声学模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.1 版本为“声学模块”的用户提供了模拟声流 (Acoustic Streaming) 的功能,支持使用时域显式求解器计算对流声学中的流体流动效应,并为热黏性声学引入了集总扬声器边界条件。请阅读以下内容,进一步了解这些更新及其他新增功能。

声流仿真

声流 (Acoustics Streaming) 是由声场引起的流体流动,在微流体和芯片实验室系统中非常重要,其应用包括粒子处理、流体混合,以及微流体泵等。6.1 版本中新增的声流功能用于计算声场在流体中引起的力、应力和边界滑移速度,以产生流场。

新版本添加了两个新的多物理场接口用于声流仿真:压力声学声流热黏性声学声流。当您添加其中任何一个接口时,软件会自动创建两个多物理场耦合:声流域耦合声流边界耦合,将频域声场与稳态或瞬态流体流动相耦合。您可以在以下教学案例中查看这些新的多物理场功能:

由于辐射力和玻璃毛细管中的流体流动,粒子在声阱中移动。其中,小粒子的运动主要由黏性曳力控制。

微流体泵模型的二维绘图,其中显示速度大小。 声学微流体泵内的流线和速度大小(对数刻度),由尖锐边缘处产生的强声流驱动。

“对流声-结构相互作用,时域显式”的稳态背景流仿真

新功能可以使用时域显式公式为大型瞬态模型模拟对流声-结构相互作用(存在稳态背景流时的振动声学)。为此,新版本添加了两个新的多物理场耦合:对流声-结构边界,时域显式对,对流声-结构边界,时域显式,用于耦合对流波动方程,时域显式弹性波,时域显式 接口。流体域和固体域之间的边界(或对选择)上添加了这些条件。如使用压电换能器的超声波流量计模型所示,常见的应用是对流量计系统进行建模。

超声波流量计中声信号在对称平面上的传播,其中包含全耦合的物理场设置,包括压电换能器、匹配层和背衬层以及背景流。

用于热黏性声学的集总扬声器边界

现在,您可以使用集总扬声器边界内部集总扬声器边界 特征在频域和时域中分析热黏性声学。这完善并扩展了压力声学 接口中的现有边界条件。借助这些边界条件,您可以更轻松地在热黏性声学中使用混合集总有限元法 (FEM) 表示来设置和模拟微型扬声器。对于微型换能器来说,由于在预期的频率范围以外会发生破碎效应,集总表示通常在较大的频率范围内是准确的。在时域中,可以通过 CMS(x)、BL(x) 或 RMS(v) 等大信号参数来包含非线性效应。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“集总扬声器边界”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示智能手机模型。 集总扬声器边界条件的 设置窗口,用于通过 Thiele-Small 表示对智能手机的微型扬声器进行建模。

热黏性声学中的集总端口

热黏性声学,频域 接口中添加了集总端口 特征。该特征可以将波导或管道入口/出口连接到集总表示元件;这可以是电路 接口(集总电声表示)、通过转移矩阵定义的二端口网络或波导的集总表示。总之,它可以将波导的末端与具有给定声学集总表示的外部系统相耦合。当使用集总端口表示时,假设只有平面压力波((0,0) 模式)在声波导中传播,确保在数学和物理上对包含热黏性边界层的波导实现一致的耦合。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“集总端口”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示换能器模型。 热黏性声学,频域接口中 集总端口条件的设置,其中耦合了平衡电枢换能器突出部分的二端口表示,以对测试系统进行建模。

热黏性-热弹性力学多物理场耦合

通过包含更详细的阻尼描述,新功能可以准确模拟 MEMS 器件的振动响应。您可以使用两个新的多物理场接口来模拟与热弹性力学耦合的热黏性声学(分别用于频域和时域):热黏性声-热弹性力学相互作用,频域热黏性声-热弹性力学相互作用,瞬态 接口。当添加任一接口时,模型中都会包含热黏性声学固体力学固体传热 接口,并包含热弹性力学 和新的热黏性声-热弹性力学边界 多物理场耦合。新的多物理场接口将固体域中的位移和温度场与流体域中的压力、速度和温度的声学变化进行耦合,其公式依赖于所有场的扰动格式。您可以在预应力微镜振动:热黏性-热弹性力学耦合教学案例中查看这些新的多物理场功能。

