COMSOL 4.3b Multiphysics Software - Release Highlights

发布日期:2013 年 5 月 3 日


革命性的分析工具进一步拓展了 COMSOL Multiphysics® 的仿真平台。五个新增模块在多物理场仿真领域开辟出新的天地。 请观看关于 COMSOL Multiphysics 4.3b 的网络技术讲座。

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COMSOL V4.3b 主要更新

新增专业模块返回页首

多体动力学模块

多体动力学模块提供了一系列功能强大的工具,利用有限元法高效完成对复杂多体结构的力学分析和优化设计工作。作为结构力学模块的附加模块,多体动力学模块用于仿真刚体和柔性体的混合系统,其中的刚体或者柔性体可以发生大的平移或者旋转位移。

多体动力学模块提供了八种不同的联接形式供用户选择,以精确描述装配体之间的配合。用户可以指定平移、旋转约束或者锁定关系等,以限制多体之间的相对运动。多体动力学模块提供以下联接形式:

  • 棱柱联接 (3D, 2D)
  • 铰接 (3D, 2D)
  • 柱联接 (3D)
  • 螺纹联接 (3D)
  • 平面联接 (3D)
  • 球形联接 (3D)
  • 槽联接 (3D)
  • 约化狭槽联接 (3D, 2D)

多体动力学模块支持瞬态、静态、频域和特征频率分析。多体系统中的所有结构缺省设置为柔性体,具有弹性特征。用户可以选择将一些或全部结构规定为刚体域。柔性体的部分或全部边界也可以设置为刚性。与非线性力学模块或者岩土力学模块配合,用户还可以定义各种非线性的弹性属性,用于多体结构的设计和分析。

用户可以在联接上规定力或者力矩,也可以规定联接随时间运动。用户还可以在联接处定义带阻尼的扭转弹簧等。基于这些功能,用户可以进行如下分析和后处理:

  • 两个部件之间的速度、相对位移和旋转分析
  • 联接力矩和反作用力
  • 局部或者全局的参考坐标系
  • 与疲劳模块结合,进行疲劳分析: Fatigue Module

波动光学模块

波动光学模块可用于分析电磁波在非线性或者线性光学介质中的传播,对于精密器件设计和模拟非常有用。该模块中突破性使用了束包络法 (Beam Envelopes Method)全波求解电磁波的传播。与大家熟知的传统束传播法(BPM)不同,束包络法是对麦克斯韦方程的直接离散,并不含有任何假设或者简化。它将电场整理成一个慢变的振幅包络函数和一个快变的相位函数的乘积,而不采用诸如慢变近似之类的假设。波动光学模块可以精准求解尺寸远大于波长的光学结构中的电磁场分布,而不引入任何假设或者近似,这一点几何光学中的光束跟踪方法无法实现。波动光学模块除了束包络法之外,也包含传统的全波求解功能,用于精准分析尺寸与波长接近的光学结构中的电磁场。

波动光学模块支持多种二维和三维的求解类型,比如频域分析、特征频率分析、瞬态电磁场分析等。该模块可用于分析光波(电磁波)在人工超材料(metamaterial)、旋磁材料(gyromagnetic material)等介质中的传播,因为模块内置了对磁导率、透电率和一般各向异性折射率张量的支持。

波动光学模块中其它的重要功能还包括:端口和散射边界条件、可处理高阶衍射模式的Floquet 周期性边界、S参数计算、空间不均匀的复折射率分布,完美匹配层等常用功能,并提供了一系列先进求解器。借助于此模块,用户可以方便的完成光纤、双向耦合器、光学传感器、表面等离子激元器件、人工材料、激光束传播和光子学中的非线性光学过程等仿真分析工作。

分子流模块

分子流模块专门用来处理一类低压气体系统的设计和仿真分析。在这些系统中,流体不再满足连续介质力学假设,因此不能用常规的 CFD 方法来分析。随着气体分子的平均自由程与流体的特征尺寸相当时,分子动力学特性变得非常重要。我们一般使用 Kn 数(Knudsen number)来描述气体分子平均自由程和流体特征尺寸的关系。根据Kn 数值的大小,流体流动形态可分为四种:

  • 连续流动 (Kn < 0.01)
  • 滑动流 (0.01 < Kn < 0.1)
  • 过渡流 (0.1 < Kn < 10)
  • 自由分子流 (Kn > 10)

此模型展示了如何对低压情况下真空腔中水分子的吸附和解吸附过程进行瞬态模拟。水气是随着真空阀门的打开而进入系统的,仿真分析了水气进入后的流动和吸附行为。

分子流模块可用于处理过渡流和自由分子流动,连续流和滑移流分析的功能由微流模块提供。

分子流模块中提供了一种求解相当快速而准确的角系数方法,来处理稳态下的自由分子流动。由于Kn数相当大,因此不需要考虑分子间的碰撞,只考虑分子和流体壁的碰撞,只有几何的表面需要使用网格来离散化。过渡流则是用离散速度法来分析。分子流模块支持等温和非等温分子流分析功能,可以计算来自气体分子的热流通量作用。

分子流模块中的吸附/解吸附以及沉积的功能,可用于设计和优化真空腔的降压过程,以及薄膜生长的过程。用户可以后处理过程中统计在建模域内的计数密度,比如可以沿着一束离子束的轨迹估计其计数密度。因此分子流模块很适合于诸如质谱仪、半导体加工、卫星技术、粒子加速器等真空系统的设计和仿真,也适用于如页岩气开采和纳米多孔材料中的流动分析。

半导体模块

半导体模块界面友好,支持对半导体器件的基本物理原理进行仿真分析。带电载流子输运方程构成了该模块的基础,可用于等温或非等温扩散情况下求解载流子的漂移和扩散过程。半导体模块提供两种数值方法供用户选择:匹配了伽辽金最小二乘稳定技术的有限元法,以及匹配了 Scharfetter-Gummel 迎风补偿的有限体积法。

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应管)是目前最常见的一种半导体器件,常见于商用CPU、存储器和各种数字集成电路中。过去几十年内这种器件的发展迅猛,今天其尺寸已到90 nm以下。本模型使用半导体模块分析了MOS管的直流特性。在正常操作中,在门电极上施加电压,MOS管就会打开。漏极电压增加,漏极电流也增大直到达到饱和。饱和电流的大小依赖于门电压的高低。本模型包含有一个二微的参数化扫描,给出了不同门电压情况下,不同漏极电压下的漏极电流,这种MOS管的直流电特性分析常被称作漏图样(drain diagram)。

半导体模块有专门的功能来描述半导体材料和绝缘材料,所提供的边界条件涵盖了欧姆接触、肖特基(Schottky)接触、控制门等。除此之外,该模块也提供了增强的静电场分析功能,同时支持 SPICE网表导入,从而可以在器件层面上完成场路耦合的系统级仿真分析工作。

案例库提供了多个实用的模型,并配有详细的建模指导文档,方便用户快速上手。半导体模块常用于诸如PN结、双极性晶体管、金属氧化物场效应管 (MOSFET)、金属半导体场效应管 (MESFET)、晶闸管、肖特基二极管等器件的仿真分析。

电化学模块

通过精准并且高效的仿真模拟,电化学模块可以大大增强用户对电化学系统的理解、设计和优化能力,强化工作流程。在比如电解、电镀、电渗析、电化学传感、生物电化学等领域中,电化学模块可以提供有关电化学反应动力学、电流密度分布、物质和离子浓度传递等重要参数的仿真分析功能,是电化学相关的科研工作者或者化学工程师最理想的设计与验证工具。

