COMSOL仿真大赛来看看-仿真案例欣赏4

基于电磁波的光的干涉模拟

简介

光的干涉是指采用分束器将一束单色光束分成两束后,再让它们在空间中的某个区域内重叠,将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的:其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化,最亮的地方超过了原先两束光的光强之和,而最暗的地方光强有可能为零,这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。两束电磁波的干涉是彼此振动的电场强度矢量叠加的结果,而由于光的波粒二象性,光的干涉也是光子自身的几率幅叠加的结果。

简介

光的干涉是指采用分束器将一束单色光束分成两束后,再让它们在空间中的某个区域内重叠,将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的:其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化,最亮的地方超过了原先两束光的光强之和,而最暗的地方光强有可能为零,这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。两束电磁波的干涉是彼此振动的电场强度矢量叠加的结果,而由于光的波粒二象性,光的干涉也是光子自身的几率幅叠加的结果。

创新点

1.papadakis碳化方程参数选择过多,且不易确定,本文通过对该经典方程的简化,得到易于求解的碳化方程。

2.混凝土关于碳化的耐久性的问题一般都是通过碳化深度来表征,但是当涉及的到碳化与其他有害离子(氯离子,硫酸根)耦合对混凝土耐久性评估的情况下,建立碳化方程和数值模拟就出现了不可替代的作用,这是因为碳化过程导致混凝土内部物质的改变从而导致孔隙率和对其他离子结合效应的改变。

3.通过自己的实验对该方程进行验证,从而可以看出该方程的适用性和COMSOL求解的可操作性。

基于COMSOL的无线电能传输建模研究

简介

根据电能传输实现原理可以将无线电能传输分为基于电磁感应原理的无线电能传输技术、通过天线发送和接收原理的电磁波能量传输技术,即 RF无线电波技术、利用电磁场的共振原理的电能传输技术、激光技术、微波技术、基于电场原理的容性非接触电能传输技术这六种无线电能传输技术。无线电能传输实现了电源与用电设备间的电气隔离,具有安全、灵活、可靠等优点,得到了国内外学者的广泛关注。尤其是在2007年麻省理工学院(MIT)发现了磁谐振耦合式无线电能传输技术时将无线电能传输的研究推向了一个崭新的阶段,引起了新一轮研究无线电能传输的热潮。

在研究无线电能的过程中免不了仿真软件的使用,常通常从两个方面进行仿真,一是电路方面,即通过PSPice、MATLAB等电路仿真软件进行电路验证。二是从磁路方面,通过Maxwell等软件对磁路进行磁场验证。对于一般的研究或许仅仅需要电路仿真就行,但对于特殊磁路的研究往往要两相结合,尤其是在需要进行搭建平台进行试验验证时。

本案例用COMSOL软件搭建一个无线电能系统,主要通过磁路、电路两个物理场两无线电能传输中的电路仿真与磁路仿真结合起来。先对磁路进行仿真,根据理论设计利用COMSOL来选择线圈线径、线圈匝数及相距距离,同时观察磁场参数,对是否选用磁心做出指导。再添加电路进行仿真验证,是否符合设计要求。此种方式可以集合MATLAB与Maxwell的功能与一身,方便快捷。

创新点

采用一个软件进行了两个软件的工作,当然在本案例中对无线电能传输系统进行了简化,直接加的正弦源激励没有进行工频交流电整流滤波逆变环节,同时也省略了输出整流滤波。但是为一个新的思路,磁场可以对实际实验时线圈的绕制与距离以及是否需要磁芯进行指导,电路可以对设计结果进行验证。往后还可以在其中添加固体传热物理场对系统发热进行仿真模拟。

平板电容器边缘效应有限元与解析结合解法

简介

平板电容器是由两个彼此靠的很近的电极极板组成,当极板半径r远远大于极板间隙d时,可忽略边缘效应,认为极板内部电场均匀,此时平板电容器的电容值为C=εA/S,其中A为极板的面积。当上述条件不能满足时,计算平板电容器的电容值时就不能忽略边缘效应对其的影响。Shiree Burtd, G J Sloggett等人[1-4]已经通过解析的方法计算了考虑边缘效应时平板电容器的电容值。而通过COMSOL计算平板电容器边缘效应时,由于不同的边界条件会影响电容器外部电场分布,进而影响电容值的计算。

案例库[5]考虑的零电荷边界条件和悬浮电位边界条件对电容值的影响。本文在此基础上,增加另外两种边界条件方案,一种是解析与有限元结合边界条件,另一种是通过设置无限单元域并设置外表面接地。分析比较不同边界条件方案的计算结果,最后通过理论公式计算了电容值的近似解析解。