显示温度和网格的微镜模型。 600 Hz 振动模式下,微镜结构和周围空气域中的温度扰动。

弹性波的裂隙边界条件

弹性波,时域显式 物理场接口中新增的裂隙 边界条件用于处理两个具有不完全结合的弹性域。裂隙可以是弹性薄层、充满流体的层,或弹性材料的不连续性(内部边界),您可以使用多个选项来指定薄弹性域的属性。这种边界条件的典型应用是模拟无损检测 (NDT) 应用,例如检查脱层区域或其他缺陷的响应,或者模拟石油和天然气工业中波在断裂固体介质中的传播。您可以在角钢梁无损检测模型中查看此特征的应用演示。

二维模型,其中以 Twilight 颜色表显示弹性波。 使用新的 裂隙边界条件模拟的弹性波在缺陷处的反射和衍射。

时域显式接口的性能改进

一些重要的求解器性能改进,以及物理场方面的公式改进,适用于所有时域显式声学接口。当使用基于间断伽辽金 (dG) 方法的时域显式声学接口运行仿真时,COMSOL Multiphysics® 现在支持求解超过 20 亿个自由度 (DOF) 的模型。

“压电波,时域显式”接口

在使用时域显式方法运行涉及压电效应的模型时,对于问题的静电部分,现在有一种新的时间步进策略可以提高性能。此外,在集群架构上求解大型压电时域显式模型时的性能也得到了提升。压电多物理场依赖于混合 dG 代数有限元公式,它现在具有与纯 dG 时域显式问题相同的性能。举例来说,使用压电换能器的超声波流量计模型(现在具有较细化的网格,解析双倍频率)需要求解 75,600,000 个自由度,其中包含 3700 个代数有限元自由度(压电域中的电压),在集群架构的八个节点上运行时,速度提升高达 35%。

“压力声学,时域显式”接口

阻抗 边界条件现在使用改进的数值通量公式来提高稳定性,以确保硬声场边界和软声场边界都产生稳定解。此外,还添加了两个新的条件来模拟转移阻抗设置:内部阻抗对,阻抗。这两个条件也都利用了阻抗条件中改进的数值通量。

压力声学,时域显式 接口一起求解常微分方程组 (ODE) 时,性能也有所提升,这在时域中模拟频率相关的阻抗条件时非常有用。您可以在具有频率相关阻抗的全波时域室内声学教学案例中查看相关示例。

带有 7 kHz 载波信号的高斯脉冲在房间内的传播。该模型求解 2.2x109 个自由度 (DOF),并包含用于模拟频率相关吸声天花板的常微分方程。

“弹性波,时域显式”接口

在二维和二维轴对称模型中,重新制定了基本方程的公式,使其在这些特定情况下更加有效。在二维模型中,新增了一个选项来包含或排除面外分量的计算。包含这种计算时,该表征为 2.5 维公式;否则为平面-应变公式。在二维轴对称模型中,总是排除面外分量。例如,地震波在地球内部的传播模型中求解的自由度数已从 17.2x106 减至 12.2x106。在同一台工作站上,该模型的计算时间已从 15 小时 40 分钟缩短为 12 小时 20 分钟。

“压力声学,频域”中新增转移矩阵耦合边界条件

压力声学,频域 接口中新增的转移矩阵耦合 边界特征用于使用转移矩阵表示来耦合两个边界(源和目标)。转移矩阵是用于连接两个边界的物理域的简化或集总表示,其中有两个选项,一个是逐点耦合,另一个是集总表示,您可以在使用声转移矩阵分析柴油颗粒滤清器模型中进行查看。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“转移矩阵耦合”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示滤清器模型。 转移矩阵耦合特征的设置,用于通过简单的表示来模拟柴油颗粒滤清器。

用于“压力声学,瞬态”的集总扬声器边界和内部集总扬声器边界

压力声学,瞬态 接口中添加了集总扬声器边界内部集总扬声器边界 条件,用于模拟混合集总和有限元扬声器设置。这是对压力声学,频域 接口中已有特征的补充,在边界条件与电路 接口之间建立了耦合,以便建立能够以简化方式包含大信号参数(如 CMS(x)、BL(x) 或 RMS(v))的模型。软件为轴向位置和速度提供预定义的全局变量。您可以在具有非线性大信号参数的集总扬声器驱动器瞬态分析模型中查看此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“内部集总扬声器边界”节点,并显示其对应的“设置”窗口;两个“图形”窗口显示一维绘图。 内部集总扬声器边界条件的设置,并显示由于非线性大信号参数而在扬声器驱动器中产生的谐波。

