COMSOL仿真大賽來(lái)看看-仿真案例欣賞4

基于電磁波的光的干涉模擬

簡(jiǎn)介

光的干涉是指采用分束器將一束單色光束分成兩束后,再讓它們?cè)诳臻g中的某個(gè)區(qū)域內(nèi)重疊,將會(huì)發(fā)現(xiàn)在重疊區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)并不是均勻分布的:其明暗程度隨其在空間中位置的不同而變化,最亮的地方超過(guò)了原先兩束光的光強(qiáng)之和,而最暗的地方光強(qiáng)有可能為零,這種光強(qiáng)的重新分布被稱(chēng)作“干涉條紋”。兩束電磁波的干涉是彼此振動(dòng)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量疊加的結(jié)果,而由于光的波粒二象性,光的干涉也是光子自身的幾率幅疊加的結(jié)果。

簡(jiǎn)介

光的干涉是指采用分束器將一束單色光束分成兩束后,再讓它們?cè)诳臻g中的某個(gè)區(qū)域內(nèi)重疊,將會(huì)發(fā)現(xiàn)在重疊區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)并不是均勻分布的:其明暗程度隨其在空間中位置的不同而變化,最亮的地方超過(guò)了原先兩束光的光強(qiáng)之和,而最暗的地方光強(qiáng)有可能為零,這種光強(qiáng)的重新分布被稱(chēng)作“干涉條紋”。兩束電磁波的干涉是彼此振動(dòng)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量疊加的結(jié)果,而由于光的波粒二象性,光的干涉也是光子自身的幾率幅疊加的結(jié)果。

創(chuàng)新點(diǎn)

1.papadakis碳化方程參數(shù)選擇過(guò)多,且不易確定,本文通過(guò)對(duì)該經(jīng)典方程的簡(jiǎn)化,得到易于求解的碳化方程。

2.混凝土關(guān)于碳化的耐久性的問(wèn)題一般都是通過(guò)碳化深度來(lái)表征,但是當(dāng)涉及的到碳化與其他有害離子(氯離子,硫酸根)耦合對(duì)混凝土耐久性評(píng)估的情況下,建立碳化方程和數(shù)值模擬就出現(xiàn)了不可替代的作用,這是因?yàn)樘蓟^(guò)程導(dǎo)致混凝土內(nèi)部物質(zhì)的改變從而導(dǎo)致孔隙率和對(duì)其他離子結(jié)合效應(yīng)的改變。

3.通過(guò)自己的實(shí)驗(yàn)對(duì)該方程進(jìn)行驗(yàn)證,從而可以看出該方程的適用性和COMSOL求解的可操作性。

基于COMSOL的無(wú)線(xiàn)電能傳輸建模研究

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根據(jù)電能傳輸實(shí)現(xiàn)原理可以將無(wú)線(xiàn)電能傳輸分為基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)、通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送和接收原理的電磁波能量傳輸技術(shù),即 RF無(wú)線(xiàn)電波技術(shù)、利用電磁場(chǎng)的共振原理的電能傳輸技術(shù)、激光技術(shù)、微波技術(shù)、基于電場(chǎng)原理的容性非接觸電能傳輸技術(shù)這六種無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)。無(wú)線(xiàn)電能傳輸實(shí)現(xiàn)了電源與用電設(shè)備間的電氣隔離,具有安全、靈活、可靠等優(yōu)點(diǎn),得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。尤其是在2007年麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)現(xiàn)了磁諧振耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)時(shí)將無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)难芯客葡蛄艘粋€(gè)嶄新的階段,引起了新一輪研究無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)臒岢薄?

在研究無(wú)線(xiàn)電能的過(guò)程中免不了仿真軟件的使用,常通常從兩個(gè)方面進(jìn)行仿真,一是電路方面,即通過(guò)PSPice、MATLAB等電路仿真軟件進(jìn)行電路驗(yàn)證。二是從磁路方面,通過(guò)Maxwell等軟件對(duì)磁路進(jìn)行磁場(chǎng)驗(yàn)證。對(duì)于一般的研究或許僅僅需要電路仿真就行,但對(duì)于特殊磁路的研究往往要兩相結(jié)合,尤其是在需要進(jìn)行搭建平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)。

