、弹跳引起的作用力不连续问题;将簧片等效为悬臂梁,基于欧拉-伯努利梁理论建立触簧系统三簧片分段耦合动力学模型。利用Ansys Maxwell引入基于误差的自适应网格划分方法求解电磁机构静态特性;考虑触簧系统簧片运动变形效应,通过ADAMS基于模态理论,构建刚柔耦合动力学仿真模型。基于分段动力学思想,搭建电-磁-机械运动多物理场刚柔耦合仿真模型。利用高速摄像机、电流探头等设计磁保持继电器实验方案,搭建实验平台,测试并分析磁保持继电器触点吸合运动时间、触点压力、弹跳时间、线圈电流,并分析人工装配簧片引起触点压力不同使继电器动作过程存在的不一致性问题,验证该文所提多簧片结构的磁保持继电器特性分段耦合分析方法和多物理场刚柔耦合仿真模型的有效性。

基于COMSOL多物理场的多孔介质缓苏干燥模拟

[目的]探究缓苏过程中温度场和湿度场的变化规律。[方法]将玉米粒和粮堆分别作为多孔介质,利用COMSOL Multiphysics传热模块中的热湿流动接口进行多物理场耦合。[结果]5次缓苏6次干燥使玉米粒的相对湿度从22.5%降至4.97%,进行2次缓苏3次干燥后玉米粒的平均相对湿度降低至11%,干燥效果相较无缓苏干燥提高了9.5%。常温通风缓苏策略在减少一次干燥的前提下获得了相同的效果。[结论]缓苏策略通过减小水分梯度,有效提高了干燥速率,缩短了总的热风干燥时间,但干燥和缓苏时间增加。风干仓中常温通风缓苏策略的应用,可进一步减少干燥后期所需的缓苏次数和时间。

核反应堆系统多维度多物理场耦合有限元分析研究

核反应堆系统庞杂且运行环境严苛,存在多物理场耦合的复杂现象。早期开发的多物理场耦合软件具有扩展性和通用性不足的缺点。因此,搭建多物理场耦合框架,针对耦合问题中的关键技术开展研究,对加快我国自主化多物理场耦合平台开发进程具有重要意义。本文介绍了西安交通大学核反应堆热工水力研究室开发的核反应堆多维度多物理场耦合有限元分析平台,主要包含热工流体计算模型的开发、燃料性能分析技术的研究以及多物理场耦合框架的建立等工作。在热工流体计算方面,开展了核反应堆系统两相流分析模型和液态金属快堆子通道分析模型研究,开发了系统分析程序NUSAC和子通道分析程序FLARE;在燃料性能分析技术方面,开展了包覆颗粒弥散燃料和板状燃料的性能分析研究,开发了针对多种燃料的燃料性能分析程序BEEs;在多物理场耦合分析方面,搭建了多物理场耦合框架,结合热工水力、中子物理和燃料性能分析程序,实现了核反应堆多物理场耦合的精细分析。本文搭建的核反应堆系统多维度多物理场耦合有限元分析平台可为核反应堆系统多维度多物理场耦合高保真数值模拟分析提供有力支持。

物理场影响淀粉消化特性的作用机制研究进展

文章综述了几种常见的物理场作用,包括微波、超声、挤压、湿热处理对淀粉消化特性的影响及其作用机制。从物理场作用改变淀粉结构的角度,包括淀粉短程有序、直链淀粉/支链淀粉比例及晶体结构,论述了淀粉分子微观结构与其消化特性之间的关系,比较不同物理场改性淀粉消化特性之间的差异。以期为改进淀粉类食品加工工艺、提升淀粉类食品品质提供参考。