电化学模块针对常用的诸如库仑法、电位法、伏安法、安培法、电化学阻抗谱分析法等都提供直观的专用界面。用户可以方便的使用仿真技术,完成一系列参数标定工作,比如交换电流的计算、过电势激活等。

电化学模块提供一次电流分布、二次电流分布、三次电流分布(使用Butler-Volmer方程和Nernst-Planck方程)接口,用于描述各种电化学系统。与表面反应或者体化学反应的接口、稀物质传递或者多孔介质物质传递的接口、自由和多孔介质流动的接口、电流接口以及传热接口联合使用,电化学模块能够很广的覆盖各种包含电化学反应的应用情况。比如pH检测、葡萄糖检测、气体传感器设计、氯碱电解槽、铝电解槽、电解氢氧制备、海水去盐淡化、废电解液处理,以及生物工程和生物医学中的生物电化学系统分析等等。

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网格和几何建模

从3D CAD 几何结构中直接提取 2D 截面仿真

现在用户可以对 3D CAD 模型横截面上的 2D 进行快速的假设分析。使用工作平面来切割 3D 模型,获得的横截面即可用于一个独立的 2D 模型进行仿真分析。这特别方便用户在开始计算一个耗时长久的真实 3D 模型之前,先选取一个或多个截面,用 2D 仿真快速评估一下设计效果。这样的步骤有助于加深对模型的理解,确定主要参数的变化趋势,对求解器进行精细调整,以辅助最终的 3D 分析。

横截面功能的优点很多,比如,它能降低对轴对称几何仿真的计算量:在一个旋转对称的 3D 几何结构中,使用工作面剖分出其横截面,用于2D轴对称建模。与此操作相关的是另一个新的特征,软件会自动移除柱坐标系的半径轴上数值为负的几何,不对它们进行网格剖分和计算。其它的优点,比如,用户从 CAD 软件中导入一个3D几何,该几何是从一个2D几何拉伸或者旋转而来。使用提取横截面的功能,就可在 COMSOL 中重新获得这个 2D 的平面几何体。

扫略网格更加智能

扫掠网格的剖分算法现在可以更加智能的分析几何模型,让用户尽可能不用指定扫掠的源面和目标面,使剖分过程更加自动化。某些特定类型的几何模型,在其扫掠网格的创建过程中,将完全不再需要人工干预。

在工作面中展示交界线

当用户在工作面中绘制几何的时候,该工作面与所有 3D 几何的相交线用蓝色标示。在 4.3a 版本中,用户仅能看到 3D 实体中的边在工作面上的投影或位于工作面上的 3D 边,而不显示与工作面的相交线。

几何体数量信息显示

几何建模流程的最后一步是形成组合体或者装配体,当用户进行到这一步操作时,软件会自动统计几何体的数量,显示在消息窗口中。用户可以根据此信息确认几何建模的正确,比如一旦有误操作造成两个本该相邻的几何体中间出现了狭长小区域的时候,用户就会发现几何体的数目有异常。

在几何建模流程中添加选择集合并命名

用户可以在几何建模的流程中,添加选择集合。对选择集合的定义可通过:显式定义(手动逐个选取)、球状框选、箱式框选、圆柱框选、合集、交集、差集、补集、相邻等。用户可以针对求解域、边界、边、点等任何几何体进行这些操作和定义,也可以给定义的几何选择集合命名。这个功能很有用,比如想删除多个几何特征,可以先定义一个包含这些特征的选择集合,再进行批量删除。再比如有多条边,首尾相连组成闭合的圈,用户只需要选中其中一条边,然后使用切向连续选择,就可以创建一个包含圈上所有边的选择集合,然后进行端盖面操作。这些选择集也可以用在物理建模设定、网格剖分、定义选择等等。在存在较大的拓扑变化时,对于在参数扫掠中所使用的选择,几何选择功能可以提供强大的关联映射技术。

新增虚拟几何操作:合并边和塌缩面

“塌缩面”操作,用于把某些小面塌缩成一个点,或者把一些狭长面塌缩成一条或者多条边。默认情况下,该操作会忽略塌缩后产生的点或者边,其内置的启发式算法会自动判断如何将用户选择的面进行合理的塌缩。如果不能执行合理塌缩,就会报错“塌缩面操作方法失败。请尝试合并边或者塌缩边操作”。这时,如果用户希望把面塌缩成边,就选择合并边操作;如果用户希望把面塌缩成点,就选择塌缩边操作。

塌缩面

“塌缩面”操作,用于把某些小面塌缩成一个点,或者把一些狭长面塌缩成一条或者多条边。默认情况下,该操作会忽略塌缩后产生的点或者边,其内置的启发式算法会自动判断如何将用户选择的面进行合理的塌缩。如果不能执行合理塌缩,就会报错“塌缩面操作方法失败。请尝试合并边或者塌缩边操作”。这时,如果用户希望把面塌缩成边,就选择合并边操作;如果用户希望把面塌缩成点,就选择塌缩边操作。

合并边

当进行合并边操作时,用户可以手动指定在塌缩面时希望保留哪些边、希望移除哪些边。选定要保留或移除的边必须在同一面当进行合并边操作时,用户可以指定在对面进行塌缩操作时,具体希望保留和移除哪些边。指定的要保留或移除的边必须在同一个面上。如果有很短的边,软件将自动把短边移除,保留较长的边。上。如果用户不手动选择,软件则自动把较短的边移除,保留较长的边。

实体、表面等等的新增几何操作

新增了一个几何布尔运算,分区。用户可以使用一个或者多个工具对象,对目标几何体进行分区。比如,用户可以使用工作面或者实体面在实体内部创建一个边界面。此外,所有的布尔运算,合集、交集、差集、组合以及分区,都支持全部的几何体种类,包括实体、表面、边、点。比如说用户想要对一个表面进行修剪,既可以用一个几何实体与该表面做交集,也可以用一个部分重合表面与该表面做差集。

从一个较大的表面减去一个小的重叠表面。

扫掠、边界层和映射剖分算法的连续网格剖分功能

连续网格剖分是指当网格剖分遇到错误时,剖分算法不停止,而是继续剖分其他区域。到剖分完成后,返回网格结果和有问题的节点信息。这样做可以帮助用户更明确的定位网格剖分失败的位置和原因,以便用户采取针对性的措施解决问题。

网格导入:圆柱框选、最小边界分区、2D NASTRAN 导入

  • 新增了圆柱框选网格工具,和原有的球框选、箱式框选和逻辑表达式框选网格一起可供选用。用户可以利用圆柱的坐标将网格分割成不同单元集。
  • 导入网格新增了一个最小边界分区的选项。当使用这个选项从文件导入网格的时候,软件不会在边界上新增任何分区,严格遵循原文件的设定,以及 COMSOL 中针对几何边界的拓扑判据。
  • 支持导入 2D 的NASTRAN 文件,该 2D 平面网格默认位于 xy 平面,其z 坐标可由用户任意设置。

后处理

等值面 STL 输出

用户现在可以把 3D 实体、表面、切面、多切片、等值面或者远场绘图全部用三角形表面网格的形式导出成 STL 文件。这个生成的 STL 文件只是一个表面网格文件,不是真正的 CAD 格式文件,所以无法被一些专业的 CAD 软件识别以生成 3D 实体。当然,此表面网格文件也可以直接用于 COMSOL 的壳分析(而非实体分析)。

