COMSOL中挠曲电圆筒的力电耦合行为分析

针对目前商业有限元软件中缺少挠曲电模块且有限元自主编程数值模拟挠曲电问题的复杂性问题,提出在COMSOL软件中的偏微分方程模块(PDE模块),对考虑挠曲电效应的力电耦合问题直接进行数值模拟的方法.首先,通过数值计算固定边界位移的挠曲电圆筒,验证有限元数值计算方法的正确性.接着,研究挠曲电系数和不同材料梯度指数对圆筒力电耦合的影响.数值结果表明:在微米尺度下,增大挠曲电系数对径向位移的影响很小,但是对圆筒内部的电势和电位移分布影响很大.增大材料梯度指数对挠曲电圆筒内部力电耦合影响非常明显,圆筒内部径向位移相对边界处变化范围逐渐减小,圆筒内部电势呈现负值逐渐减小后转为正数的趋势,而圆筒内部电位移值负值逐渐增大.本工作可以为挠曲电效应数值计算及挠曲电结构设计提供帮助.

基于COMSOL的夜间通风阶段围护结构热湿耦合特性分析

以温度和相对湿度为驱动势,建立夜间通风气流作用下围护结构的热湿耦合模型。选取上海作为夏热冬冷地区典型城市,利用COMSOL软件对适宜通风降温的典型气象日夜间通风阶段围护结构的热湿耦合特性进行分析。结果表明,湿传递对夜间通风过程中墙体内部的温度分布几乎无影响,对通风气流作用侧墙体的湿度影响较大;夜间通风气流与墙体内表面的热湿交换对靠近外表面的墙体区域的温度分布影响较小。随着时间的推移,通风气流与墙体内壁间热湿交换的驱动力越来越小,蓄冷效果越来越差。

基于COMSOL的地下水封油库围岩流固耦合特征模拟研究

地下水封油库通常建造于完整性好的结晶岩体内部,利用"隙存水封"的原理将油气封闭于地下洞室内部,洞库围岩在施工及运营期间具有典型的流固耦合特征。论文基于裂隙岩体流固耦合理论,采用COMSOL Multiphysics软件对洞库围岩不同工况下流固耦合特征进行了模拟研究。研究结果表明:地下洞库在不设置人工水幕情况下,开挖后洞室顶部地下水位明显下降,并形成降落漏斗,可能导致洞室油气外溢;设置人工水幕后,洞室顶部地下水位下降趋势得到明显控制,有效确保了水封的可靠性;在设置水幕的情况下,洞室直墙及洞室拱顶与底板角点处出现明显的应力集中,但围岩仍未出现连贯塑性区,洞室最大位移不超过5mm,洞室围岩稳定性良好。分析成果对于指导洞库优化设计及施工具有一定的参考价值。

一种横向耦合改进型结构极窄带声表面波滤波器研究

该文采用波导法分析了横向耦合极窄带声表面波滤波器速度变化模式,并用多物理场COMSOL软件对横向耦合声表面波滤波器的中心耦合条结构和耦合距离的变化建模进行计算,并分析频响特性。采用石英晶体作为底衬,设计了频率为898.144 MHz,插入损耗约为6 dB的极窄带声表面波滤波器并进行验证。结果表明,中心耦合条开腔结构的声表面波滤波器的相对带宽达到7.2‰,与不开腔结构5.2‰相对带宽相比,提升了2‰。这说明横向耦合声表面波滤波器的中心耦合条结构变化,能改变极窄带声表面波滤波器的相对带宽。

无线充电式分拣机器人的磁耦合机构设计

针对传统物流行业分拣物品效率低,存在一定安全隐患等问题,提出了一种直线型Halbach阵列线圈结构,并对其进行了结构优化,设计出一种Halbach阵列线圈,并将其应用于无线充电式分拣机器人系统。该线圈能有效提高线圈间的电能传输效率。首先,建立了无线电能传输(WPT)磁耦合机构数学的模型,分析了传输效率与接收端线圈接收的磁感应强度、磁通量以及电压的关系;然后,通过COMSOL有限元仿真软件搭建了不同的磁耦合线圈结构模型,比较分析了磁耦合线圈结构的改变对线圈参数的影响;最后,搭建了系统试验平台,对磁耦合机构的优化方案进行了验证。试验结果表明:所设计的Halbach阵列线圈结构传输效率更高,更适合对分拣器机人进行无线充电。

多因素耦合作用下缓冲材料对铀的长期阻滞效应数值模拟

近场环境条件下核素在缓冲材料中的迁移扩散受控于温度场、渗流场、膨胀应力场和化学吸附场的耦合作用,其对核素的阻滞特性将影响到核素随地下水向处置库围岩迁移并返回生物圈的能力,开展多因素耦合作用下缓冲材料对铀的长期阻滞效应研究,对地质处置库的长期安全性评价具有重要的意义。本研究基于混合物理论、连续介质理论、质量守恒、动量守恒、能量守恒及溶质扩散的Fick定律,推导出饱和缓冲材料中核素迁移扩散的热-水-力-化耦合控制方程,并借助于COMSOL Multiphysics软件的直接全耦合求解优势,以自主研制的缓冲材料长期阻滞性能Mock-up实验装置为几何模型,采用内置接口和添加热-水-力-化耦合控制方程中的耦合项作为源项相结合方式,实现了多物理场耦合作用下铀在饱和缓冲材料中迁移扩散行为的直接耦合分析,其长期阻滞特性数值模拟结果表明:初期阶段铀在缓冲材料中迁移扩散较缓慢,迁移距离随时间增幅在1 m左右;中后期阶段,随缓冲材料对铀的吸附容量逐渐趋于饱和后,其迁移距离较初期阶段增加更为明显,迁移距离随时间增幅为3 m左右。多因素耦合下核素在饱和缓冲材料中迁移扩散的热-水-力-化耦合控制方程构建、求解及长期阻滞性能模拟研究的方法,能够为我国高放废物深地质处置库地下实验室开展1∶1工程尺度的工程屏障设计与安全性能评价提供技术参考。

