COMSOL在科研中的应用.pdf

1、仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation9FFFBFFF-TYUS-120609-5075206-299526061PASSCODE:仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation中仿科技2012年5月COMSOL Multiphysics在科研中的应用张建伟（Javy Zhang）“COMSOL Multiphysics创新前线”系列活动之灵感工坊仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation目录一

2、、COMSOL介绍二、背景概述三、COMSOLMultiphysics 软件简介四、COMSOL 在科研领域中的应用五、如何学习COMSOL六、结束语仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation一、COMSOL介绍仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOLGroupFoundedinStockholm,Sweden,1986.GloabalR&DCenter:USA,Sweden,Finland.About COMSOL仿

3、真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL in Global仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL in Global仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationMichelinMicrosoftNASAPhi

4、lipsPirelliProcter&GambleSAABSeagateVolvoRoyal Institute of TechnologyChalmersStanfordMITUniversity of SheffieldUniversity of CambridgeUniversity of OxfordTU EindhovenABBAgilentAstra ZenecaFiatFordHondaHPIBMIntelHarvardUCLAUniversity of TokyoIndian Institute of TechnologyUniversity of Western CapeKi

5、ng Fahd University of Petroleum&MineralsCOMSOL in Global仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation亚太总部：上海分布：北京、武汉、深圳CnTech仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 专业的软件集成与实施和项目咨询 强大的技术支持网络 专业的售后服务团队和培训中心 关注客户需求，提升客户价值中

6、仿科技(CnTech)是COMSOL公司在中国内地及港澳地区唯一合作伙伴了解更多详细信息，请访问：http:/www.CnT电话：4008885100仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation二、背景概述仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿真何为仿真？仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿真目的优化：

7、创新：仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationHow?仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation弦振动?仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationWhatistheproblem?Howtosolvetheproblem?Atool

8、tosolve?Awaytodescribe?仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation工程设计应用等计算机辅助工程(CAE)揭示科学奥秘和科学规律指导实验产品的思想和概念的创新缩短开发周期，节约成本仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation科学研究的方法：简单复杂单物理场多物理场人类的演化：单一多元低级高级研究趋势电磁力热流体反应电磁力热流体反应仿 真

9、 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation偏微分方程（PDE）：含有一个或多个未知变量及其偏微分的方程fauuuuctudtueaa)(22zyx,偏微分方程描述物理场1)(utU热传导方程仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation声学传热电磁流体流体材料反应力学力学岩土岩土结构化学什么是多物理场声学磁流体流体材料力学力学岩土岩土传热电磁反应结构化学仿 真 智

10、 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation物理场1偏微分方程1.偏微分方程组的解物理场2偏微分方程2物理场N偏微分方程N求解偏微分方程组多物理场问题分析仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationMultiphysics isthenameofthegame,whilePDEssettherules.Dr.Svante Littmarck,CEOofCOMSOLIn

11、c.Game and Rules仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation三、COMSOL Multiphysics软件简介仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationModulesLivelinksforCADCADImportLivelinksforMatlabJavaScriptWhat is COMSOL Multiphysics仿 真 智 领 创

12、 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation Lots of physics,lots of software Elasticity Abaqus,Ansys,Nastran etc Air resistance Fluent,CFX etc Electronics Ansoft,Maxwell Heat transfer Flowterm Chemical reactions Aspen COMSOL covers allCOMSOL covers allWhy COMSOL?仿 真 智 领

13、 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL Multiphysics仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation应用领域：碱性燃料电池盐熔碳酸盐燃料电池直接甲醇燃料电池质子交换膜燃料电池固体氧化物燃料电池锂离子电池镍氢电池铅酸蓄电池电池与燃料电池模块第一、第二、第三电流密度分布等的功能。可由固体或多孔材料电极以及任意浓度的电解液组成。可对热传、流体流动、电化