浅析射频SiP多物理场耦合分析关键技术

射频系统级封装(SiP)的多物理场耦合分析问题已经成为限制其可靠性提升的关键因素。当前,射频SiP的多物理场耦合分析内容主要包括模型建立和数值算法,然而,模型建立方法以及算法的适用性与选择方法是一大难点。同时随着物理场和射频SiP模型复杂度的不断提高和计算需求的不断攀升,现有部分分析方法存在计算量大、适配不佳等问题亟待优化。本文对多物理场模型的建立方法及射频SiP关键物理场单场和耦合场方程进行了总结归纳,从方法特点和适用条件两个方面对有网格与无网格四种数值算法展开阐述,同时列举了若干种多物理场耦合优化方法,从建模、求解和耦合方式的角度为实现简化建模、加速计算、优化结果等目标提供了方法和建议,可以为射频SiP的多物理场耦合分析和改进工作提供参考。

单脉冲平顶激光清洗CFRP的多物理场特性研究

为探究平顶激光清洗碳纤维增强复合材料(CFRP)的作用机制,本研究考虑CFRP的组分对激光的吸收、反射特性差异显著,将激光载荷分层施加到CFRP的细观有限元模型上,引入热烧蚀-热应力双重作用效果,还原不同能量密度下单脉冲平顶激光清洗形貌,并完成了试验验证。结果表明:分层施加激光载荷较传统表面加载模式能够有效提升仿真精度,采用热烧蚀-热应力双重判据能够进一步提升形貌还原效果,本研究模型的仿真形貌长轴贴合度不低于96.64%,面积贴合度达到80.00%,并通过高精度模型瞬时温度场分布能够指导激光清洗CFRP表面树脂的实际工艺。

面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学

在电气工程专业本科生电磁场实验教学中,开展面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学,对培养学生的工程观念、综合应用多学科专业知识解决实际电气工程问题的能力具有重要的意义。以电力系统中广泛应用的电力设备——干式空心电抗器为研究对象,阐述了开设干式空心电抗器电、磁、热以及力场等多物理场数值仿真开放实验的目的、内容及实施过程。这些开放实验取得了良好的教学效果。

反应堆压力容器“set-on”集成化锻造结构多物理场耦合模拟研究

核反应堆压力容器(RPV)传统采用独立锻件通过焊缝连接的结构形式,由于焊缝为铸态金属组织,属失效分析中的薄弱环节,因此采用集成化锻造结构,确保承压焊缝质量,是提升RPV安全可靠性的重要方法。但是,集成化后的锻造结构存在几何异形、结构复杂、壁厚差异大等问题,其材料组织与性能调控难度大幅增加。针对上述问题,以核电RPV接管“set-on”结构形式为对象,基于结构导热微分及等温转变叠加理论,建立了锻造结构温度-组织-应力的多物理场耦合模型,以调质热处理的奥氏体化及淬火冷却两个阶段为对象,结合淬火冷却介质流-固耦合分析方法,获得锻造结构不同位置处材料组织与性能变化的定量规律,并明确了其关键影响因素。

物理场解冻在食品领域中的研究进展

冷冻是食品保藏的重要方法,部分冷冻食品在消费前仍需进行独立的解冻处理。传统解冻方法存在升温不均匀、处理时间长且汁液损耗大的问题。作为新的解冻技术,物理场解冻受到了广泛的研究和关注。本文综述了近年来物理场解冻在冷冻食品加工中的研究进展,阐述了超声波、介电和电场等技术在解冻过程中的作用机理和应用效果。相对于传统解冻,物理场解冻更好地保持食材的营养成分、维持感官品质,减少汁液流失,同时提高解冻效率。不同种类的食品原料和解冻方法可能会引起差异性的效果,需要分析实际原料对物理场的响应规律和特征理化指标,如介电常数、电导率和脂肪含量等,从而得到最佳的解冻条件。未来的研究应聚焦于探究高效稳定且低能耗的物理场辅助技术,继续深入研究对食材品质和解冻效果的影响,以更好地满足消费者对冷冻食品的高效处理需求。

