使用 COMSOL® 模拟多孔介质的声学特性
2021年 1月 14日
今天的客座博主 Kirill Horoshenkov（FREng）是来自英国谢菲尔德大学（University of Sheffield，UK）的声学教授，他讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件和声学模块对多孔介质的声学特性进行建模。 多孔介质的声学特性主要表现在它对入射声波具有极强的吸收和修改能力，入射声波可以与填充材料孔隙的流体相互作用。黏性摩擦、惯性和热耗散效应是造成刚性结构多孔介质声学特性的原因。这些效应由材料的孔隙率和孔隙结构的其他参数控制。尽管对于大多数实际工程问题而言，多孔材料的声学特性并不是直接影响的关键的问题，但是声学特性、孔隙率和结构形态之间的关系却非常重要。 在与能量存储相关的应用中，测量陶瓷隔板的孔隙率和曲折率非常重要，它们控制着多孔隔板吸收的电解质及其导电能力；在与过滤操作相关的应用中，通过定期测量与上述相似的特性，可以确定在有流体流动的情况下膜的渗透性；在制药应用中，通常需要测量平均粒度和压实度，粒度分布以及颗粒混合物吸收的水分量。在化学和化学工程应用中，重要的是要了解材料的内部孔隙表面积，这些表面通过输送催化剂来控制化学反应并将有毒物质转化为化学惰性键。在噪声控制应用中，令人感兴趣的则是预估多孔层吸收声音的能力。 6 参数 Johnson–Champoux–Allard–Lafarge 模型 COMSOL Multiphysics 软件包含一系列可以预测多孔介质声学特性的模型。在以往的应用中，声学模块提供的多孔介质声学功能（图1），使用了其中包含的Johnson-Champoux-Allard-Lafarge（JCAL）模型来进行预测，其结果被广泛引用（截至 2020 年 11 月 15 日，已有超过 2000 多个 Scopus 文摘和引文数据库引用）。 JCAL 模型最初于 1991 年被提出（参考文献1）。它需要 6 个非声学参数来预测材料孔隙中流体复杂的、随频率变化的动态密度： (1) \rho(\omega)=\frac{\rhof \alpha\infty}{\epsilonp} \left[ 1+\frac{\sigma \epsilonp}{i \alpha\infty \rhof \omega} \left( 1+\frac{4i \alpha ^{2}\infty \mu \rhof \omega}{\sigma^2 \Lambda^2 \epsilon^{2}{p}}\right)^{1/2} \right] 及其动态可压缩性 (2) C(\omega) = \frac{\epsilonp}{\gamma P0} \left[\gamma – \frac{\gamma-1}{1-\frac{i \sigma’ \epsilonp}{\rhof \alpha\infty N\textrm{Pr} \omega} \left(1+\frac{4i \alpha^{2}{\infty}\mu \rhof N\textrm{Pr}\omega}{(\sigma’ \Lambda’ \epsilon_p)^2}\right)^{1/2}} \right] 图1 多孔介质声学接口的设置窗口的屏幕截图，显示了 JCAL 模型的 6 个原始参数的设置。 在COMSOL文档和由Matelys […]