14、学反应等多物理进行耦合仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationCFD模块应用领域：应用领域：共轭传热旋风分离器,过滤器和分离装置电子冷却风扇，格栅和泵车辆和结构的外部绕流管道，阀门，接口和喷嘴内的流体流化床和喷剂流构耦合(FSI)气泡流热交换和散热凸缘润滑和流体弹性力学医药/生物物理应用，如血管血流问题混合器和搅拌容器非等温流非牛顿流聚合物流和粘弹性流多孔介质流沉淀，乳液和悬浮液湍流仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真

15、智 领 创 新Simulating inspires innovation电镀模块应用领域：应用领域：阳极氧化镀铬铬处理腐蚀保护E涂层电涂层电着色采矿电沉积电路板制造电沉积电成型电镀功能性电镀抗腐蚀涂层仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation微流模块应用领域：应用领域：毛细力化学和生化传感器介电泳(DEP)DNA芯片和芯片实验室电凝聚电动流电渗电泳电湿润流固喷墨打印机磁泳马兰哥尼效应微反应器，微泵，微混合器分子流多孔介质流稀薄气体流静态混合器表面张力效应两相流真空系统仿

16、真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation热传模块铸造和热处理过程电子电器系统及电源的对流冷却烘干和冷冻干燥搅拌摩擦焊摩擦熔炉设计热交换器材料热处理电阻生热和感应生热热力学设计刹车盘，冷却法兰，排气管焊接电结构电磁热仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation结构力学模块声-结构耦合弹塑性材料和超弹性材料分析机电设备疲劳分析流固耦合多物理场接触压电效应应力光学

17、效应热摩擦热结构耦合电结构热声流体仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationAC/DC 模块电容、电感和电阻电磁兼容和干扰电磁换能器、传感器和变压器高电压分布和轨道炮绝缘和传导静磁和电磁屏蔽MEMS和霍尔传感器电动机、发电机和其他电机等离子体模拟和磁流体动力学焦耳热和感应加热电磁电磁仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationMEMS模块加速度计执行器悬臂

18、梁和其它开关微通道中流固耦合MEMS声换能器MEMS电容器MEMS热传感器微反应器、微泵、微混合器压电、压阻器件电结构电磁热仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationRF模块射频微波光学工程金属、电介质、旋磁、工程特性的超材料天线、波导和谐振腔表面等离子体生热超材料微波和射频加热微波器件微波烧结石油探测/海床探测天线和波导中的热应力效应传输线/波导线仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating

19、inspires innovation粒子追踪模块在CFD，电磁，声学和其他应用领域，追踪粒子和物理场之间的相互作用。Mixinginastaticmixer应用范围：流体可视化混合喷雾粒子分离质谱分析离子光学声流射线追踪仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation易用性开放性灵活性COMSOL Multiphysics“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simul

20、ating inspires innovationCOMSOL Multiphysics的特点易用性基于模型树的流程化操作完全开放的架构多物理场耦合专业的计算模型库内嵌CAD建模工具及第三方 CAD导入丰富的后处理功能多国语言操作界面开放性对用户透明可任意修改现有模型支持建立自己的模型/方程灵活性与MATLAB无缝链接实现强大二次开发JAVA编程构建自己的有限元软件仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires inn

21、ovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation基于模型树的流程化操作仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation内嵌CAD建模工具及第三方CAD导入仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation完全开放的架构仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新

22、Simulating inspires innovation丰富的后处理功能仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation建立自己的模型/方程仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation专业的计算模型库仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovati

23、on自定义耦合模式自定义耦合模式在各个物理场中分别设定填入各物理场之间的耦合关系多物理场耦合常用方法仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation采用预置耦合模式采用预置耦合模式声-固、结构-热、流-固、电-热、多物理场耦合常用方法仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation选择物理模型设置材料属性设置边界条件网格剖分求解数据后处理COMSOL Multiph

24、ysics仿真流程仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation ModelBuilder快速建模 扩展CAD协同功能：LiveLinkforPro/ENGINEERLiveLinkforSolidWorksLiveLinkforAutodeskSpaceClaimMatlabInventorCOMSOL Multiphysics前处理仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires

25、innovation插值曲线：创建插值函数从模型mph文件中导入参数化几何序列在模型树上剪切粘贴几何对象和操作在3D几何的2D透视工作面上绘制草图COMSOL Multiphysics前处理仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 2D图像导入 使用灰度图像数据描述材料分布 平均计算或均化：从电导率，介电常数，弹性或孔隙率等微观量到等价宏观均值 当仅需要近似结果时能加速计算 支持的格式：JPG,JPEG BMP PNG GIF原始图像=粘度COMSOL Multiphys

26、ics前处理仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation扩展扫掠式网格功能扫掠网格的新功能：N到 M,NM 分隔为N部分的表面能被扫掠为由M部分组成的表面，其中 NM扩展网格拷贝功能COMSOL Multiphysics网格剖分仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation图像 面图 箭头标示 流线 粒子追踪 线图 体积图 切面 等值面动画图表数据(例如Excel)综合报告结果可视化COMSOL Multiphysics后处理仿 真 智 领

27、 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation支持脚本代码.可以将COMSOL文件保存为MATLAB的M文件.能对M文件作出修改操作和调用定义的函数.导出COMSOLMultiphysics仿真结果用于其他模拟软件的计算.COMSOL Multiphysics 二次开发仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 电池：电池：锂离子电池镍氢电池铅酸电池 燃料电池：燃料电池：

28、碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）直接甲醇燃料电池（DMFC）金属电镀与冶金：金属电镀与冶金：金属电镀电解冶金 电解：电解：氯碱电池 铝酸盐电池 生物电解 水的电解 气体扩散电极 腐蚀：腐蚀：电极保护 金属腐蚀电化学模块仿真应用仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 应用领域：应用领域：电化学模拟仿真 内置方程/接口内置方程/接口 一/二/三次电流分布 电池接口 与其

29、它物理场的耦合与其它物理场的耦合 流体流动，化学反应，电磁场，传热 电池与燃料电池模块仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 电能化学能电能化学能 能量转化与守恒 媒介：离子电导体 电化学界面反应电化学界面反应 电极：电子导体 电解质：离子导体界面电荷转移（法拉第定律）电子，e电子传导（电极）离子传导（电解质）电化学仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innova

30、tion 一次电流分布一次电流分布 欧姆定律、忽略活化超电势、忽略浓度变化的影响 二次电流分布二次电流分布 欧姆定律、活化超电势、忽略浓度变化的影响 Butler-Volmer方程 三次电流分布三次电流分布 欧姆定律、活化超电势、浓度变化 ButlerVolmer方程和Tafel方程、Nernst-Planck 方程得到电流电势分布，离子的输运过程仅对电解质中的电流有贡献得到电流电势分布，各组分浓度分布（中性组分和带电组分的扩散、对流、电迁移）得到电流和电势分布，用于估计简化的电化学电池模型中的欧姆损失电流分布接口仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovatio

31、n仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 材料属性：材料属性：电导率 反应速率常数 流体流动：流体流动：多相流 多孔介质流动 自由与多孔介质流动 其它物理场：其它物理场：传热 结构力学 电磁场与其他物理场的耦合仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 传统的CFD 流体流动 层流、湍流 多相流 旋转机械流 多孔介质流 多物理场耦合 流体流动与任意物理场耦合 流热耦合 流固耦合 流电、流磁耦合 CFD模块仿 真 智 领 创 新Si

32、mulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 各种专业的应用模式 预置耦合应用模式 流热耦合 流固耦合 其他应用 多物理场耦合CFD模块中提供的各种模式仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿真需求分析耦合电传热电化学反应流动传质电势分布电流密度分布焦耳热、反应放热吸热热量传递电极氧化还原反应流速分布离子迁移、扩散、对流复杂的多物理场耦合问题得到并合理展示所关心的参数指标仿 真

33、 智 领 创 新Simulating inspires innovationCOMSOL Multiphysics在科研中的应用仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation土豆发电土豆发电仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation橙子发电橙子发电仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation橙子发电橙子发电几何模型（锌和铜）电势分布不同时间锌浓度等值面几何模型（锌和铜）电势分布不同时间锌浓度等值面仿 真 智 领 创 新Simulatin