热黏性边界层阻抗特征中的热条件得到扩展

热黏性边界层阻抗 特征中添加了新的导热壁 选项,可以使用有限或无限厚度的壁的不同分析表示来模拟非理想的热壁条件。此外,还提供了新的变量用于计算边界层中的综合耗散和传输能量(包括对流项)。这些变量不仅在耗散建模中有用,在模拟加热时也非常有用。

压力声学的多孔层阻抗选项

阻抗 边界条件中的多孔层 选项已更新,新的选项可用于处理阻抗对入射角的依赖性。入射角可以是表面的法线,也可以设置为特定的角度或方向。自动 选项可以指派有效的入射角,这对具有扩散声场的室内声学仿真很有帮助。

用于声学物理场的“物理场控制网格”

物理场控制的网格生成已扩展到更多声学 接口。物理场控制网格会生成良好的满足最佳网格划分操作的初始网格,例如,可以解析波现象和边界层。新版本为以下接口添加了物理场控制的网格:

  • 压力声学,边界元
  • 压力声学,基尔霍夫-亥姆霍兹
  • 压力声学,渐近散射
  • 压力声学,时域显式
  • 非线性压力声学,时域显式
  • 弹性波,时域显式
  • 热黏性声学,频域
  • 热黏性声学,瞬态

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“网格”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示三维绘图。 压力声学,时域显式接口模型中使用的物理场控制网格的设置。

基于基尔霍夫-亥姆霍兹内核的计算加速

现在,依赖于基尔霍夫-亥姆霍兹积分计算的特征比 6.0 版本快 50% 左右;具体的加速情况取决于硬件和绘图的复杂程度(复杂程度越高,获得的增益越大)。受益于这些改进的一项特征是在压力声学中用于在结果中绘制外场的外场计算

实际的计算时间在于基尔霍夫-亥姆霍兹积分内核的计算。因此,在使用高频声学接口压力声学,渐近散射压力声学,基尔霍夫-亥姆霍兹 时,这些改进(以及它们对外场计算 特征的影响)尤为重要。举例来说,在潜艇高频渐近散射教学案例中,最终绘图散射声压级 的计算时间减少了 25%。

潜艇模型,其中以 Traffic 颜色表显示压力。 使用高频方法模拟潜艇周围的散射压力场,其中用基尔霍夫-亥姆霍兹表示法使计算速度提高了 25%。

射线声学功能改进

通过方法调用导出气球数据

敞开式扬声器箱中的驱动器模型现在包含方法方法调用,可以按适合未来使用的格式导出扬声器辐射数据(气球图)。这个例子演示如何使用“App 开发器”中提供的工具通过方法进行自定义导出。在小型音乐厅声学分析教学案例中,导出的气球数据还用于定义带方向性的源 特征。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“方法调用”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示扬声器模型。 方法调用的设置,用于导出扬声器模型中的辐射气球数据。

伪随机数生成算法得到改进

射线声学 接口包含多个依赖于伪随机数生成 (PRNG) 的特征,例如一定条件下的射线-边界相互作用和边界处的漫反射或各向同性散射。针对此类特征,新版本对伪随机数生成器的调用进行了广泛的审核和修订。新的表达式更不可能在本应不相关的随机数之间产生相关性,这包括作用于不同射线的随机边界条件之间,以及随机生成的矢量分量之间不必要的相关性。

“仅在解中存储累积变量”的选项

根据您的应用,累积变量(例如边界上的声压级)可能比单个射线的位置和方向更有价值。为了减小文件的大小,您现在可以选择仅在解中保留累积变量,而放弃与射线相关的自由度。