创新点

1.采用有限元和解析结合的方法设置边界条件,更好的理解有限元计算物理模型;

2. 采用无限单元域的方法,最大限度的使计算域扩展至无穷大的空间,从而模拟平板电容器边缘弥散电场;

3. 比较理论计算值和有限元计算值,增加有限元计算结构的可信度。

基于压电模块的超声速流量

简介

目前对流速的测量基本是基于声学的方法,超声波利用其自身的定向性高的特点而用来进行声学检测。通过向有液体流动的管腔内发射超声波,再对接受位置进行检测信号,根据信号时差即可以得到流速。压电装置可以利用自身的物理属性,将稳定规则的电信号装化为压力信号,从而形成定向传递的压力波。

创新点

在传统简化模型上加上了压电装置,让激励源更加接近实际工程领域,同时可以对压电装置进行参数研究,有效提高超声波流量计的设计。

Sajben进气道中的超声速流动

简介

在航空航天领域,通常将马赫数大于1以上的速度称为超声速。而目前以吸气式发动机及其组合发动机为动力是实现高超声速飞行器核心技术[1]。采用吸气式推进系统的超声速飞行器具有更高的比冲、更大的有效载荷、更远的航程、更轻的结构和更经济的飞行成本,在未来军事、民用上扮演重要角色[2]。对于超燃冲压发动机而言,由于对空气的压缩和提供足够的空气流量都是由超声速进气道完成,其性能的好坏是超燃冲压发动机工作成功与否的关键[3]。因此,探索超声速进气道内的气流流动情况,对更好实现超声速推进有着重要的意义。在上个世纪70年代,美国对两个二元高超声速进气道构型进行了风洞实验研究,研究进气道内气流流动问题[4];南京航空航天大学在高超声速进气道设计、实验和仿真等方面开展了深入研究,得出了气流流动与进气道设计的一定规律[5-6]。

本文主要对收缩和扩张喷管中的高速湍流气体流动进行数值模拟,并与M.Sajben和其同事的许多实验和仿真研究[7-12]结果进行对比,很好的符合相关的参考文献数据,得出对于一定的来流速度和进口总压,进气道尾喷管的出口压力越低,内部流动会出现更强的正激波,从而导致扩张部分出现正激波引起的气流分离,严重影响超燃冲压发动机工作性能,为今后设计超声速进气道提供一定的基础。

创新点

(1)本文运用COMSOL软件对收缩和扩张喷管中的高速湍流气体流动进行数值模拟,很好的符合了M.Sajben和其同事的许多实验和仿真研究[7-12]相关数据,表明COMSOL软件的运用价值。

(2)得出对于一定的来流速度和进口总压,进气道尾喷管的出口压力越低,内部流动会出现更强的正激波,从而导致扩张部分出现正激波引起的气流分离,严重影响超燃冲压发动机工作性能,为今后设计超声速进气道提供一定的基础。

80T脉冲强磁体仿真模型

简介

强磁场作为一种科学研究的极端条件,是现代实验物理研究中最有效的工具之一,为发现新效应、产生新概念提供了更多的科学机遇。1985 年诺贝尔物理学奖“量子霍尔效应”、1998 年“分数量子霍尔效应”以及 2004 年诺贝尔生理医学奖“核磁共振成像技术”就是强磁场在现代科学研究中重要地位的集中体现。科学界普遍认为,强磁场在生命科学、材料科学、物理学、信息科学等若干学科领域将产生非常深远的影响。更有科学家深信,强磁场的发展会实现某些学科领域的重大突破。

创新点

模型中充分考虑了磁体的集肤效应,涡流效应,磁滞电阻效应,将电路、磁场、温度场和结构场耦合,得到了完整的磁体放电过程。

非均质地层中孔隙率和渗透率耦合作用下

地下岩层渗流场分析

简介

地下岩层中流体的渗流问题与实际工程有直接关系,例如核废料深部处置中有毒流体的逸散、油气水力压裂中流体的运移,隧道和地铁开挖中巷道内渗水等等。地下岩层流体的渗流一般遵循达西定律,流体沿着固体颗粒之间的空隙通道移动,流体和固体的相互作用,固体颗粒之间的空隙和裂隙形成流体的通道,流体作用会扩大岩石内部的空隙和裂隙大小。流体的流动过程中岩石会发生空隙率和渗透率的耦合变化。

创新点

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