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以仿真为主导的防腐蚀策略 中文

S. Qidwai
USNRL, DC, USA

腐蚀是一个广受关注的问题,美国平均每年在此方面的花费达数十亿美元。尤其对海军而言,它是第一大维修问题。因此,在海军研究实验室(NRL),研究人员正基于多物理场仿真开发有助于材料设计师制作耐腐蚀材料的方法。他们这样做的目的是可以更直观地了解金属组成和微观结构对金属中腐蚀面产生影响的过程。随着腐蚀凹坑在材料中的逐渐变化,结构的完整性会降低,从而可能导致材料或部件在载荷下失效。因此,他们的总体目标是量化微结构、腐蚀凹坑渐变及机械性能之间的关系。为了建立这种关系,他们正努力开发会考虑微结构的腐蚀全耦合电化学质量传递模型。除了诸如移动网格(ALE)技术这样的功能外,他们还准备使用 COMSOL Multiphysics® 与 LiveLink™ for MATLAB 联合开发自己的模型。

利用多物理场仿真让智能材料更智能

J. Slaughter
ETREMA Products, IA, USA

ETREMA 产品公司的设计师和研究人员设计了具有磁致伸缩行为的智能材料,并将其应用于高精密设备。Terfenol-D 就是由 ETREMA 独家制造的一种特殊超磁致伸缩材料,它会响应所施加的磁场表现出任何合金的最大变形,而且它集成在诸如换能器等设备的核心中。由于 ETREMA 决定使用系统研究法来设计,这一决定最终促使他们采用 COMSOL Multiphysics 软件进行仿真,这样便能够开发具有自定义材料的模型和包含物理场的多个组件。使用单物理场仿真的最初目的是针对换能器设计进行计算。而创建磁致伸缩的耦合模型可以研究在机械应力和磁场作用下设备产生的变形,由此提供了一款在产品开发的每个阶段几乎都会用到的精确设计工具。

利用微波加热开发一种应用于有机合成的新型微反应器

W. Lee, K. Jensen
MIT, MA, USA

用于生成溶剂和某些药物的化学反应依赖于有机合成,有机合成是可以通过微波加热来加速各种化学制品化合的过程。微反应器系统具备成功合成所必须的直接的、局域的且有效的温度变化。不过,均匀的温度分布对化学过程来说至关重要,不必要的温度变化或加热速度过慢可以抑制这些化学反应。麻省理工学院(MIT)的研究员 Wen-Hsuan Lee 制造了硼硅酸盐玻璃微反应器进行这个微波有机合成,但当她在微波系统中测试自己的设计时,发现加热并不均匀而且低于所需温度。于是她使用 COMSOL Multiphysics 软件模拟微反应器,以此研究模型的几何和方向对加热过程所产生的影响。通过这些仿真结果,她能够重新改造微反应器,并优化其在微波系统中的位置和方向,以成功实现有机合成。

对抗核废物存储设施的腐蚀 中文

G. Barbella, P. Geraldini
Sogin, Italy

意大利的核电站即将停止使用,剩下的问题是如何安全地管理和存储放射性废物。核废物可以临时存储于用混凝土包裹的钢桶里,但环境因素必须谨慎控制,防止钢腐蚀。腐蚀过程难以进行实时监测,存储区域中的相对湿度还必须保持在65%以下。无论如何,采用普通 HVAC 系统来解决这种情况都是不切实际的,因为要考虑操作成本,定期维护需求以及存储空间的问题。于是 Sogin S.p.A. 的工程师们改用仿真进一步阐明这些必要条件以及可以有效满足它们的方法。选择工业用等级温除湿机代替 HVAC 系统,因为它与 HVAC 系统相比成本更低、更小巧,更易变。其团队使用 COMSOL Multiphysics 软件在存储区域模拟了空气对流,以及室内气压中的热湿传递。基于这些结果,他们能够确定除湿装置的最优布局,从而减少所需装置数量并降低腐蚀风险。