由等值面绘图导出的 STL 表面网格。

新增的图片导出相关功能

除了原先支持的 BMP、JPEG、PNG 格式外,现在还可以导出 TIFF 和 GIF 格式的图片。此外,导出 JPEG 图片的时候,图片质量的控制界面做了更新,用户可以设置图片压缩率。

1D 绘图支持颜色表达式

在此前的版本中,只有 2D 和 3D 绘图才支持颜色表达式,现在 1D 绘图也支持此功能。用户在线图、点图、全局变量图中都可以使用颜色表达式。这样可在同一 1D 绘图中同时实现两个数量的可视化。

图示是一个甲烷压缩点火的化学反应动力学模型。y 轴有两条,一个代表压力,另一个是用颜色来表示的反应副产物(甲醛)的克分子分数。

线图中的反转弧长坐标

反转弧长可以作为线图中的 x 轴参数。这样就可以更加方便为带有多个曲线段的圆形轨迹和曲线, 生成具有一致弧长方向的 1D 绘图。

求解类型和求解器

敏感性分析类型

新增了用于进行多种敏感性分析的求解类型。用户可以指定模型中的多个参数作为灵敏度变量,算法自动分析这些变量与仿真输出结果之间的关系。举个例子,在一个结构力学仿真中,用户可以使用灵敏度分析来预测几何结构的参数变化到底会给整体刚度带来何种影响。

当参数仅用在 COMSOL Multiphysics 接受的包含因变量的表达式中,如果模型已经参数化,则该功能将极为方便。几何尺寸的灵敏度可通过变形几何用户接口来处理。该操作还可以用于确定后加工错误对机械部件操作的影响,因为在最初的参数化丢失的情况下,变形几何操作可以用于原始的 CAD 模型。灵敏度分析有两种迭代算法:前向迭代和毗邻迭代。

敏 感 性 分 析 被 用 来 预 测 改 变 通 讯 天 线 部 件 的 一 些 几 何 参 数 在 其 总 体 刚 性 上 有 什 么 效 果 。本教程在 COMSOL Multiphysics 案例库中提供。

停止条件更新

停止条件用来中止瞬态计算,本次有许多重要的功能更新。

多重停止条件表达式并支持布尔运算

停止条件现在可以定义一个列表,内含多条停止条件;每个停止条件可以按照条件假 (<0) 或者条件真 (>=1) 来触发停止,而且条件的编写可以支持布尔逻辑运算。此外,可以输入用户定义的描述,作为在停止发生时对求解器日志的输出内容。

事件触发停止

在瞬态分析中,停止条件现在支持在隐式事件中触发停止。模型的所有隐式事件都显式在该表中,用户可以从中选择要触发停止的事件。

停止后输出数据

用户可以设置,软件在停止的前一个求解步或者后一个求解步,把求解结果输出。对于事件停止,这表示在重新初始化之前和之后进行。

事件触发前后存储数据

在瞬态求解器的输出设置中,用户可以选择让求解器在事件发生前后存储求解结果(无论设为停止与否)。

日志窗口中提供内存信息

求解完成后,日志窗口将显示在求解过程中物理内存和虚拟内存的最大占用量。

保存中间参数值下的求解

现在用户可以指定在参数化扫描过程中,在中间参数值下将解保存到文件的路径。对于“保留解到内存”设置,选择“只有最后一个”,然后将显示用于输入文件名的文本字段。

用于物理场和变量选择的切换到源功能

在物理场和变量的树视图中,新增了一个“切换到源”按钮,用户可单击以移动至模型树中相应的节点,在图形界面中也会显示此节点中选中的相应求解域。

COMSOL Multiphysics

专用于弯曲几何形状的坐标系

新版本中新增了一个自动创建坐标系的工具,对于弯曲几何形状,这种坐标更容易定义诸如各向异性的材料属性这种与几何信息相关度交大的物理量。弯曲坐标系创建可由用户从三种计算坐标系情况中任选组合:扩散型、弹性型、流动型。不同的工程领域对这种局部的坐标系的要求也不一样,用户可自行灵活设置以满足要求,因为没有任何一种唯一的定义可以用于按形状的坐标系。新增的曲线坐标系功能非常有用,适用于任何类型的物理场,比如传热问题中各向异性的热导率材料属性、结构力学分析中正交编织的弹性纤维材料、电磁分析中各向异性的介质属性等等,都需要借助此坐标系来定义。

文档更新

《COMSOL Multiphysics 参考手册》用于取代之前的《COMSOL Multiphysics 用户指南》和《COMSOL Multiphysics 参考指南》,并作为唯一的综合性资源来记录 COMSOL Multiphysics 的强大功能。

《COMSOL 安装指南》用于取代之前的《COMSOL 安装与操作指南》和《COMSOL 快速安装指南》,更加注重于 COMSOL 软件的安装方法。有关 COMSOL 的命令及其一般操作的信息,现在可从《COMSOL Multiphysics 参考手册》中获得。

文件锁定

在 4.3b 版本中,每次只能有一位用户打开并编辑 MPH 文件。如果有其他 COMSOL Desktop 用户此时也打开了这个文件,软件会提示用户仅能以只读方式打开。在只读模式下,用户可以修改模型设定,进行正常操作,但是不能保存,除非换另一个文件名进行保存。在 MPH 文件锁定后,COMSOL 将创建与该 MPH 文件同名、单独的锁定文件,并使用扩展名 .lock,与锁定的 MPH 文件保存在同一目录下。如果在所有 COMSOL Desktop 会话结束后仍然存在锁定文件,则用户可以在打开该文件后,单击“重置锁定”和“打开”以重置锁定。

曲率变量

这是一组在边界上计算主曲率以及主曲率方向的变量。用户可以使用这些变量用于后处理或者是模型设定中的材料属性或者边界条件等等用途。可以实现众多的应用,变量支持所有与曲率相关性有关的物理接口。

新增单位

新增了三个单位以便于建模操作:

  • 对于力,引入了千克力,在 COMSOL 中的单位是 *kp* 或 *kpf*
  • 对于压力,引入了水柱英寸数,在 COMSOL 中的单位是 *inAq* 和 *inH2O*
  • 对于动态粘度,引入了泊,在 COMSOL 中的单位是 *P*。可以将 *cP* 用于厘泊,以及其他标准前缀。

CAD 导入模块和 CAD 的同步链接产品*

CAD Import Module

新版本中CAD 导入模块中,几何导出文件格式新增 ACIS 文件格式(.sat 或 .sab)。

更新了文件导入功能,以支持几款主流 CAD 软件最新版本的几何文件导入

  • SolidWorks(R) 2013
  • Autodesk Inventor(R) 2013
  • Creo(TM) Parametric 2.0

LiveLink™ for SolidWorks®

在新版本中,与 SolidWorks® 的同步链接支持 SolidWorks 中的材料选择集。COMSOL 可以识别原 SolidWorks 中的材料选择集,据此重建各个求解域的选择集,并以 SolidWorks 中的材料名称为这些求解域选择集命名。在建立模型时,这些选择集可以用于几何求解域的选择,或模型定义、物理或材料设置等等。COMSOL 模型树中的 LiveLink 节点包含具有一系列同步选择集的列表。

