准稳态下常功率平面热源法测不良热导体热导率及COMSOL模拟

准稳态法是测量不良热导体热导率的一种常用方法,样品材质、保温层、加热功率等都会对测量结果造成影响。本文采用分离变量法,以有机玻璃为例,求解了厚度均匀的无限大不良热导体两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度时的热传导方程,得到样品各处的温度随时间变化的严格解。在初始加热时间不到十分钟的状态下采用截断近似,并在准稳态下用常功率平面热源加热法测量了不良热导体的热导率k及比热c。在此基础上,采用四块有机玻璃板和两个加热薄膜外包泡沫和聚丙烯(PP)阻热材料的模型,作了COMSOL多物理场耦合仿真,得到的理论、实验及仿真结果三者符合得很好。

氯离子浓度对Ni-P合金涂层失效过程影响的SECM实验和COMSOL模拟研究

目的发展具有空间分辨的腐蚀电化学研究方法。方法用电沉积方法在铜基体上制备Ni和Ni-P涂层,应用扫描电镜和XRD检测涂层表面形貌和晶体结构,采用扫描电化学显微镜(SECM)研究Ni和Ni-P涂层在不同浓度Na Cl溶液中的失效行为,并结合COMSOL多物理场软件建立二维和三维模型,模拟量化活性点大小和反馈机制。结果低浓度Cl-对于纯Ni涂层具有活化作用,增加Cl-浓度会促进腐蚀发生。Ni-P合金涂层在低浓度Na Cl溶液中,短时间内保持良好的稳定性,浸泡6 h后,低P合金涂层出现典型的活性点和腐蚀产物,而高P合金涂层在浸泡24 h后出现腐蚀产物和活性区域。0.1 mol/L的Na Cl溶液促进低P合金涂层局部腐蚀的发生,而涂层在0.3 mol/L Na Cl溶液中则以发生均匀腐蚀为主。逼近曲线及其模拟结果表明,腐蚀产物对于Fc Me OH的电化学过程完全失活,而新鲜Cu表面对Fc Me OH氧化还原过程受扩散控制。三维模拟结果显示,低P合金涂层失效过程中活性点大小接近10μm。结论 Ni和Ni-P合金涂层的失效过程中活性点的形成、腐蚀产物的生成和累积过程与SECM面扫描图谱中正负反馈效应相关,Cl-促进腐蚀发生,其浓度影响腐蚀类型。COMSOL多物理场模拟明确反馈效应与探针和基底的距离有关,Ni-P涂层失效活性点大小在微米级。

基于COMSOL模拟的瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用

湖南临连高速公路黄沙隧道设计地层揭示溶洞、突泥突水等不良地质较多,为了做好超前预报工作,采用了瞬变电磁法探测技术(TEM),即利用中心回线装置激发的磁源,通过COMSOL有限元模拟软件建立几何模型,对隧道前方溶洞的电磁响应特征进行分析,研究瞬变电磁的响应规律,得出瞬变电磁探测的最佳角度和距离。此项技术的应用,大大降低了隧道不良地质引起的施工安全风险,保障了施工生产的顺利进行,同时也增加了隧道超前地质预报的技术手段,用于指导后续类似工程的施工。

双螺杆挤出机塑化系统电磁加热过程的数值模拟与实验研究及应用

探究电磁加热相比于铸铜加热对双螺杆挤出机塑化系统的影响,首先针对现有双螺杆机筒和线圈分布建立几何模型,使用comsol有限元软件研究了电磁加热过程机筒磁通量变化以及温度均匀性;另外,在数值模拟的指导下开展具体试验验证,对比了电磁加热和铸铜加热的机筒内壁及法兰温度均匀性、用电量及电磁辐射安全性。结果表明,电磁加热具有更高的控温精度,保证温度均匀性在±1℃以内,与模拟结果相吻合;在相同的加热时间内,电磁加热可以实现机筒和法兰同步加热,预热时间节约40%,生产过程节能50%;另外电磁辐射符合国家安全标准(GB 8702—2014),保证车间工人的人身安全。

