COMSOL仿真大賽來看看-仿真案例欣賞4

基于電磁波的光的干涉模擬

簡介

光的干涉是指采用分束器將一束單色光束分成兩束后,再讓它們在空間中的某個區(qū)域內(nèi)重疊,將會發(fā)現(xiàn)在重疊區(qū)域內(nèi)的光強并不是均勻分布的:其明暗程度隨其在空間中位置的不同而變化,最亮的地方超過了原先兩束光的光強之和,而最暗的地方光強有可能為零,這種光強的重新分布被稱作“干涉條紋”。兩束電磁波的干涉是彼此振動的電場強度矢量疊加的結(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,再讓它們在空間中的某個區(qū)域內(nèi)重疊,將會發(fā)現(xiàn)在重疊區(qū)域內(nèi)的光強并不是均勻分布的:其明暗程度隨其在空間中位置的不同而變化,最亮的地方超過了原先兩束光的光強之和,而最暗的地方光強有可能為零,這種光強的重新分布被稱作“干涉條紋”。兩束電磁波的干涉是彼此振動的電場強度矢量疊加的結(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

1.papadakis碳化方程參數(shù)選擇過多,且不易確定,本文通過對該經(jīng)典方程的簡化,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題一般都是通過碳化深度來表征,但是當(dāng)涉及的到碳化與其他有害離子(氯離子,硫酸根)耦合對混凝土耐久性評估的情況下,建立碳化方程和數(shù)值模擬就出現(xiàn)了不可替代的作用,這是因為碳化過程導(dǎo)致混凝土內(nèi)部物質(zhì)的改變從而導(dǎo)致孔隙率和對其他離子結(jié)合效應(yīng)的改變。

3.通過自己的實驗對該方程進行驗證,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的無線電能傳輸建模研究

簡介

根據(jù)電能傳輸實現(xiàn)原理可以將無線電能傳輸分為基于電磁感應(yīng)原理的無線電能傳輸技術(shù)、通過天線發(fā)送和接收原理的電磁波能量傳輸技術(shù),即 RF無線電波技術(shù)、利用電磁場的共振原理的電能傳輸技術(shù)、激光技術(shù)、微波技術(shù)、基于電場原理的容性非接觸電能傳輸技術(shù)這六種無線電能傳輸技術(shù)。無線電能傳輸實現(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,得到了國內(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)了磁諧振耦合式無線電能傳輸技術(shù)時將無線電能傳輸?shù)难芯客葡蛄艘粋€嶄新的階段,引起了新一輪研究無線電能傳輸?shù)臒岢薄?

在研究無線電能的過程中免不了仿真軟件的使用,常通常從兩個方面進行仿真,一是電路方面,即通過PSPice、MATLAB等電路仿真軟件進行電路驗證。二是從磁路方面,通過Maxwell等軟件對磁路進行磁場驗證。對于一般的研究或許僅僅需要電路仿真就行,但對于特殊磁路的研究往往要兩相結(jié)合,尤其是在需要進行搭建平臺進行試驗驗證時。

本案例用COMSOL軟件搭建一個無線電能系統(tǒng),主要通過磁路、電路兩個物理場兩無線電能傳輸中的電路仿真與磁路仿真結(jié)合起來。先對磁路進行仿真,根據(jù)理論設(shè)計利用COMSOL來選擇線圈線徑、線圈匝數(shù)及相距距離,同時觀察磁場參數(shù),對是否選用磁心做出指導(dǎo)。再添加電路進行仿真驗證,是否符合設(shè)計要求。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

采用一個軟件進行了兩個軟件的工作,當(dāng)然在本案例中對無線電能傳輸系統(tǒng)進行了簡化,直接加的正弦源激勵沒有進行工頻交流電整流濾波逆變環(huán)節(jié),同時也省略了輸出整流濾波。但是為一個新的思路,磁場可以對實際實驗時線圈的繞制與距離以及是否需要磁芯進行指導(dǎo),電路可以對設(shè)計結(jié)果進行驗證。往后還可以在其中添加固體傳熱物理場對系統(tǒng)發(fā)熱進行仿真模擬。

平板電容器邊緣效應(yīng)有限元與解析結(jié)合解法

簡介

平板電容器是由兩個彼此靠的很近的電極極板組成,當(dāng)極板半徑r遠遠大于極板間隙d時,可忽略邊緣效應(yīng),認為極板內(nèi)部電場均勻,此時平板電容器的電容值為C=εA/S,其中A為極板的面積。當(dāng)上述條件不能滿足時,計算平板電容器的電容值時就不能忽略邊緣效應(yīng)對其的影響。Shiree Burtd, G J Sloggett等人[1-4]已經(jīng)通過解析的方法計算了考慮邊緣效應(yīng)時平板電容器的電容值。而通過COMSOL計算平板電容器邊緣效應(yīng)時,由于不同的邊界條件會影響電容器外部電場分布,進而影響電容值的計算。