本案例用COMSOL軟件搭建一個(gè)無(wú)線(xiàn)電能系統(tǒng),主要通過(guò)磁路、電路兩個(gè)物理場(chǎng)兩無(wú)線(xiàn)電能傳輸中的電路仿真與磁路仿真結(jié)合起來(lái)。先對(duì)磁路進(jìn)行仿真,根據(jù)理論設(shè)計(jì)利用COMSOL來(lái)選擇線(xiàn)圈線(xiàn)徑、線(xiàn)圈匝數(shù)及相距距離,同時(shí)觀(guān)察磁場(chǎng)參數(shù),對(duì)是否選用磁心做出指導(dǎo)。再添加電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證,是否符合設(shè)計(jì)要求。此種方式可以集合MATLAB與Maxwell的功能與一身,方便快捷。

創(chuàng)新點(diǎn)

采用一個(gè)軟件進(jìn)行了兩個(gè)軟件的工作,當(dāng)然在本案例中對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,直接加的正弦源激勵(lì)沒(méi)有進(jìn)行工頻交流電整流濾波逆變環(huán)節(jié),同時(shí)也省略了輸出整流濾波。但是為一個(gè)新的思路,磁場(chǎng)可以對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)線(xiàn)圈的繞制與距離以及是否需要磁芯進(jìn)行指導(dǎo),電路可以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。往后還可以在其中添加固體傳熱物理場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)發(fā)熱進(jìn)行仿真模擬。

平板電容器邊緣效應(yīng)有限元與解析結(jié)合解法

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平板電容器是由兩個(gè)彼此靠的很近的電極極板組成,當(dāng)極板半徑r遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極板間隙d時(shí),可忽略邊緣效應(yīng),認(rèn)為極板內(nèi)部電場(chǎng)均勻,此時(shí)平板電容器的電容值為C=εA/S,其中A為極板的面積。當(dāng)上述條件不能滿(mǎn)足時(shí),計(jì)算平板電容器的電容值時(shí)就不能忽略邊緣效應(yīng)對(duì)其的影響。Shiree Burtd, G J Sloggett等人[1-4]已經(jīng)通過(guò)解析的方法計(jì)算了考慮邊緣效應(yīng)時(shí)平板電容器的電容值。而通過(guò)COMSOL計(jì)算平板電容器邊緣效應(yīng)時(shí),由于不同的邊界條件會(huì)影響電容器外部電場(chǎng)分布,進(jìn)而影響電容值的計(jì)算。

案例庫(kù)[5]考慮的零電荷邊界條件和懸浮電位邊界條件對(duì)電容值的影響。本文在此基礎(chǔ)上,增加另外兩種邊界條件方案,一種是解析與有限元結(jié)合邊界條件,另一種是通過(guò)設(shè)置無(wú)限單元域并設(shè)置外表面接地。分析比較不同邊界條件方案的計(jì)算結(jié)果,最后通過(guò)理論公式計(jì)算了電容值的近似解析解。

創(chuàng)新點(diǎn)

1.采用有限元和解析結(jié)合的方法設(shè)置邊界條件,更好的理解有限元計(jì)算物理模型;

2. 采用無(wú)限單元域的方法,最大限度的使計(jì)算域擴(kuò)展至無(wú)窮大的空間,從而模擬平板電容器邊緣彌散電場(chǎng);

3. 比較理論計(jì)算值和有限元計(jì)算值,增加有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)的可信度。

基于壓電模塊的超聲速流量

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目前對(duì)流速的測(cè)量基本是基于聲學(xué)的方法,超聲波利用其自身的定向性高的特點(diǎn)而用來(lái)進(jìn)行聲學(xué)檢測(cè)。通過(guò)向有液體流動(dòng)的管腔內(nèi)發(fā)射超聲波,再對(duì)接受位置進(jìn)行檢測(cè)信號(hào),根據(jù)信號(hào)時(shí)差即可以得到流速。壓電裝置可以利用自身的物理屬性,將穩(wěn)定規(guī)則的電信號(hào)裝化為壓力信號(hào),從而形成定向傳遞的壓力波。

創(chuàng)新點(diǎn)

在傳統(tǒng)簡(jiǎn)化模型上加上了壓電裝置,讓激勵(lì)源更加接近實(shí)際工程領(lǐng)域,同時(shí)可以對(duì)壓電裝置進(jìn)行參數(shù)研究,有效提高超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)。

Sajben進(jìn)氣道中的超聲速流動(dòng)

