多物理场数值模拟技术 - simwe.com

仿真智领创新 Simulating inspires innovation

中仿科技

July 2, 2012

多物理场数值模拟技术 —— Thinking in COMSOL

安琳博士（Dr. Lynn An）



报告提要

• 多物理场仿真的意义和价值

• 弱耦合与强耦合问题

• 间接耦合求解与全耦合求解

• COMSOL Multiphysics仿真平台

• 总结



仿真引导设计

• 仿真技术是提高竞争力的关键因素之一

• 仿真技术的挑战

– 多物理场

– 系统级



多物理场仿真的价值

• 准确反映真实世界

– 从多物理的角度描述问题

– 用多物理的思想验证工程经验

• 灵活、可建设性

– 以第一性原理为基石

– 模型是透明的、可信赖的



弱耦合的多物理场问题强制对流传热过程



弱耦合的多物理场问题微小形变的流固耦合问题



弱耦合的多物理场问题微弱热敏性的电热耦合问题



弱耦合问题的间接耦合求解法

• 弱耦合问题物理场之间的联系不紧密

• 去耦合求解单物理场模拟并迭代

• 优势：每个物理场求解可使用优化的网格

• 挑战：单物理分析有时也具有高非线性



强耦合的多物理场问题自然对流传热问题



强耦合的多物理场问题声固耦合问题



强耦合的多物理场问题粘弹性材料的热力耦合



强耦合问题的全耦合求解法

• 强耦合问题物理场之间的联系很紧密

• 全耦合求解同一总刚矩阵整体迭代

• 优势：高非线性求解

• 挑战：计算量和收敛性



电分析 AC/DC 模块

• 线圈和电磁铁

• 永磁铁和电磁场计算

• 电感分析

图示是一台X射线装置中的高压源的电磁场仿真分析。本模型来自瑞典的Comet AG公司。




• 焦耳热分析

• 感应热分析

感应加热：在复合材料成型工艺中，经常使用电磁感应加热的方式将材料加温，然后在材料软化后使用冲压复合。图示了感应加热装置的磁通量分布（流线）和温度分布（颜色）。




• 发电机、变压器电磁分析

• 发电机热分析

• 发电机振动

发电机电磁场仿真：发电机的转子经常含有碳钢的成份，这是一种存在磁通饱和现象的高非线性铁磁材料，图示为电机的电磁场分析。




• 电动电磁分析

• 电磁力和转矩分析

利用3D旋转机械接口模拟的无刷直流发动机。图示信息包括：磁场，线圈电流、轴向转矩和旋转角。



电分析 RF 模块

• 微波热效应

• 电磁波传输和散射

矿石中的矿物质颗粒，在微波辐照下会被加热，热量使矿物颗粒膨胀，然后从附着的岩石上脱落下来。这种提纯矿物质的方法与传统的碾碎岩石，然后区分矿物的方法相比，可以大大节省能源。图示的模型来自英国的e2v公司，电磁波在立方米量级的腔体内传播，同时又求解几十个微米量级上的颗粒的热效应，这是跨尺度模拟的典型案例。



电分析 RF 模块

• 微波－热－结构耦合

• 电磁波传输和散射

在天线设计中，微波发射装置辐射的电磁波可能含有很多频率，尤其是功放的输出，通常会产生谐波。微波滤波器用来过滤掉不需要的频率，保证天线辐射出的频率满足要求。当功率载荷较大而且环境条件不利于散热的时候，滤波器热膨胀而造成的频谱通带漂移估计就很关键了。图示是一个演示模型，热膨胀造成中心圆柱的位置变动，从而影响整个结构的微波响应。



电分析 RF 模块

• 微波器件设计

• 天线设计

• 微波谐振腔设计

天线设计中天线罩是很重要的部件，可以用来降低天线的损耗和并改善辐射特性。图示为贴片天线罩表面的电流密度分布、贴片天线衬底的电势分布、天线罩内部的电场分布。图中左下角是天线的远场辐射图样。



电分析 RF 模块

• 光子器件设计

• SPP波导设计

表面等离子激元（SPP）波导分析：SPP光波导是近年来学术界关注的热点之一。光场在以金属为代表的损耗介质表面以倏逝波的模式传播，光场可以局限在很小的空间内，在光子集成领域很有吸引力。不过SPP波导的损耗很大，上图就是一种在金层上方使用硅波导，从而降低传输损耗的典型应用。



电分析 MEMS 模块

• 压电器件分析

• 压阻器件分析

• 声表面波器件

电梯按钮：在很多需要把应力与电信号相互转换的应用中，压电或压阻材料是首选的解决方案，电梯按钮就是常见的例子。压阻材料在机械力的作用下会改变自身的电阻率，压电材料则会在机械力的作用下产生电荷分布。