从外场释放

从外场释放 特征现在可以从压力声学,基尔霍夫-亥姆霍兹压力声学,渐近散射 接口中拾取外场。此外,该特征现在还支持在一次参数化扫描中求解多个频率。

流致噪声的功能改进

气动声学流动源耦合 多物理场特征现在允许从新的分离涡模拟 流体流动接口中获取流动源。大涡模拟 流体流动接口添加了多个新特征,包括入口的合成湍流选项。如需获取更多详细信息,请参见 CFD 模块更新。此外,超压项现在也包含在 Lighthill 应力张量中;例如,这些项可以描述在源区域发生强非线性效应或流动仿真中存在热源的情况下,与线性等熵特性的偏差。

固体力学接口 - 一维

现在,固体力学 接口可用于一维和一维轴对称组件,其基本功能无需使用附加产品。在横向上,您可以选择平面应力、平面应变和广义平面应变的不同组合。在电池建模、声学和热-结构相互作用等方面,可以使用多种多物理场应用,其中一维模型对于洞察各种物理现象很有帮助。请注意,电池中的插层应变功能已包含在“电池模块”中。对于更高级的建模,可以使用“结构力学模块”、“MEMS 模块”、“多体动力学模块”或“声学模块”提供的附加特征。

新的装配连接方法

新版本添加了 Nitsche 方法,可以强制使装配中的边界之间具有连续性。与经典的逐点约束相比,这种方法有两个重要的优势:

  • 当两侧的网格不共形时,可以明显减少解中的局部扰动。
  • 不添加任何约束,因此无需消除约束,这一过程不仅对数值敏感,有时还需要耗费很大的计算量。

新增各向异性材料的输入

线弹性材料 特征中添加了多个用于输入弹性常数的新选项:

  • 正交各向异性材料现在可以通过七种不同晶系的晶体数据来描述:立方晶系、六方晶系、六常数三方晶系、七常数三方晶系、六常数正方晶系、七常数正方晶系和正交晶系。
  • 支持横向各向同性材料的输入,从而减少此类材料的输入数量。
  • 除弹性矩阵以外,一般各向异性材料现在还可以由其柔度矩阵表征。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“线弹性材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一个三维对象。 使用晶系输入弹性数据的用户界面。

局部坐标系中的结果

现在,您可以通过添加局部坐标系结果 节点来轻松定义任意数量的局部坐标系,以计算结构力学 接口中的常用量。您可以在可用的变换量中找到应力、应变、位移和材料属性。

预定义的绘图建议

功能区的结果 选项卡的添加预定义的绘图 菜单中添加了多个预定义的声学绘图。新的预定义绘图会自动为多种情况设置有用的绘图,包括多物理场配置图,可以显示耦合压力和热黏性声学或压力声学和多孔弹性波模型的压力或声压级,等等。此外,在求解基于间断伽辽金时域显式公式的模型时,您还可以添加单元波时间尺度图,这有助于识别会限制内部时间步进的有问题的网格区域。

求解器建议的功能改进

新版本添加了多个新的迭代求解器建议,并对现有求解器建议进行了改进。请记住在研究中选择将求解器重置为默认设置,以获取最新的求解器配置和求解器建议更新。其中最重要的更新如下:对于压力声学,频域 模型,改进了基于移位拉普拉斯方法的建议迭代求解器,以加快收敛速度​​。例如,汽车车厢声学 - 频域分析模型在 3 kHz 下进行分析时,现在的求解时间是 1 min 39 s,而不是 2 min 19 s(与 6.0 版本中的时间相同);在 4 kHz 下求解时,时间为从 5 min 13 s 缩短至 3 min 31 s。

对于热黏性声学,基于域分解 (DD) 方法的迭代求解器建议已得到改进,现在可以使用最新的求解器技术。正因为如此,该求解器现在通常是求解较大模型的不错选择。有关比较不同求解器的示例,请参见“案例下载”中的穿孔板的转移阻抗模型。

新版本添加了专用的迭代求解器建议,用于求解扬声器和其他换能器等三维电振动声学模型。特别是在使用洛伦兹耦合磁机械力 多物理场耦合将声学(压力和/或热黏性声学)、结构(实体和/或壳)与磁场 物理场接口进行耦合时,软件可以给出有效的迭代求解器建议。请参见扬声器驱动器 - 频域分析(三维)平衡电枢换能器教学案例,获取更多相关示例。

新的和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.1 版本的“声学模块”引入了多个新的和更新的教学案例。