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在航空航天領(lǐng)域,通常將馬赫數(shù)大于1以上的速度稱(chēng)為超聲速。而目前以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力是實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器核心技術(shù)[1]。采用吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的超聲速飛行器具有更高的比沖、更大的有效載荷、更遠(yuǎn)的航程、更輕的結(jié)構(gòu)和更經(jīng)濟(jì)的飛行成本,在未來(lái)軍事、民用上扮演重要角色[2]。對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言,由于對(duì)空氣的壓縮和提供足夠的空氣流量都是由超聲速進(jìn)氣道完成,其性能的好壞是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作成功與否的關(guān)鍵[3]。因此,探索超聲速進(jìn)氣道內(nèi)的氣流流動(dòng)情況,對(duì)更好實(shí)現(xiàn)超聲速推進(jìn)有著重要的意義。在上個(gè)世紀(jì)70年代,美國(guó)對(duì)兩個(gè)二元高超聲速進(jìn)氣道構(gòu)型進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究,研究進(jìn)氣道內(nèi)氣流流動(dòng)問(wèn)題[4];南京航空航天大學(xué)在高超聲速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和仿真等方面開(kāi)展了深入研究,得出了氣流流動(dòng)與進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的一定規(guī)律[5-6]。

本文主要對(duì)收縮和擴(kuò)張噴管中的高速湍流氣體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并與M.Sajben和其同事的許多實(shí)驗(yàn)和仿真研究[7-12]結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,很好的符合相關(guān)的參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù),得出對(duì)于一定的來(lái)流速度和進(jìn)口總壓,進(jìn)氣道尾噴管的出口壓力越低,內(nèi)部流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)的正激波,從而導(dǎo)致擴(kuò)張部分出現(xiàn)正激波引起的氣流分離,嚴(yán)重影響超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能,為今后設(shè)計(jì)超聲速進(jìn)氣道提供一定的基礎(chǔ)。

創(chuàng)新點(diǎn)

(1)本文運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)收縮和擴(kuò)張噴管中的高速湍流氣體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,很好的符合了M.Sajben和其同事的許多實(shí)驗(yàn)和仿真研究[7-12]相關(guān)數(shù)據(jù),表明COMSOL軟件的運(yùn)用價(jià)值。

(2)得出對(duì)于一定的來(lái)流速度和進(jìn)口總壓,進(jìn)氣道尾噴管的出口壓力越低,內(nèi)部流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)的正激波,從而導(dǎo)致擴(kuò)張部分出現(xiàn)正激波引起的氣流分離,嚴(yán)重影響超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能,為今后設(shè)計(jì)超聲速進(jìn)氣道提供一定的基礎(chǔ)。

80T脈沖強(qiáng)磁體仿真模型

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強(qiáng)磁場(chǎng)作為一種科學(xué)研究的極端條件,是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)物理研究中最有效的工具之一,為發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)、產(chǎn)生新概念提供了更多的科學(xué)機(jī)遇。1985 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)“量子霍爾效應(yīng)”、1998 年“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”以及 2004 年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)“核磁共振成像技術(shù)”就是強(qiáng)磁場(chǎng)在現(xiàn)代科學(xué)研究中重要地位的集中體現(xiàn)?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為,強(qiáng)磁場(chǎng)在生命科學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)等若干學(xué)科領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響。更有科學(xué)家深信,強(qiáng)磁場(chǎng)的發(fā)展會(huì)實(shí)現(xiàn)某些學(xué)科領(lǐng)域的重大突破。

創(chuàng)新點(diǎn)

模型中充分考慮了磁體的集膚效應(yīng),渦流效應(yīng),磁滯電阻效應(yīng),將電路、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合,得到了完整的磁體放電過(guò)程。

非均質(zhì)地層中孔隙率和滲透率耦合作用下

地下巖層滲流場(chǎng)分析

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地下巖層中流體的滲流問(wèn)題與實(shí)際工程有直接關(guān)系,例如核廢料深部處置中有毒流體的逸散、油氣水力壓裂中流體的運(yùn)移,隧道和地鐵開(kāi)挖中巷道內(nèi)滲水等等。地下巖層流體的滲流一般遵循達(dá)西定律,流體沿著固體顆粒之間的空隙通道移動(dòng),流體和固體的相互作用,固體顆粒之間的空隙和裂隙形成流體的通道,流體作用會(huì)擴(kuò)大巖石內(nèi)部的空隙和裂隙大小。流體的流動(dòng)過(guò)程中巖石會(huì)發(fā)生空隙率和滲透率的耦合變化。

創(chuàng)新點(diǎn)

二步耦合:PDE和Darcy定律的耦合,Darcy定律中滲透率和孔隙率的耦合。