• 加速度计

• 陀螺仪

• 微传感器

• 微执行器

• 换能器

加速度计：挤压膜气体阻尼效应对于所有MEMS换能器、执行器或者加速度计的设计都很重要，这些器件都要探测惯性引起的运动。而这种运动会造成气隙的减小，气体压力增大会抵消一部分运动，这就给传感带来了误差。仿真分析主要用来评估这项影响。




• 加速度计

• 陀螺仪

• 微传感器

• 微执行器

• 换能器

MEMS电梳：插齿结构是很常见的MEMS静电驱动器结构，器件的电容与位移之间，通过静电力相互联系。



电分析等离子体模块

• 感应耦合放电

• 辉光放电

• 电容耦合放电

• 介质阻挡放电

感应耦合放电3D仿真：低压稀薄气体在反应器中流动，感应放电。




• 稠密气压下热等离子体

• 电弧焊接

• 电子能量与宏观温度分析

感应耦合放电分析：标准大气压下，电子与中性粒子充分碰撞交换动能，电子温度与气体温度基本相等，这就是热等离子体。图示是标准大气压下的空气在感应线圈作用下放电形成热等离子体的气体温度分布。




• 等离子体增强气相沉积

• 磁流体

• 质量传递

等离子模块中的PEVCD模拟。显示了等离子体的磁场密度和硅的生长厚度。



传热模块

• 热传导分析

• 热应力分析

温度传感器的X射线结构图和它的热分析模型：仿真分析用来检查包裹传感元件的罩子的不同结构对罩内温度分布的影响，从而帮助设计最优的保护罩结构。

力学与传热分析



传热模块

• 摩擦热分析

• 粘滞热分析

汽车制动盘的热产生与耗散分析：一辆自重1800 kg的汽车以25 m/s (90 km/h)的速度行驶，司机踩下刹车强力制动，汽车的八个刹车盘使汽车以10 m/s2的加速度减速。制动时间持续2 s后司机松开刹车，汽车以5 m/s的速度继续行驶8 s。本模型分析制动过程中刹车盘温度剧烈上升，以及松开刹车后的热量消散过程，帮助工程师优化设计刹车盘，以减缓刹车盘性能的热衰退，提高安全系数。图示是司机即将结束刹车制动时（1.8 s）的刹车盘温度分布。




传热模块

• 热传导分析

• 对流传热分析

• 薄壳传热分析

流体的法兰冷却：在化工应用中，经常使用玻璃法兰来冷却反应流体。高温流体从法兰中经过，而法兰表面绝大多数是采用空气作为冷却剂。从冷却法兰的设计角度，一般关心冷却功率和法兰的表面温度。




传热模块

• 热辐射分析

• 对流传热分析

• 热传导分析

• 太阳辐照数据库

传热模块内建了关于太阳位置自动计算的功能，这是一个3D下的外部辐射源设置选项，在所有热传模块的应用接口中都可用，此外部辐射源也可以考虑表面对表面的辐射特性设置。此选项为用户提供了一个定义不同时期来自太阳入射到地球的入射辐射方向和强度的便捷功能。图示是具有两层结构建筑在一天中不同时间的等温线分布，采用了太阳辐照位置选项设定辐射源。




传热模块

• 相变

• 固态相变

• 冷冻和干燥

金属加工：图示是金属棒连铸过程的模拟。这是一个典型的含有相变的传热分析，包括了液态金属的流动与对流传热，相变过程的模拟并考虑相变对流动和传热的影响，以及固态传热分析。




传热模块

• 生物热分析

生物热分析：活体组织的传热本质也是对流传热的过程。不过由于活体组织存在新陈代谢和血液流动，所以其热源和对流分析稍微复杂一些。另外活体组织各部分的热性能参数也有较大区别。传热模块的生物热分析功能专门解决生物热问题而设计，图示是人体头部在接听移动电话几分钟后的SAR分析。




结构力学模块

• 应力应变分析

• 频率响应

• 屈曲分析

连续等速万向节中的球轴承、保持架、橡胶风圈在工作状态下的Mises应力分布和形变情况模拟。模型由意大利Metelli S.p.A.公司提供。




结构力学模块

• 流固耦合分析

• 超弹性材料

血管的生物力学分析：血管及周围的肌肉组织采用超弹性材料模型，用流体力学方程描述血液的流动，分析血液流动造成的血管应力和形变分布。




结构力学模块

• 流固耦合分析

太阳能电池板在风载荷下的力学分析：左图显示了风在电池板表面形成的载荷分布，右图是支撑电池板的结构的应力分析。




结构力学模块

• 薄壳力学分析

• 梁分析、杆分析

桁架结构的线性屈曲分析：工程中常用结构用于桥梁、工程机械等，图示是在载荷作用下的线性屈曲分析。




非线性材料力学模块

• 超弹性材料模型

• 使用不同强化模型的小变形和大变形的可塑性材料模型

• 蠕变和粘弹性材料模型


弹塑性管子挤压扁平的大变形分析：使用弹塑性材料模型。

大变形经典标准测试模型：一个圆形棒用于单向拉伸测试。在棒的中央截面区域经历了大尺寸颈缩和塑性变形。此模拟使用了非线性结构材料力学模块中的大变形塑性选项来进行，并且使用了强大的双折线非线性求解器。