寒区隧道围岩水热耦合数值分析

寒区隧道土体中的水分迁移和相变是冻害问题的主要诱因.基于混合物理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的联合求解微分方程对水热耦合问题进行求解,并使用COMSOL Multi-physics软件进行模块开发,实现渗流-温度耦合数值模拟,进而将模拟结果与土柱冻结实验的结果进行对比,证明水热耦合模型是正确的.最后以西藏自治区米林隧道为例,对温度场、水分场模拟分析并对是否考虑水分迁移的温度场进行对比.结果表明:随着时间的增加,隧道顶部边界气温由-0.82℃降低到-9℃,隧道内部边界温度由-0.74℃降低到-11.11℃,并在3月份隧道温度回升;含冰量峰值出现在1月份,在3月份含冰量开始下降.同时,未考虑水分迁移的温度场中热传导速度较快,证明相变潜热对隧道中温度场的分布影响远大于液态水靠重力迁移造成的热对流传热.研究成果直观反映富水寒区隧道的冻害发生过程,具有一定的参考价值.

溶液属性对电流体动力学喷印的影响研究

为研究电流体电喷印中流体动力黏度、表面张力及电压等参数对喷印过程的影响,在前人对电流体动力学理论分析的基础上以质量分数为10%~20%的聚氧化乙烯为模拟材料,采用多物理场耦合软件COMSOL构建电流体动力学数学模型进行仿真验证。在电场力、液体内部黏性力和表面张力的作用下泰勒锥保持平衡,当电场力大于液体表面张力和黏性力时,液体破碎喷印形成锥射流。液体表面张力和动力黏度越大,喷印所需电场力就越大,相应时间锥射流的形成也就越慢。

急倾斜薄煤层采空区煤自燃和瓦斯爆炸危险区域分布特征

为提高急倾斜煤层伪斜开采条件下瓦斯与煤自燃综合防治效果,基于煤自燃"三带"划分标准和瓦斯爆炸三角形,建立采空区自燃"三带"分布的数学模型,利用COMSOL Multiphysics 5.2模拟软件,对东林煤矿3409工作面采空区孔隙率、气体浓度、温度等参数进行模拟分析。结果表明:采空区上部孔隙率较大,下部除回风巷道边缘处较大外,其他区域孔隙率相对较低;氧气浓度结合漏风速度共同划分氧化带范围为:在进风侧氧化带宽23.2 m,在回风侧宽37.6 m,高温区域主要集中在回风侧、采空区的下部距离工作面较近区域;采空区上部瓦斯浓度相对较低,下部瓦斯浓度相对较高;瓦斯爆炸危险区域为中间工作面支架处区域范围为爆炸危险区域。

热激活蓄能墙体流热耦合特性动态分析及优化

以热激活蓄能墙体的管道敷设方式、管间距、入口流速及管道敷设面积为研究对象,采用COM SOL软件研究了热激活蓄能墙体在应用于上海地区时的流热耦合特性,并从建筑的舒适度和系统的节能性两个角度出发,对以上参数进行优化分析。提出了上述参数对蓄能墙体传热影响的规律,为系统的实际应用提供了理论基础。

不同介质下油水两相流含水率测量模型构建与仿真

利用comsol多物理场仿真软件,对感应式磁声耦合技术构建含水率测量模型,并且进行仿真分析。研究根据不同介质溶液电导率的不同,分析不同介质溶液在磁场中产生对应的感应电流以及洛伦兹力的大小不同。模型中选择的线圈材质、激励信号频率、幅值等不变的条件下,仿真结果证明不同介质溶液在磁场中产生的感应电流和洛伦兹力的大小与该溶液的电导率大小成正比,此结果与理论推导一致。根据纯油/油水混合物/纯水三种不同介质的电导率和含水率成正比,为后续根据溶液在磁场中激发的感应电流和洛伦兹力的大小推断油水两相流电导率的大小以以及含水率多少提供依据。

Distributed parametric modeling and simulation of light polarization states using magneto-optical sensing based on the Faraday effect

To solve the problems encountered in practical processes of magneto-optical sensing, the infinitesimal distributed-parameter model and finite-element accumulation of different dielectric properties of micromaterials were used to describe the evolution of light polarization states, instead of the previously commonly used method of lumped-parameter simulation, thus essentially explaining the mechanism of sensing, magneto-optical effects, and related factors, and achieving multiphysics coupling using the COMSOL finite-element analysis method. Considering the cases of the Faraday effect without and with line birefringence, the magneto-optical effect and output characteristics of an infinitesimal magneto-optical sensor were simulated and studied. The results verified the effectiveness of the infinitesimal sensor model. Because the magnetic field, stress, and temperature changes alter the dielectric properties of magneto-optical materials, the finite-element accumulation method lays a good foundation for research on theoretical analysis and performance of magneto-optical sensors affected by factors such as the magnetic field, temperature, and stress.