基于COMSOL模拟的无烟煤合理吸附平衡时间研究

为研究《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T752-1997)标准中测试瓦斯吸附常数的吸附平衡时间(第1个点吸附平衡7 h,当压力大于0.5 MPa后每个压力点吸附平衡4h)是否能够使吸附能力强的无烟煤真正达到吸附平衡,通过COMSOL软件建立模型,模拟瓦斯在煤内的吸附扩散过程,从而研究无烟煤达到吸附平衡所需时间。研究表明,对于无烟煤,标准中规定的吸附平衡4 h并不足以使瓦斯完全吸附在煤的孔隙中,测试无烟煤的瓦斯吸附常数时,应延长其吸附平衡时间。对同一种煤(无烟煤)的软煤和硬煤,软煤的孔隙比硬煤发达,瓦斯若要进入更小的微孔隙内,分子扩散阻力越来越大,所需平衡时间越来越长,因此,在同一吸附压力下,软煤达到吸附平衡的时间比硬煤长。

超声辅助焊接多振源耦合振动场COMSOL仿真模拟研究

为深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration,HFUV)辅助随焊去应力影响机理,借助COMSOL软件,开展了旁触式单振源模式下固体母材中振动场、超声加载位置等参数对振动分布影响规律及双振源耦合的仿真计算。结果表明:高频超声振动在固体母材中以横波、纵波共存的球面、非对称兰姆波传播;超声振幅阀值与母材尺寸成正比;超声振幅与母材振动位移幅值成正比;超声加载位置对母材振动分布影响显著,振动位移幅值随加载位置距离的增大呈先上升后下降趋势;每一加载位置的左右20 mm范围内,振动位移幅值一般最大,高频超声作用最明显,是理想振源位置。双振源对称布置时,母材中振动位移曲线对称分布且良性耦合,但振动幅值基本不变。

多孔生物弹性材料的渗流数值模拟

模拟了一种多孔生物弹性体材料—聚癸二酸甘油酯(PGS)被植入人体软组织的传质扩散渗流现象;用N_(2)吸附-脱附法表征了PGS材料的孔隙结构;用多物理场仿真软件COMSOL设计不同孔道数目和孔径的支架模型,探究了孔隙度不变时孔道和孔径参数对血液渗流的影响;用COMSOL设计适配的PGS支架模型,结合流体动力学理论,对血液流过PGS支架时的血流特性进行数值模拟,对血流场的动力黏度和剪切速率进行了分析;对不同血液入口速度下的渗流压力和扩散情况进行了对比分析。结果表明,PGS为一种趋于介孔的材料;当血液在多孔支架内流动时,动力黏度随剪切速率的变化而变化,说明血液在支架内的渗流是一种非牛顿流体渗流;在不同入口速度下,血液在多孔支架内的扩散速度不同,入口速度越大,压力越大,传质扩散速度越快。

基于comsol软件的光子晶体通信器件模拟

利用comsol软件对几种光子晶体通信器件的模拟,有光子晶体光纤、波导、分波器以及滤波器等器件,模拟结果很好,可以更直观地了解光子晶体器件的优越性,更为开发集成光通信器件提供了有益的参考.

基于COMSOL模拟的有机污染土壤ERH修复工艺优化

利用电阻加热(ERH)和土壤气相提取(SVE)耦合技术,针对有机污染土壤,采用COMSOL软件模拟方法对场地加热电极的布置进行优化,以温度为探针,对比物理场种类、电极间距、电极的边界距离、电极个数、耦合物理场边界等因素对土壤温度的影响。结果表明,在固体传热和电磁热的耦合场下的加热效果比单独物理场更好,40 d后温度可达201.20℃。电极间距最优为3 m,升温104.71℃。当边界距离为0.5 m时,边界土层温度能够达到ERH工程要求的100.15~220.15℃。7电极排布相比其他排布方式的升温速率更高,平均温度为153℃,加热更均匀。本研究可为有机物污染土壤场地修复的工程设计提供参数。

基于Comsol的双环磁控溅射靶的磁场模拟分析

影响靶材刻蚀特性的主要因素来自平行靶面的磁场分布,为了得到更优的磁控靶结构参数以实现靶面水平磁感应强度的均匀分布,本文利用Comsol软件对双环磁控溅射靶的靶面水平磁感应强度分布进行模拟分析,得出了当内磁环高度h=10 mm,外磁环与靶材间距d=7 mm时的靶面水平磁感应强度分布较为理想。除此之外,还探讨了加装导磁片对靶面水平磁感应强度的影响,结果表明采用适当的导磁片长度、厚度以及导磁片与磁环之间的间距,对靶材的水平磁场强度分布具有调节作用。在工程应用中,技术人员可以事先对靶材结构进行模拟优化以节省生产周期和成本,对实际生产具有指导意义。