岩土力学模块

• 土体材料本构模型

• Cam-Clay

• Drucker-Prager

• Mohr-Coulomb

• Matsuoka-Nakai

• Lade-Duncan

• 用户自定义塑形材料

• 岩体和混凝土材料本构模型

• Willam-Warnke

• Bresler-Pister

• Ottosen

• Hoek-Brown

• 用户自定义材料


在粘土层结构中建立长期稳定的建筑结构是工程中常见的难题，在公路或者铁路建设中，通常使用石灰水泥柱桩基来作为支撑。图中展示了水泥柱轴向上的压力分布以及整个土体的变形情况，用来评估支撑结构的有效性和可靠性。



声学模块

• 扬声器设计

• 麦克风

• 热声分析

• 声学谐振腔分析


电视扬声器模拟：Gel Audio换能器安装在电视机内部，使用电视机本身作为发声表面，能够提供很好的重低音音效。图示展示了电视机表面啊的形变以及产生的声波的在空气重的声压级分布。模型由SFX Technologies公司提供。



声学模块

• 气动声学

• 声纳分析

• 声固耦合分析


飞行器引擎的噪音分析是气动声学中重要的课题，图示是喷气式引擎噪音声压的对数分布。

声纳器件和超声分析，是两种典型的必须考虑声固耦合的应用。本例展示了水中一个声压平面波与金属圆柱体发生相互作用，声波在金属体表面和水中的散射分布情况。图示一并给出了金属体在声压作用下的动态形变。



CFD模块

• 单相流分析

• 多相流分析

• 湍流模型

• 粘弹流体与非牛顿流体

流动分析

聚合物填充：图示为聚合物填充模具并发生聚合的过程。模拟展示了三个典型时间点，即填充开始后10s、40s和100s三个时刻的结果。红色面表示聚合物与空气的界面，绿色面表示聚合物的两种成分体积比例为1:1的地方，蓝色面表示聚合物第二种成份比例100％的位置。模型由英国Continuum Blue公司提供。



CFD模块

• 高马赫数分析

• 非等温流动

• 可压缩流体

流动分析

2马赫机翼流场分析，典型的可压缩流体流动。图示是流速的分布。

引擎废气通过歧管流动到排气系统的模拟。

引擎废气通过歧管流动到排气系统的模拟。



CFD模块

• 大规模流动

流动分析

自然风吹过太阳能电池板的流动分析。

水流通过涡轮机桨叶的模拟。图示流线表示水流，颜色表示桨叶受到的压力。



微流模块

• 微混合器

流动分析

微流混合器设计：液体在微流道内部流动以层流形式出现，不易混合，这正是微流道设计的核心问题之一。采用何种结构或者引入何种多物理扰动，能在层流中引起局部的乱流扰动，这是设计者的核心任务。图示是一个微流混合器的结构。



微流模块

• 液滴整形

• 液滴控制

流动分析

喷墨打印机喷头设计：典型的微尺寸两相流分析，微液滴的体积和形状模拟。

电湿润透镜：微型相机使用液滴来作为可调焦距的透镜。透镜实际是两种不相容的液体的相界面，利用电湿润调整接触角从而控制相界面的形状，达到调整焦距的目的。图中用颜色表示下方液体的流速场，上方另一种液体的流场用箭头表示。



多孔介质流模块

• 达西定律

• 布林克曼方程

• 理查德方程

• 达西两相流

流动分析

核废料掩埋：有专门的工事用于掩埋用完的核废料，这种掩埋通常要考虑到十万年时效，因此模拟是设计工事时必须采用的手段。图示是一个假想意外评估风险的模型，假设燃料棒封存器存在缺陷，核废料将会泄漏并通过裂隙扩散并填充隧道。模拟给出了泄漏2000年和20200年之后的核污染分布。