LiveLink™ for Solid Edge®

在Solid Edge® 软件中新增了一个对话框,使得用户可以自由选择需要与 COMSOL 进行同步的参数。同步之后,Solid Edge 中的这些参数就会也在 COMSOL 中生效,便于用户直接进行参数扫描计算分析。这些参数会显示在 LiveLink 功能节点设置窗口的表单中,用户无需在 Solid Edge 几何中重新手动输入这些参数。因此,在使用 LiveLink™ for Solid Edge® 时,可以更快的设置几何参数扫描计算或优化计算。

LiveLink™ for Inventor®: 统一窗口调用

COMSOL 与 Autodesk 更加深入的合作,拓展了 LiveLink™ for Inventor® 的功能,为用户带来了最新的统一窗口。用户可以在 Autodesk Inventor 的界面下直接调用 COMSOL 进行多物理场分析,而无需打开 COMSOL 界面。COMSOL 的所有建模工具现在都可在 Inventor 的用户界面中使用,而几何的任何更改都可在两种软件之间同步更新。

LiveLink™ for SpaceClaim®

使用 LiveLink™ for SpaceClaim® 时,现在用户可以更加快速、方便的设置几何参数扫描或优化。用户在 SpaceClaim 中设置的参数可以自动同步到 COMSOL 的参数列表当中,因此用户可以直接使用这些参数进行仿真优化和参数扫描,不再需要手动输入这些参数定义。

LiveLink™ for Excel®

多文件调用、Excel® 2013、插值函数,以及数表

  • 用户可以在 Excel® 中打开多个 COMSOL 模型,每个工作簿对应一个模型。
  • 使用 Excel 功能区中的“打开”按钮打开 COMSOL 模型时,支持文件锁定功能;如果用户尝试打开一个已经打开的文件,则只能以只读方式打开。
  • 除了支持 Excel 2007 和 Excel 2010 外(仅限 Windows 系统),4.3b 的 Desktop 版本还支持 Excel 2013。
  • Excel 文件数据现在可用于 COMSOL 的插值函数。
  • COMSOL 的数表 (Table) 可以直接导出成 Excel 格式。

从 Excel® 将材料导出至 COMSOL

利用 Excel® 整理的材料性能数据现在可以方便的导入 COMSOL 中的材料浏览器,并保存在用户自定义的材料库中。材料导出设置允许用户指定材料名称以及要包含在库中的材料属性数据。用户还可以将材料添加到现有的库中。

LiveLink™ for MATLAB®

MATLAB 同步链接模块新增了三个函数:mphsolution、mphtable,以及 mphparticle。

  • mphsolution 函数可以用于提取不同内部或者外部参数对应的数值解。
  • 现在可以在 MATLAB® 命令行中使用 mphtable 函数来调用 COMSOL 模型所含表中各列和标题行中的数据。
  • MATLAB同步链接模块与粒子追踪模块一起使用,用户可以进一步获得粒子轨迹上的更多信息,例如粒子位置、粒子速度,或者用户自定义的表达式。新增的 mphparticle 函数支持粒子追踪模块创建的粒子数据集。

免责声明

COMSOL、COMSOL Multiphysics、Capture the Concept、COMSOL Desktop 和 LiveLink 是 COMSOL AB 的注册商标或商标。所有其他商标均属其各自所有者所有,并且 COSMOL 及其子公司和产品并不从属于这些商标的所有者、受其认可、接受其赞助,或获得其支持。有关此类商标所有者的完整信息,请参见 http://www.comsol.com/tm。

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CFD Module

旋转机械流体分析的冻结转子法

冻结转子法可以高效求解伪稳态的旋转机械层流和旋转机械湍体问题。在 COMSOL 中,此方法以求解类型的形式出现在求解节点下,支持旋转机械流体流动接口、流体流动接口。它等驾于求解在旋转域添加离心力和科里奥利力作用的稳态 Navier-Stokes 方程

“冻结”一词指转子相对于周围固定不旋转的部分是冻结在当前位置上的,也就是说系统中的各个部分实际上都是静态的。如果整个几何中的非转旋部件是旋转不相关的,或者当整个几何中只有一个旋转域,那么冻结转子法计算的伪稳态流动,与传统的采用移动网格让转子真实旋转的计算方法得到的结果是完全一致的。如果以上假设不满足,那么冻结转子法给出的就是一个近似解,解的质量好坏,与转子的位置以及冻结区域和静态区域的间隙大小有关。举例说明,如果我们考虑一个没有搅拌斧的旋转混合器,也就是一个整个系统都在旋转,靠离心力进行混合的这样一个混合器,使用移动网格的旋转机械接口和使用冻结转子法获得的结果是完全一致的。

冻结转子法的解的质量与转子的位置相关,最好的例子就是透平机械和搅拌斧混合器。在这些应用中,我们常用冻结转子法来求解一个初值,用以对移动网格旋转机械方法进行瞬态分析。通过使用该初值,瞬态分析以获得伪稳态的耗时会大大减少。根据经验,如果从零初始速度开始计算,可能旋转机械需要10-50圈才能达到伪稳态。而如果从冻结转子法提供的初始值开始计算,旋转十圈以内就可以达到伪稳态,从而节省计算时间。

用于流体分析的薄挡板

挡板功能可以大大简化对一些薄的屏障部件的仿真,比如线网、格栅、多孔挡板等。层流和湍流情况下的单相流、非等温流和共轭传热接口中都支持挡板功能。用户可以通过定义挡板对流体的阻力系数和反射系数的相关性,简单直观的标定这些挡板的对流动的影响。

混合物模型和气泡流中的涡流

混合物模型和气泡流模型这两个预制的均质两相流仿真功能,现在可以处理涡流的情况。在 二维轴对称分析中,用户可以勾选涡流选项,以考虑面外的速度分量。

SST 湍流模型

SST (Shear Stress Transport) 湍流模型是一个适合描述低雷诺数流动的二方程雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 湍流模型。不使用壁函数是其突出的特点。传统来说,SST 模型一般用于外部流动仿真,多见于机翼等类似几何结构的流场分析,比如透平机械等。然而,近来 SST 模型在工程领域的应用范围也越来越广,已经被成功用于解决许多其他应用情况。

CFD 模块的模型库中新增了 NACA 0012 翼形的基准模型。SST 模型不使用壁函数,因此需要在流体壁上使用高分辨率的网格。所以几何结构不是很细长的话,分析其外部流场就不大适合使用 SST 模型。同理,对突然拓展结构的内部流场分析也不推荐用此模型。SST 模型最大的优势在于兼取了 k - ω 和 k - ε 两大主流湍流模型的优点。它其实是两个湍流模型的混合,k – ε 模型被重构后,着重计算湍流能 k;而 k – ω 模型着重求解比耗散率 ω。我们知道在壁面附近,k – ω 模型要比 k – ε 模型好一些,而在自由流动区域,k - ε 模型更好用。SST 就是利用一个混合函数,让整个方程在自由流动区域等效于 k - ε 模型,而在壁面附近又等效于 k - ω 模型。

新的 CFD 求解器

事实上所有的流动分析接口,如果使用 P1 + P1 的离散方式,都预设成使用多重网格迭代求解器,并为之匹配了一个新的 SCGS (Symmetrical Coupled Gauss-Seidel) 平滑器。不同模型之间,采用新求解器带来的改善有所不同,但是平均来说可以节省25%左右的计算时间。SCGS 平滑器的鲁棒性较之以往的平滑器来说更好。对于一些比较具有挑战性的湍流模型,可能以前不得不使用直接求解器处理,现在其中大部分都可以使用 SCGS 默认的迭代求解器解决,并且可以降低对内存的需求。值得一提的是,SCGS 平滑器与层流流入边界完全兼容,不需要之前版本那样对网格的各项异性分布作特殊限制。