基于粗糙度的煤体表面接触角数值模拟研究

煤尘是煤矿的七大灾害之一,它不仅影响作业人员的身心健康,还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响,已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决井下煤尘问题,选取了亲水性的哈密褐煤、疏水性的安阳焦煤和弱亲水性的赵固二矿无烟煤作为研究对象,使用光学接触角形貌联用仪测量3种煤样的均方粗糙度,测定3种煤样的本征接触角,利用COMSOL数值软件构建二维物理模型,设置模拟条件,调整模拟参数,分析对比试验值和模拟值,验证COMSOL数值模拟的可行性,研究了煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响。结果表明:数值模拟的液滴铺展过程、液滴铺展速度及液滴铺展形态和试验情况类似,但模拟接触角值比试验接触角值大;随着煤体表面粗糙度的增加,褐煤接触角从60.7°降低到50.9°,变化范围在10°左右,焦煤接触角从96.5°增加到112.7°,变化范围在16°左右,无烟煤接触角从89.7°降低到78.3°,变化范围在11°左右;同种表面活性剂对3种煤样接触角的模拟值和试验值具有相同的变化趋势,但模拟值比试验值大。采用数值模拟的方法,研究煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响具有一定的可行性。煤体表面受粗糙度影响的润湿情况符合Wenzel模型。表面活性剂的存在不改变3种煤样的接触角随表面粗糙度变化的规律。

基于Comsol的平煤四矿己_(15)-31060自燃“三带”模拟研究

为研究平煤四矿己_(15)-31060工作面采空区自燃“三带”的范围。利用氧气浓度指标来划分采空区自燃“三带”范围,并且利用Comsol模拟和现场实测结果分析对比,Comsol模拟和现场实测划分自燃“三带”范围基本一致,并且同一水平下回风巷的氧气浓度低于进风巷氧气浓度。充分证明用Comsol来划分采空区自燃“三带”范围的可行性,为防止采空区自燃提供一种新手段。

基于COMSOL Multiphysics软件的回采工作面开挖模拟模型优化

基于COMSOL Multiphysics软件进行本煤层开挖模拟研究,结合工作面围岩力学特征,将煤层开挖高度由原有的本煤层采高优化为采高和冒落带高度之和,并结合某矿工作面实际情况对其前方的"横三区"中的超前卸压区和应力集中区宽度进行了现场实测,验证了改进后模拟模型的可靠性,优化后模型对相关方向的模拟研究具有一定的借鉴意义。

基于COMSOL Multiphysics深基坑挡土墙开挖数值模拟

针对内支撑式挡土墙深基坑开挖与支护过程中地表沉降和挡土墙变形的稳定性问题,应用COMSOL软件对上海某地铁深基坑开挖工程进行仿真模拟,并结合现场实际监测进行对比分析。结果表明,COMSOL软件模拟分析开挖后地表沉降的最大位移值为18 mm,这与现场监测结果十分吻合。挡土墙的侧向最大水平位移的模拟值为34 mm,实际监测的最大水平位移为36 mm,这主要是由于模拟过程没有考虑土体中水的影响,然而土体中有含有少量水,因此出现微小的误差。但是COMSOL模拟挡土墙的水平位移变化趋势与实际监测结果是一致的。在深基坑开挖过程中,COMSOL能精确的模拟深基坑的开挖与支护过程,这对工程实际具有重要的指导意义。

煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究

煤岩内发育的裂隙网络是气体运移的主要通道,影响煤储层的渗流能力,裂隙网络的几何特征对煤层气流动特性具有重要影响。以保德区块煤样为研究对象,利用COMSOL Multiphysics模拟软件,建立了煤岩二维裂隙网络模型,研究裂隙长度、密度、开度和角度等因素对产量影响,为提高煤层气产量提供理论指导。研究结果表明:裂隙形态因素影响关系为长度、密度、开度越大,与流动方向夹角越小,煤岩渗流能力越强。但随着长度、密度与开度的增加,流量增幅变缓,继续增加单一因素提高煤层气开采效果不显著且成本难以控制。各因素的增长对出口流量的影响程度中,角度、密度影响效果大于长度和开度。考虑地面定向井+高压水力切割方法提高煤层气开发效率。利用定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,充分利用平行面割理方向渗透率优势;高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性,有助于提高煤层气产量。