土壤盐度的浮力扩散过程



多孔介质流模块

• 生物降解

• 微观流动

流动分析

溶质吸收和杀虫剂运移：地面上的一小滩水向相对干燥的土壤柱中渗透，并且带有化学物质。当其移动通过不同的饱和土柱时，化学物质与土壤粒子之间会发生吸附，相对于水来说溶质的传递较慢。此外，在液体和固体表面，因为生物降解的作用化学浓度都会下降。除了土壤吸附之外，溶质可能还会存在降解反应。假定水中含有溶质杀虫剂涕灭威，氨基甲酸酯最初分解为砜，其随后又分解为亚砜。模拟描述了由于涕灭威的迁移和反应而造成的土壤污染情况。

岩石裂隙的微观流动分析：软件可以从显微图像直接重构几何模型，并进行流动分析。这是很实用的功能。



管道流模块

• 大规模管网流动

• 冷却系统

• 管道燃料输运

• 管道声学

流动分析

在地热供暖应用中，池塘和湖能充当热储存器的作用。本案例，在一个封闭的系统中流体循环通过聚乙烯管。模拟分析系统中的温度曲线和压力降。

方向盘注塑工艺中，管道冷却过程的模拟。此模型展示了管道1D传热分析可以与3D实体传热分析自由耦合。图示为温度的分布。



化学反应工程模块

• 反应器设计

• 三传一反耦合分析

化学分析

柴油引擎的过滤系统模拟：过滤系统壁面涂有一层煤灰，在反应器中被催化氧化或者非催化氧化。所有的反应都与温度以及反应物浓度密切相关。模拟可以给出一氧化碳、二氧化碳的浓度分布。



化学反应工程模块

• 反应器设计

• 三传一反耦合分析

化学分析

多孔介质催化反应器模拟：圆柱形反应器充满催化剂，反应气体从上端入口进入，在催化剂中以渗流方式流动扩散，同时发生反应。图示是反应物浓度的分布。化学反应柱模拟：反应气体从一端进入，反应柱本

身是另一种反应物。化学反应只在反应柱表面发生。左图为流场模拟，右图为反应柱表面的反应物浓度分布。



电池与燃料电池模块

• 锂电池热分析

• 燃料电池模拟

• 电化学仿真

化学分析

圆柱形锂离子电池热分析：图示为18650锂离子电池采用空气强制对流散热工况下的热分析。颜色表示温度分布，流线表示流速场分布。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）中氢气浓度在流道中的浓度分布。模型由德国 ZBT GmbH的燃料电池技术中心提供。



电池与燃料电池模块

• 电堆热管理

化学分析

平板型锂离子电池堆的热分析：右上图为散热管道的压力分布，右下图为散热管道中的温度分布；左下图为锂离子电池的温度分布。



电镀模块

• 电镀分析

• 电解分析

化学分析

汽车工业：接触件镀金工艺优化。金是一种贵金属，其耐磨损、耐腐蚀而且接触电阻很小，所以在很多接触器件的设计中都是首选的材料。模拟技术用来优化电镀的工艺，寻求在性能和成本之间获得最优平衡。右上图显示了在优化工艺下的镀金效果，颜色表示镀层厚度。可以看到在触点附近金层最厚（红色），而蓝色区域表示镀层为零，几乎没有浪费。右中和右下图显示了局部的细节厚度。这就是仿真带来的价值，在接触件上不必均匀镀金，而是把贵金属用到最需要的地方。模型由法国Philippe Gendre公司提供。



电镀模块

• 电镀分析

• 电解分析

化学分析

电镀铜：采用硫酸铜作为电解质，在“凹”形阴极上电镀铜。由于阴极存在曲率分布，所以工作电流的分布并不均匀，这就是所谓边缘效应。曲率大的地方电流较大，造成电镀厚度增加的更快，越发加剧了局部的曲率。使用移动网格技术（ALE）与电极动力学分析相配合，就能方便的完成分析，图示就是此电镀过程的模拟。



电镀模块

• 电镀分析

• 电解分析

化学分析

微米尺度下的感应线圈的电镀：扩散限制了沉积速度。一个10微米厚的光致抗蚀剂掩模被用来形成沉积样式。随着电镀过程的进行，模型的深度逐渐下降，而其又反过来影响表面的电流分布。



化学腐蚀模块

• 化学腐蚀过程

• 腐蚀防护

• 阳极保护

化学分析

一个浸入海水中的石油钻井平台被52个保护性阳极所保护。在布置阳极之前，腐蚀模块用来优化他们的位置从而得到最佳的腐蚀防护。图示是结构表面的电极电位图。



实用的多物理场仿真平台

• 操作直接，不需要先验知识

• 有一定建设性



总结

• 多物理场仿真更好的仿真、精细研发

• 全耦合求解更强的非线性求解能力

• 第一性原理全面、灵活、建设性

• COMSOL仿真软件统一界面下的多物理模拟


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谢谢

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