自动计入 Stefan 速度

反应流接口中, Stefan 速度是自动被计入的。Stefan 速度作用在壁面法向方向上,由壁函数自动添加。其初始值设为零。如果该壁面边界上还同时有通量或质量分数条件,这些因素也将相应的添加到 Stefan 速度来。该Stefan 速度添加项可在壁函数的公式中看出。Stefan 速度的定义和应用都是自动完成的,需要特别指定的是壁面的质量边界条件。在求解浓物质传递时,这一新增功能可以方便的定义在壁上添加或移除一种或多种物质。若对某物质未定义任何边界条件,该物质的通量将由于 Stefan 速度的作用而被设于零。

Pipe Flow Module

管道中的两相流

管道流模块新增了描述气液混合的两相流分析功能。此功能基于均质化的前提,求解一种流体的速度场和压力场,然后根据另一种流体(气体)的质量分数,调整液体计算的摩擦因子或者雷诺数。此模型需要用到修正因子(可在文献中查到)。这个两相流界面不考虑相变、可压缩性或者液体的滞留, 因此原理简单,鲁棒性强。

管道声学的频域分析

当和管道流模块联合使用时,声学模块中新增了管道声学界面,用以模拟柔性管道系统中的声波传输频域分析。与此功能匹配的是,新界面提供了多个具有不同终端阻抗的模型供用户调用以模拟管路部件的声学行为。用户可以通过这种沿着边进行的一维仿真,求解声压的分布和声粒子的截面平均速度分布。用户还可以在模型中采用静态的背景流。该界面可获于 3D 的边和点上,或者 2D 的边界和点上。请参阅声学模块的更新信息。

Microfluidics Module

新增模型教程:Tesla 微型阀门的拓扑优化

模型库新增一个 Tesla 微型阀门的拓扑优化案例。Tesla 微型阀门借助摩擦力而不是活动部件来抑制反向流动。在模拟区域内材料数量一定的情况下,可以改变几何设计,以最大化阀门的正向和反向流动压降的比例。

Subsurface Flow Module

含有相变的传热分析

表观热容法使相变的建模过程变的容易。之前,用户必须通过基于方程的建模来计算能量守恒和相变。使用该方法后,用户的工作流被大大简化,只需要输入几个指定的参数:

  • 相变前后的材料状态
  • 相变温度
  • 相变之间的过渡温度区间
  • 潜热

通过平滑相变温度下的不连续变化,和对相变温度下的热容添加分散的潜热贡献,表观热容法修改了密度、热容、热导率和比热率这四个材料属性。该案例库中的教学模型已被更新,可以演示如何使用本功能。

多孔介质传热

多孔介质传热的用户界面已重新设计过,新界面可以直接添加流体域,使得建模过程更加简便。这个功能取代了之前的流体和多孔介质传热用户界面。

力学分析功能更新Back to Top

Heat Transfer Module

多波长热辐射

普通的玻璃在可见光波段是透明的,但是对于红外和紫外波段就不透明了。光穿透玻璃时,表面的散射可能会造成波长的漂移,如果波长落在了红外波段,那么这些光就会在玻璃内部被吸收而无法逃脱。能量会把玻璃以及玻璃房都加热,即大家耳熟能详的温室效应。

使用新增的多频段接口,用户可以最多定义 5 个频段,每个频段覆盖的最大和最小波长范围以及频段之间的间隔完全由用户指定。软件也提供了一个适用于太阳辐照以及环境辐照的快速设定项,有这两个功能就可以涵盖相当大部分的应用需要了。用户可以定义黑体辐射源,其在不同路径上的功率分布满足环境温度相关的 Planck 分布。用户可以为每个频段设定表面的激发特性,也可以把表面设定为满足黑体激发功率分布或者其他用户自定义的激发功率分布。同时有关基于辐射的增强功能是,对于透明介质,支持其具有不同的折射率。

众所周知的温室效应显示出多波长热辐射的重要性。图例:A) 长波长红外光被玻璃反射。B) 可见光和短波长红外光穿过玻璃。C) 短波长红外光被吸收后作为长波长红外光发射出。D) 可见光被反射。E) 反射的可见光穿过玻璃。F) 长波长红外光被玻璃反射并保留在温室中。

含有相变的传热分析

传热分析现在可以方便的考虑相变。软件内置了表观热容法 (Apparent Heat Capacity Method) 来处理相变对传热过程带来的影响。之前,用户可能不得不自己书写方程来模拟相变,现在借助于专门的接口,操作起来就更为简单了。为了表述相变,用户需要提供以下信息:

  • 相变前后的材料状态
  • 相变温度
  • 相间过渡温度区间
  • 潜热

表观热容法在达到相变温度点时,对材料的密度、热容、热导率以及热源比例系数加以调整,自动平滑相变带来的材料特性跳变,并为整个相变区域添加潜热带来的分布热源。模型库中的教学模型也进行了更新,相应提供了配套的相变传热指导算例演示此功能的使用。

接触传热

两个接触在一起的表面形成的薄夹层,通过其上的热流与两个表面的温度差成正比,而比例系数便是接触热导。接触热导与接触的程度密切相关。接触的压力越大,两个表面之间的接触热导越大。传热模块新增的边界条件从以下三种情况考虑,用于描述这种随接触压力变化而变化的接触热导:

  • 热约束热导:主要考虑两个表面实际物理接触对热导的影响,比如表面的性质,接触压力等。一般体现为接触压力越大,两个表面接触的越好,热导也越大。
  • 气隙热导:主要考虑接触面之间可能存在薄薄的流体区域,一般是空气,对接触热导的影响。当接触压力很大时,这一项一般可以忽略,但是在施加高压的过程中,实现良好的接触前,气隙热导会发挥重要的作用。工程上一般都要在接触面之间采用高导热率的导热膏或者导热油,尽量避免接触面之间存在气隙热导效应。
  • 辐射热导:假设可以在接触区域中以两个发出辐射的平行板来表示两个表面。辐射热导是表面对表面辐射所引起的对接触热导的贡献。

在很多情况下,气隙热导和辐射热导的影响都可以忽略。而上述三种热导对于整体接触热导的影响都可以使用基于接触压力变化的热导曲线再加以经验修正获得。而接触压力在 COMSOL 中可以通过结构力学模块或者 MEMS 模块来耦合求解。我们还添加了一个摩擦热源的功能供用户选择,此热源还允许用户设定两个接触面的热分配系数。热接触功能可以用于内部边界以及装配中的热接触对。

图示的验证示例是散热片和一个圆柱形电子封装之间接口处的接触热阻。八个散热鳍片压在圆柱表面,并且热触点施加到散热鳍片和封装之间的圆柱面上,设备散热的效能与鳍片的冷却效果和封装到散热片的热传递好坏关系密切。该模型的重点在于通过接触界面的传热,其中有四个参数对关节电导率具有影响:接触压力、较软材料的微硬度、表面粗糙度,以及表面粗糙度斜率。仿真的结果与实验结果进行了比对,验证了仿真的有效性。

新增模型

传热模块模型库中新增了以下模型:

电子设备中的冷凝探测:

此模型对电子设备机箱中空气的水分进行了热动力学仿真,研究当外部环境变化时,机箱内的水分发生冷凝的情况。此模型需要输入的外部条件为空气温度、气压和湿度。

冷冻干燥:

此模型仿真了真空腔内冰升华的过程,可作为所有的冷冻干燥过程仿真分析的指导。

熔锡锋:

此模型演示了使用移动边界接口仿真相变的方法,也就是所谓的 Stefan 问题。模型描述了一个方形腔,由于腔体左右两端温度不同,因此腔内存在锡的熔化演变过程,同时存在液体和固体的锡。

有关相变的新增熔锡锋的温度与速度。

管路与壳体组成的热交换器:

此模型是一个流热耦合分析,同时存在两个流体,一个流体在封闭的管道中流动,另一个流体在包围管道的薄壳结构中流动。

电子设备机箱散热:

该模型是一个电脑电源 (PSU) 的散热仿真,模型包括一个提供负压的风扇,以及一些格栅结构,这正是电源内部散热的主要方式。

新增电子设备机箱散热教程的网格可视化。

交叉流动热交换器:

该模型在不锈钢制成的微型热交换器中对流体流和传热进行求解。该类型的热交换器常见于生物芯片或者微型反应堆中,例如,用于微型燃料电池系统。

平板换热器:

本教程演示了一种最常见的热交换器设备,可用于流体和固体的冷却或加热。

电子封装与热沉接触热阻抗分析:

此模型是对一篇公开发表的文献的结果复现,仿真的目的是分析电子封装与散热鳍片热沉之间的接触质量对散热的影响。该模型的重点在于通过接触界面的传热,其中有四个参数对关节电导率具有影响:接触压力、较软材料的微硬度、表面粗糙度,以及表面粗糙度斜率。

接触开关 :

此模型演示了对接触问题的多物理仿真方法,仿真了接触开关的两个接触件上的电学行为和热力学行为。从一个部件传至另一部件的电流与热只在接触面上进行。

导温系数变量

变量的平均热扩散 和热扩散系数张量分量

现在提供导热系数变量功能。

薄热阻层的定义可以直接输入热阻值

此前版本中,对于薄热阻层的定义可以指定其厚度和热导率,现在新增了可以为薄热阻层直接指定热阻的选项。

多孔介质流传热分析

重新编写的多孔介质传热界面,进一步简化了用户的操作,改善了用户体验。取代了之前的流体传热和多孔介质传热界面,并且简化了建模过程。

空气湿度转换函数

新增三个函数用于自动完成空气湿度和水分浓度之间的换算,并且可以快速计算饱和压力:

  • 相对湿度转换为蒸气浓度:fc(RH,T,pA)
  • 相对湿度转换为水分含量:fxvap.(RH,T,pA)
  • 饱和压力函数:psat(T)

Structural Mechanics Module

螺栓预紧

新增的螺栓预紧功能进一步增强了对预应力螺栓的仿真能力。该功能在固体力学界面中提供,对于每个实体的螺栓,可以使用螺栓选择子功能。用户可以通过每个螺栓选择描述某一横截面的边界。每个螺栓将生成用于后处理的结果数量:螺栓力、螺栓剪切力以及螺栓预变形。

设定刚性连接的旋转中心

刚性连接的旋转中心轴的设定更加简单灵活。用户可以利用模型中的任何几何元素来定义旋转轴,而这些几何元素不一定必须全属于刚性区域。例如,这样可以更加方便的在刚性连接的表面或者刚性区域中创建任意点,并使用该点作为旋转的中心。该功能仅在固体力学界面中提供。

这里使用工作平面圆形表面上的任意位置创建一个几何点。这一点然后用作刚性的连接器表面的旋转中心。

梁截面分析

在以前作为 2D 几何对象创建的通用梁截面模型的基础上,新增了一系列梁截面分析工具,可以自动计算梁的特性。

可以计算以下梁横截面数据:

  • 截面面积
  • 重心
  • 惯性力矩
  • 主轴方向
  • 扭转刚性
  • 扭转截面模量
  • 弯曲、扭转或者剪切作用下的应力分布
  • 剪切中心
  • 剪切面积
  • 翘曲常数
  • 翘曲截面模量

如果可以定义截面力作用的话,比如轴向力、弯曲力矩、剪切力、扭转力矩等,用户也可以分析梁截面上的应力分布。将此功能与结构力学的 3D 梁单元配合使用,用户可以精确仿真各种截面的梁的综合力学表现。

槽钢:该教程展示了新增的梁横截面用户界面的应用。

Fatigue Module

使用 Palmgren-Miner 规则进行雨流分析

我们新增了随机载荷作用累积损伤评估功能。使用 Rainflow 计数算法可以处理一些非常规结构力学响应问题。我们提供三种应力评估方法:主应力、使用应力标定的 von Mises 应力、使用流体力标定的 von Mises 应力。损伤使用 Palmgren-Miner 准则进行估计,考虑 R 值(从 S-N 曲线获得)的影响。载荷作用服役循环可以有两种方式来添加,从解的历史添加,或者通用载荷工况定义。前者是从 COMSOL 之前的求解中直接提取,因此可以把一些非弹性效应考虑进来;后者是由用户自定义一些基本的载荷工况。服役循环的设定可以分析大作用周期,比如 10000 个载荷步,作用下的累积损伤。后处理为 Rainflow 周期计数提供了专门的直方图显示。

更多分析类型:壳、平板和多体动力学

疲劳模块可以与壳体分析、板分析、多体动力学分析、结构力学分析、热应力分析、焦耳热和热膨胀分析、压电器件分析等功能联合使用。

Nonlinear Structural Materials Module

新增三个超弹性材料本构模型

新增三个超弹性材料本构模型:Gent、Gao 和 Storakers,用于橡胶类材料的仿真。

新增生物力学算例:动脉壁

本新增模型演示了各向异性超弹性材料对血管壁中胶状软组织的仿真方法。采用 Holzapfel-Gasser-Ogden 本构模型,描述附带软组织的动脉血管壁的力学行为。

Acoustics Module

管道声学的频域分析

声学模块和管道流模块联合使用,可进行柔性管道系统中的声波传输频域分析。与此功能匹配的是,我们提供了多个具有不同终端阻抗的模型供用户调用以模拟管路部件的声学行为。用户可以通过这种沿着一条边进行的 1D 仿真,求解声压的分布和声粒子速度分布(取截面平均值)。还可以选择包含静态的背景流。该接口可在 3D 中支持边和点,并且可在 2D 中支持边界和点。

新增的“管风琴设计”教学模型演示了管道声学用户接口的使用。图片显示出基频的共振峰值,以及五个高达 3kHz 的谐波。

为热声效应新增材料属性输入

用于热声效应分析的材料属性定义功能获得了更新,现在可以设定材料的可压缩系数和热膨胀系数。这样一来,用户就可以仿真在任何流体(本构可由用户自定义,不一定是传统标准的流体本构)中的可压缩波(声波)的传播情况。提供多个用于输入这些系数的选项。

新增模型库案例

新增了多个模型教程,包括:

  • 集总参数的扬声器驱动分析
  • 聚焦超声波用于生物组织加热
  • 考虑粘滞和热阻尼的微镜振动分析
  • 流体中的粒子振动和热声材料参数

使用集总模型的扬声器驱动单元。动圈扬声器中的集总参数表示扬声器的电气组件和机械组件的行为。Thiele-Small 参数(小信号参数)作为对集总模型的输入,由电路物理场进行表示。集总模型耦合到 2D 轴对称压力声学模型中,用于描述周围的空气域。模型提供众多的输出,其中包括扬声器的灵敏度、阻抗,以及辐射声压等。分析结果将与基于平面活塞近似的解进行比较。