膨润土衬垫溶质扩散及渗透行为COMSOL模拟

针对填埋场膨润土衬垫(GCL)易于被化学溶质击穿的问题,研究了化学溶质在GCL中的扩散行为和破坏机理,以指导工程实际。通过COMSOL Multiphysics构建膨润土扩散柱数值模型,研究了离子种类、离子浓度、水头压力以及上覆应力等因素对化学溶质在GCL中扩散行为的影响,并研究了渗透系数与扩散系数之间的转换关系。结果表明,阴离子比阳离子的扩散衰减速率小,扩散速率随溶质扩散时间的增长而减小,化学溶质的扩散会显著增加溶质浓度梯度的变化。对于扩散系数较大的溶质,孔隙率和扩散系数能较好地表征其扩散行为。上覆压力会明显增大化学溶质在GCL中的扩散。低、中浓度初始扩散源的扩散范围较浅,而高浓度初始扩散源的扩散范围较大。因此,在垃圾填埋场工程中,应根据渗沥液浓度、离子种类以及上覆垃圾荷载等对GCL的防污性能进行安全评估,尤其应对高浓度和高应力作用下较深范围内污染物的迁移情况进行监测。本研究结果可为GCL在填埋场中的工程应用和防污安全预警提供参考。

基于数值模拟的矩形磁控溅射靶磁场结构设计及分析

针对磁控溅射沉积涂层技术中存在着的靶材利用率低和刻蚀不均匀等问题,基于计算机数值模拟仿真技术,通过对矩形平面磁控溅射靶材的内、外磁铁结构参数的设计,以及导磁片长度和厚度的设置,模拟分析内、外磁铁和导磁片在不同结构参数条件下,靶材的表面磁场及磁感应强度分布。结果表明,在内磁铁高12 mm、直径20 mm,外磁铁高16 mm、直径10 mm的结构参数条件下,靶材表面水平磁场的最大磁感应强度在35 m T左右,且水平磁感应分布均匀。与此同时,在设置长5 mm,厚2 mm的导磁片后能更加明显的改善靶面水平磁场分布,提高靶材的利用率,进而整体改进沉积涂层的综合性能。利用模拟分析可得到靶面水平磁感应强度适中、分布较为合理的靶结构参数,对实际磁控溅射靶的设计具有指导意义。

注水钻孔周围煤体径向位移数值模拟

为揭示钻孔注水过程中煤体位移的发展和分布规律,基于COMSOL Multiphysics 4.3b2D建立煤层注水三场耦合模型,模拟不同注水压力和时间作用下钻孔周围煤体径向位移的变化规律.研究结果表明:随着注水时间的延长或注水压力的升高,煤体的位移量增大;钻孔两侧出现两个以纵向为长轴的椭圆形较大位移区,呈现"哑铃形"非均匀分布;"哑铃形"两端椭圆形的中心是位移最大的区域,随注水过程的延续最大位移带向远离钻孔方向发展,椭圆的长短轴随注水时间的延续和压力的提高逐渐变大.

极近距离上邻近层超前卸压带宽度模拟与试验研究

为建立一种合理可靠的超前卸压带宽度模拟模型,结合工作面前方煤体的超前卸压效应理论,以现场实测试验数据为基准,应用COMSOL Multiphysics软件进行煤岩体开挖模拟,首次将开挖高度定为工作面煤层釆高和冒落带高度之和,得出现场测试和数值模拟超前卸压带的宽度分别为18.26 m和15 m,二者结果基本一致并得到了相互验证,且分析了二者产生差异性的原因。该模拟结果可应用于相关现场指导,解决现场实测费时费力的问题。

沸石交换柱内流体流动特性模拟

借助计算机软件模拟技术对流体在沸石交换柱内的流动特性进行研究,考察不同因素对流速径向分布的影响.多孔介质在沸石交换柱内的随机排列使得近壁处出现壁效应从而引起流速径向分布的变化.随着海水进口流速的增大,交换柱内的流体径向流速分布越宽,近壁处流速分布曲线震荡幅度越大,在无滑动柱壁上,流速会突然降为0.颗粒直径越大,床层空隙率最小值出现的位置距离壁面越远,颗粒在近壁处的排列越混乱,流速的波动距离越小,波动幅度随粒径的增大而增大.以Cl-离子为示踪剂对沸石交换柱内的流体流动的相关实验结果表明,模拟结果与实验结果基本一致.