高超声速飞行器多物理场虚拟飞行建模方法研究

为了解决高超声速飞行器飞行试验成本高昂、风险较大、飞行性能评估困难等问题,提出多物理场虚拟飞行方法,通过建立高拟真度多物理场仿真模型替代飞行试验,实现快速、准确的飞行性能分析。本文考虑气动、结构、控制和弹道学科间的耦合效应,采用松耦合方法建立高超声速飞行器流固耦合模型并开展虚拟飞行仿真研究。采用活塞理论计算非定常气动力载荷、模态叠加法计算结构动响应;将时变的气动力载荷和结构振动变形整合到六自由度飞行动力学模型中,构建多物理场虚拟飞行仿真流程;以某三维高超声速飞行器为对象开展虚拟飞行仿真研究,分析结构动变形、非定常气动力动响应对其飞行弹道和控制系统的影响规律。研究结果表明,本文构建的虚拟飞行模型能够快速、准确地获得飞行过程中的动态特性、受控特性与载荷特性,可为高超声速飞行器的总体设计提供高效、低成本的飞行性能验证途径。

基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化

准确计算油浸式变压器的温度分布并寻求优化方法,对设备运行维护具有重要意义。首先建立了35 kV油浸式变压器的3维等效模型,采用Jiles-Atherton模型模拟变压器铁芯材料的磁滞特性,通过磁场计算获取了铁芯和绕组的损耗密度分布。在此基础上将损耗密度作为热源,经过流–热耦合计算得到变压器的温度场和流场仿真结果。根据计算结果提取了铁芯、绕组区域的温度分布及截面的油流流速分布,并绘制了散热片的最高温度和流速曲线。最后结合中心组合设计和仿真分析方法得出不同散热器结构参数下的变压器热点温度,构建热点温度与结构参数间的支持向量机模型,采用粒子群算法获得了最优参数。变压器热点温度较优化前降低了15.12 K,仿真与模型预测结果的相对误差为6.42%,验证了优化模型的有效性。结果表明:优化方法能够显著降低变压器热点温度,为变压器的优化设计提供了新的思路和参考。

高功率密度永磁同步电机多物理场设计与优化

针对额定功率50 kW、额定转速2050 r/min的高效率高功率密度永磁同步电机进行多物理场优化设计,包括电磁场、温度场和应力场的设计与仿真分析。为进一步提高功率密度,选用发卡绕组替代传统的圆线绕组;为改善反电动势的正弦度,相较于传统的径向充磁,选用了多段式Halbach阵列充磁方式。本文给出了高功率密度电机的设计流程和电磁参数优化过程,通过多物理场仿真表明,本文所设计电机能够同时满足电磁指标和各项温升和应力指标。

一种基于COMSOL的四极场离子运动仿真模型

四极场质谱仪是目前应用最广泛的小型质谱仪器之一。研究四极场中离子运动轨迹,对于深入理解和认识四极场中离子的行为非常重要,不仅有助于提出新的质谱技术问题,也对质谱仪器研制具有指导意义。离子运动的数值模拟和仿真是研究四极杆中离子运动行为的高效数字化手段。本文基于COMSOL Multiphysics建立了四极场的数字仿真模型Sim-Quaq-COM-V1.0,应用该模型得到的仿真数据结果与理论计算结果一致,可作为研究四极场中离子行为的精确数字化模型。在此基础上,对比研究了双曲四极杆与圆柱四极杆中离子的运动行为,相同条件下,m/z 69离子在双曲四极场中通过的数量约为圆柱四极场的4倍。该仿真计算模型能够快速配置全局参数,节省几何设计和建模的时间,降低计算难度;模型支持并行计算技术,在计算速度和计算量方面均有大幅提升,能够同时处理大量离子,缩短研究周期,助力质谱仪器设计和研发技术的数字化发展。

激光维持等离子体多物理场耦合模型与仿真

激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源,在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值.本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程,介绍了其基本物理过程及数学描述方程,建立了基于多物理场耦合的二维流体模型.利用该模型研究了激光在等离子体中的传播过程,探讨了激光维持等离子体的初始演化过程、能量注入机制、稳态特性及不稳定性等关键问题.通过与高气压氙气等离子体实验结果对比,确定了仿真模型的有效性.相关仿真结果有助于深入理解激光维持等离子体的底层物理机制,为实现光源系统设计、多参数优化提供理论依据.