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AC/DC Module

边界线圈

横截面比较薄的线圈可以直接处理成边界,这样可以有助于避免对薄线圈的厚度剖分网格,从而导致产生多余的网格并耗用内存。对于 2D 或者 3D 结构,支持单匝或者多匝线圈。单匝线圈功能考虑了外侧屈服效应,是一种针对之前“电流,壳”界面的定制应用。

新的磁场求解器

AC/DC 模块中的新求解器技术提高了磁场问题的仿真速度。现在提供一个新增的预处理器,称为 AMS (Auxiliary Space Maxwell Solver),作为迭代求解器。AMS 适用于使用了矢量有限元的静态或瞬态的磁场仿真。可以与几何迭代求解器 (Geometric Multigrid Solver, GMG) 结合使用,将 AMS 作为多重网格结构中粗化级别的求解器,这也可以作为新的默认设置。该组合对于小模型可以提速约 20%,而对于百万自由度以上的问题,这一新的 GMG+AMS 组合更可以带来数倍的显著速度提升。

新边界条件:可用于描述氧化物层、导电的磁屏蔽层、金属元件中的裂缝

磁场和电场的仿真接口新增了几组边界组合,比如磁屏蔽组合电屏蔽边界、电绝缘和接触阻抗、磁连续而电绝缘及接触阻抗。使用这些复合边界条件,用户就可以用边界模拟氧化物层、导电的磁屏蔽层、金属结构中的裂缝等等情况。

线圈:线圈组功能更新和新增的 RLC 线圈组

线圈组不再作为单独的功能出现,而是作为单匝线圈、多匝线圈,以及新增的边界线圈这些功能的一个设定项出现。通过这一新的子功能,用户可以指定多个求解域组合成一个线圈匝,求解域之间可以并联也可以串联。

新增的 RLC 线圈组功能可使用 2D 模型近似处理 3D 线圈。由于 3D 线圈匝之间电容耦合以及其他因素的影响,线圈的面内电流分量通常都比较关键。比如,在电流平衡的情况下,面内电流还会受到匝间电势差的驱动,这就是由电容耦合所引起的。为了简化多匝线圈的建模过程,可以自动将几何模型进行分析,从而创建直观的域数排序。

用于高非线性阻抗材料的磁场建模接口

这是一个新增的仿真接口,用磁场方程描述的高非线性阻抗材料的电磁行为,其中 Maxwell 的公式直接表达在 H 磁场中。这个接口最典型也最适合的应用就是仿真超导材料。配合这个新功能,COMSOL 材料定义界面为此提供了一个 E-J 特性曲线的选项供用户指定材料的非线性,即电流密度 J 是电场 E 的函数。

RC 参数提取:浮动电位组

对于采用了多个浮动电极的结构来说,新增的浮动电位组让阻抗和电容参数 (RC) 的提取变的更容易。所有连接在一起的边界会自动组成一个个独立的浮动电位组。该功能适用于静电(电容提取)、电流(阻抗提取)以及磁场和电场用户界面。

电接触

新增的电接触功能可计算与传导发生接触的两个表面之间的电流。该传导随表面属性以及力学接触压力而发生变化。所表示的一个众所周知的事实为,接触压力越高,接触效果越好。通过薄层的电通量与与比例常数作为电导系数的层上的电压差成正比。电导系数可以根据预定义的修正曲线进行分析,或者可以与结构力学模块或 MEMS 模块中的结构力学接触进行耦合。电接触功能可以应用于内部边界以及装配中的对上。

新增模型

更新案例库功能可以提供其中的部分模型。

电动轴承: 本模型提供了无源电动轴承的工作原理。在永磁体生成的磁场中,导电转子旋转,从而感生出涡旋电流。

单极发电机: 单极发电机中包含一个放置在均匀磁场中的导电旋转圆盘,该磁场与旋转平面相垂直。本示例对通过铜导线和旋转圆盘的电流进行建模。

哈尔巴赫转子静场分析: 该模型对使用永磁体、主要提供向外磁通量的磁力转子进行静磁场建模。该磁力转子也称为哈尔巴赫转子。

使用永磁铁的同轴磁轴承: 本模型演示了如何为轴向的永磁体轴承计算磁力和刚度等设计参数。

超导线: 通过使用新增的磁场公式物理学界面,重新创建了该模型。

RF Module

周期性结构的电磁波分析

为了增强电磁波入射到周期性结构上的透射率和反射率的分析功能,新推出了适合周期性结构的周期性端口边界。该端口可以自动处理周期性结构造成的高阶衍射的阶次。出于完整性的目的,用户可以指定一个参考点子功能,从而描述通用的周期性结构,例如矩形或六边形格子等。入射波以高程和方位角指定。

集总单元

使用边界的集总单元可以定义无源的集总端口。这样做既不增加 S 参数矩阵的计算量,又能让用户方便的计算这些无源端口上的 S 参数。三种集总单元的类型支持均匀、同轴、用户自定义。对于频域分析,用户可指定端口的阻抗,电感和电容;对于瞬态分析,用户可以指定阻抗。

3D 结构中的解析圆形端口边界

新增了模场分布预定义好的分析性圆形端口功能,用于 3D 模型,类似于之前的矩形端口功能。该功能仅适用于频率分析,支持 TE 和 TM 模式。

MEMS Module

压电器件的热膨胀

压电器件的仿真接口加入了热膨胀的分析功能。计算需要提供温度分布,用户可以使用常数或者表达式指定温度分布,或者使用温度场变量进行完整的传热仿真。

Plasma Module

碰撞热

新增了根据 Hagelaar 模型估算的粒子碰撞热选项。此功能为电子添加分布式的热源,模拟碰撞产生热的效应。该功能在 2D 轴对称模型中可用,引入了用于平面外电子漂移速度的一个额外因变量。

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Chemical Reaction Engineering Module

薄不透层

在物质传递的多个仿真接口中新增了薄不透层边界条件,可用于在仿真中作为壁面区分两层不同的流体区域,化学物质在此边界上不可透过。该功能对于将薄壁表示为内部边界极为有效。在此前的版本中要实现这个功能,用户不得不设定一个狭长求解域,在求解域的两边设置零质量通量。这种方法会产生大量的网格。薄不透层边界条件可与流体中的流体内部壁或者旋转内部壁边界联合使用。薄不透层边界条件在以下用户界面中提供:浓物质传递、溶质传递(多孔和地下水模块)、多孔介质中的物质传递、反应流。

Batteries & Fuel Cells Module

案例库新增案例

以下为电池与燃料电池模块的案例库中新增的案例:

  • 蛇形流场燃料电池
  • 电极采用多层材料的锂离子电池模型
  • 锂离子电池的单颗粒模型

此外,原模型库中的全钒液流电池模型也进行了更新。

受限电流密度和边电极

在多孔电极反应和电极反应两个节点下的电极动力学设定功能,新增了受限电流密度选项。

二次电流分布接口中,新增了边电极的功能。在 3D 模型中使用边电极,可以仿真沿着某一条边的切向电流。此类功能是第一次在 COMSOL 中出现,适合于描述长管道或者长电线这一类电流分布在法向上的变化几乎可以忽略的情况。此边界的使用,可以避免用户使用狭长的求解域来描述电极,从而带来大量的网格和计算量。这样一方面可以降低计算量,同时也避免了薄层上产生潜在的网格各向异性问题。边电极反应可以添加到边电极功能中,从而对电极反应进行仿真。该功能在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