案例庫[5]考慮的零電荷邊界條件和懸浮電位邊界條件對電容值的影響。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,另一種是通過設(shè)置無限單元域并設(shè)置外表面接地。分析比較不同邊界條件方案的計算結(jié)果,最后通過理論公式計算了電容值的近似解析解。

創(chuàng)新點

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算物理模型;

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

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

基于壓電模塊的超聲速流量

簡介

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

創(chuàng)新點

在傳統(tǒng)簡化模型上加上了壓電裝置,讓激勵源更加接近實際工程領(lǐng)域,同時可以對壓電裝置進行參數(shù)研究,有效提高超聲波流量計的設(shè)計。

Sajben進氣道中的超聲速流動

簡介

在航空航天領(lǐng)域,通常將馬赫數(shù)大于1以上的速度稱為超聲速。而目前以吸氣式發(fā)動機及其組合發(fā)動機為動力是實現(xiàn)高超聲速飛行器核心技術(shù)[1]。采用吸氣式推進系統(tǒng)的超聲速飛行器具有更高的比沖、更大的有效載荷、更遠的航程、更輕的結(jié)構(gòu)和更經(jīng)濟的飛行成本,在未來軍事、民用上扮演重要角色[2]。對于超燃沖壓發(fā)動機而言,由于對空氣的壓縮和提供足夠的空氣流量都是由超聲速進氣道完成,其性能的好壞是超燃沖壓發(fā)動機工作成功與否的關(guān)鍵[3]。因此,探索超聲速進氣道內(nèi)的氣流流動情況,對更好實現(xiàn)超聲速推進有著重要的意義。在上個世紀(jì)70年代,美國對兩個二元高超聲速進氣道構(gòu)型進行了風(fēng)洞實驗研究,研究進氣道內(nèi)氣流流動問題[4];南京航空航天大學(xué)在高超聲速進氣道設(shè)計、實驗和仿真等方面開展了深入研究,得出了氣流流動與進氣道設(shè)計的一定規(guī)律[5-6]。

本文主要對收縮和擴張噴管中的高速湍流氣體流動進行數(shù)值模擬,并與M.Sajben和其同事的許多實驗和仿真研究[7-12]結(jié)果進行對比,很好的符合相關(guān)的參考文獻數(shù)據(jù),得出對于一定的來流速度和進口總壓,進氣道尾噴管的出口壓力越低,內(nèi)部流動會出現(xiàn)更強的正激波,從而導(dǎo)致擴張部分出現(xiàn)正激波引起的氣流分離,嚴重影響超燃沖壓發(fā)動機工作性能,為今后設(shè)計超聲速進氣道提供一定的基礎(chǔ)。

創(chuàng)新點

(1)本文運用COMSOL軟件對收縮和擴張噴管中的高速湍流氣體流動進行數(shù)值模擬,很好的符合了M.Sajben和其同事的許多實驗和仿真研究[7-12]相關(guān)數(shù)據(jù),表明COMSOL軟件的運用價值。

(2)得出對于一定的來流速度和進口總壓,進氣道尾噴管的出口壓力越低,內(nèi)部流動會出現(xiàn)更強的正激波,從而導(dǎo)致擴張部分出現(xiàn)正激波引起的氣流分離,嚴重影響超燃沖壓發(fā)動機工作性能,為今后設(shè)計超聲速進氣道提供一定的基礎(chǔ)。

80T脈沖強磁體仿真模型

簡介

強磁場作為一種科學(xué)研究的極端條件,是現(xiàn)代實驗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)機遇。1985 年諾貝爾物理學(xué)獎“量子霍爾效應(yīng)”、1998 年“分數(shù)量子霍爾效應(yīng)”以及 2004 年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎“核磁共振成像技術(shù)”就是強磁場在現(xiàn)代科學(xué)研究中重要地位的集中體現(xiàn)?？茖W(xué)界普遍認為,強磁場在生命科學(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)生非常深遠的影響。更有科學(xué)家深信,強磁場的發(fā)展會實現(xiàn)某些學(xué)科領(lǐng)域的重大突破。

創(chuàng)新點

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、溫度場和結(jié)構(gòu)場耦合,得到了完整的磁體放電過程。

非均質(zhì)地層中孔隙率和滲透率耦合作用下

地下巖層滲流場分析

簡介

地下巖層中流體的滲流問題與實際工程有直接關(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移,隧道和地鐵開挖中巷道內(nèi)滲水等等。地下巖層流體的滲流一般遵循達西定律,流體沿著固體顆粒之間的空隙通道移動,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,流體作用會擴大巖石內(nèi)部的空隙和裂隙大小。流體的流動過程中巖石會發(fā)生空隙率和滲透率的耦合變化。

創(chuàng)新點

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。