电解分析

新增的电解分析界面,使用对流扩散方程求解电活性物质的浓度,为仿真电解质中稀物质的质量运移提供了公式、边界条件以及速率表达式。该仿真界面适用于含有大量惰性“支持电解质”的电解质溶液,在这种情况下,欧姆损耗通常可以忽略不计。电解分析接口中还包含了定制的功能用于求解循环伏安类型的问题。电解分析接口在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

一次电流分布和二次电流分布的切换更方便

在二次电流分布的仿真界面中,用户利用菜单就可以快速从二次电流分布接口和一次电流分布接口之间切换,而不用象此前版本那样必须新增另一个物理场。模型向导中的一次电流分布和二次电流分布接口在现版本中都可使用二次电流分布的仿真界面,但根据电流分布类型的不同,采用不同的默认值。该功能在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

辅助插层材料

锂离子电池和二元电解质电池的仿真界面现在提供新增的辅助插层材料功能。

Corrosion Module

受限电流密度和边电极

在多孔电极反应和电极反应两个节点下的电极动力学设定功能,新增了受限电流密度选项。

二次电流分布接口中,新增了边电极的功能。在 3D 模型中使用边电极,可以仿真沿着某一条边的切向电流。此类功能是第一次在 COMSOL 中出现,适合于描述长管道或者长电线这一类电流分布在法向上的变化几乎可以忽略的情况。此边界的使用,可以避免用户使用狭长的求解域来描述电极,从而带来大量的网格和计算量。这样一方面可以降低计算量,同时也避免了薄层上产生潜在的网格各向异性问题。边电极反应可以添加到边电极功能中,从而对电极反应进行仿真。该功能在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

无限电解质和电解分析

新增的无限电解质边界条件,可以用于描述电解质远大于仿真区域的情况下,电解质中的电流分布。此边界条件目前在二次电流分布接口,以及腐蚀,二次接口中提供

新增的电解分析接口,使用对流扩散方程求解电活性物质的浓度,从而仿真电解质中稀物质的质量运移。

该功能在电沉积模块,电池与燃料电池,化学腐蚀和电化学模块中提供。

案例库新增案例

以下为化学腐蚀模块的案例库中新增的案例:

  • 隔离器厚度影响: 使用参数扫描分析了铝隔离器厚度对电化学腐蚀的影响。
  • 船体腐蚀防护: 通过二次电流分布接口,模拟船的轴和螺旋桨基于外加电流阴极防护 (ICCP) 技术的腐蚀防护。
  • 局部腐蚀: 镁合金中两相交界面上的微观结构电化学腐蚀的分析。

这一最新的案例展示了如何使用二次电流分布接口,模拟船的轴和螺旋桨基于外加电流阴极防护 (ICCP) 技术的腐蚀防护。

一次电流分布和二次电流分布的切换更方便

在二次电流分布的仿真界面中,用户利用菜单就可以快速从二次电流分布接口和一次电流分布接口之间切换,而不用象此前版本那样必须新增另一个物理场。模型向导中的一次电流分布和二次电流分布接口在现版本中都可使用二次电流分布的仿真界面,但根据电流分布类型的不同,采用不同的默认值。该功能在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

Electrodeposition Module

案例库新增旋转圆筒赫尔电池案例

新增旋转圆筒赫尔(RCH)电池算例演示了电解槽分析的方法,给出了沿着工作电极的非均匀电流分布、电位分布、浓度分布。模型先后采用一次电流分布、二次电流分布、三次电流分布模型分别进行了分析,并对结果进行了比较,指导用户从简到繁,逐步提高仿真工作的细致程度。此模型是对一篇公开发表的文献的复现,仿真结果与文献报道吻合。

新增旋转圆筒赫尔电池算例中,电解质电势和超电势的分布。

一次电流分布和二次电流分布的切换更方便

在二次电流分布的仿真界面中,用户利用菜单就可以快速从二次电流分布接口和一次电流分布接口之间切换,而不用象此前版本那样必须新增另一个物理场。模型向导中的一次电流分布和二次电流分布接口在现版本中都可使用二次电流分布的仿真界面,但根据电流分布类型的不同,采用不同的默认值。该功能在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

受限电流密度和边电极

在多孔电极反应和电极反应两个节点下的电极动力学设定功能,新增了受限电流密度选项。

二次电流分布接口中,新增了边电极的功能。在 3D 模型中使用边电极,可以仿真沿着某一条边的切向电流。此类功能是第一次在 COMSOL 中出现,适合于描述长管道或者长电线这一类电流分布在法向上的变化几乎可以忽略的情况。此边界的使用,可以避免用户使用狭长的求解域来描述电极,从而带来大量的网格和计算量。这样一方面可以降低计算量,同时也避免了薄层上产生潜在的网格各向异性问题。边电极反应可以添加到边电极功能中,从而对电极反应进行仿真。该功能在电池与燃料电池模块,电沉积模块,腐蚀模块和电化学模块中提供。

无限电解质和电解分析

新增的无限电解质边界条件,可以用于描述电解质远大于仿真区域的情况下,电解质中的电流分布。此边界条件目前在二次电流分布接口,以及腐蚀,二次接口中提供

新增的电解分析接口,使用对流扩散方程求解电活性物质的浓度,从而仿真电解质中稀物质的质量运移。

该功能在电沉积模块,电池与燃料电池,化学腐蚀和电化学模块中提供。

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Optimization Module

更多优化分析类型

优化模块现在提供包含基于梯度以及梯度自由在内的完整的优化算法,包括:

基于梯度的优化算法
  • SNOPT
  • Levenberg-Marquardt
梯度自由的优化算法
  • Nelder-Mead
  • Monte Carlo
  • 坐标搜索

在使用梯度自由的优化算法时,用户可以指定多目标优化的策略:sum of objective(默认)、minimum of objectives,或者 maximum of objectives。

模型库算例更新

优化模块模型库中的以下算例现在使用优化算法节点来设置优化过程:

  • 调谐音叉优化
  • Mooney-Rivlin 曲线拟合
  • 扩音器形状优化(需要配合使用声学模块)
  • 最优化冷却(需要配合使用化学反应工程模块)
  • 管道隔离优化(需要配合使用管道流模块)
  • 领结型天线优化(需要配合使用 RF 模块)

Material Library

控制要向其添加材料的模型

在模型树中有多个模型的时候,从材料库添加材料可以人工选择添加到哪个模型。

Particle Tracing Module

速度二次初始化

粒子的速度可以在仿真的过程中被用户以任何逻辑表达式修改,这就意味着用户可以在求解的过程中人工干预粒子的状态。这使得 COMSOL 从此可以支持最普遍的 Monte Carlo 分析,并且在粒子追踪模块的所有用户界面中提供。

Monte Carlo 弹性碰撞

在带电粒子追踪的功能接口下,粒子弹性碰撞力的功能项新增了 Monte Carlo 弹性碰撞选项。此功能表示粒子的速度会因为受到一定概率的碰撞而突然改变,碰撞的概率与气体碰撞横截面数据和背景粒子计数密度有关。此功能适用于描述非真空低压环境下的粒子追踪,例如离子漏斗和离子迁移率谱仪等。

改变辅助变量

粒子在碰到边界或者穿越边界时,其辅助因变量发生的改变现在也可以描述了。辅助变量可以自由定义,可以调用粒子追踪模块提供的全部变量或者其他模块的变量。典型的例子比如,我们现在可以对撞击某个壁面的粒子数目进行计数统计。

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