保持低温:SRON 为深空望远镜开发热校准系统 中文

C. de Jonge
SRON, Netherlands

外太空望远镜需要超灵敏探测器和校准才能接收弱远红外信号。远红外仪器(SAFARI),一种将登上宇宙学及天体物理学用宇宙学与天体物理空间红外望远镜(SPICA),其具有测量远红外光谱的传感器。SAFARI 系统包括一个辐射源,用于校准,但辐射源非常强大,完全超出了读数范围。这样热管理即成为一个非常重要的考虑因素,因为传感器必须保持在低温条件下。不锈钢悬垂绳会将辐射源固定到一个悬架系统,从而防止它接触其他设备,减少热传递和振动。荷兰 SRON 空间研究院的设计工程师 Chris de Jonge 采用了 COMSOL Multiphysics 软件辅助设计这个隔热悬架系统。他还利用自己的 COMSOL 仿真结果,优化校准系统内部光圈和快门机械的几何结构,同时开发最佳线圈设计并将电流和散热减至最低。

利用多物理场仿真防止建筑物损坏 中文

P. Sekki
Vahanen Group, Finland

除了正常过冬外,结实的建筑物还必须能够抵御 50 年期间可能会遇到的最寒冷冬季。当湿气和污染物进入混凝土地基时,就可能会带来开裂的风险,还有土壤或地基冻结后其他结构性的损坏。 Vahanen 集团作为专业的建筑服务企业,会对房屋进行质量和风险评估,以确保按计划进行翻修不会让建筑物面临霜冻危害的危险。Vahanen 集团的建筑专家 Pauli Sekki,采用了 COMSOL Multiphysics 模型来确定是否对建筑物进行特定翻修就足以保护地基,如拆除损坏的加热管并用发泡聚苯乙烯取代现有的隔热材料。他在仿真中考虑到了地基以及周围环境中的传热、每个地区的材料属性及以往冬季的温度数据进行了说明。通过使用自己的仿真结果,他能为施工队伍提供准确的翻修计划建议。

惠而浦公司利用仿真改进热量和能量利用效率

N. Garcia-Polanco
Whirlpool Corporation, Italy

在惠而浦公司与欧洲创始 GREENKITCHEN 项目合作进行的研究中,工程师们就是用仿真来提高家用烤箱的能效的。由于烤箱消耗的总能量中只有百分之十到十二真正用来加热食物,所以研究人员需要进行很多研究工作。通过使用 COMSOL Multiphysics® 软件和传热模块,工程师们创建了惠而浦的模型来研究热传热递过程中的传导、对流和辐射。最终得到的这个模型可以模拟欧盟关于能量消耗的标准测试(称为“砖块测试”),同时可以分析能量温度分布图以及在不同的加热循环过程中的水分浓度。这项研究的结果将有助于惠而浦和 GREENKITCHEN 采取进一步举措来减少欧洲国家能源消耗和改进能源利用效率。

仿真实现了新一代的电力变压器和并联电抗器

L. Jovelli
Siemens, Brazil

从发电到将电分配到最终用户,整个输电网路中都会使用电力变压器和并联电抗器来进行电压转换及无功功率吸收。在位于 Jundiai, São Paulo 的西门子巴西分公司,设计师们使用多物理场仿真来验证网路集成变压器和并联电抗器能在不产生过热的情况下处理不断增长的电力需求,确保他们可以安全地进行操作。他们已经在变压器和并联电抗器设计中使用了仿真,这样可以有效减少热点,同时仿真还可以优化变压器油的流通从而进行更好的冷却。他们的工作包括创建一个油浸式电力变压器的多物理场模型以研究热工水力性能。这是西门子或其他任何地方的首个 3D 变压器模型。随着仿真准确性一步步得到验证,这些仿真结果不仅可以防止设计的失败,而且也可以用于优化材料和所需制冷配件的数量,有助于降低开发成本。

优化血液分析方法:物理原型失败时,仿真提供了答案 中文

D. Isèbe
HORIBA Medical, France

血液学分析,即确定各种血液参数的血样分析,是对血液疾病进行诊断和作出治疗决策的关键要素。准确的血液学分析需要计数并分类样本中的不同细胞来测量它们的大小和分布。HORIBA Medical,是一家提供医疗诊断设备的公司,主要使用 COMSOL Multiphysics 软件来优化其血液学装置的设计。他们的一个装置采用了微孔电极系统,血液从其中流过,微孔电极系统中的一对电极之间的电阻抗和电压差用于计算粒子数量。实验原型难以进行测量,所以 HORIBA 的研究人员依靠 COMSOL Multiphysics 软件来模拟系统内的物理过程。他们考虑了通过微孔的压降,高速流体速度,传热和电场。通过使用仿真,他们确定了流体聚焦是改进阻抗测量和进一步提高装置精度的有效方法,并已将该技术应用于 HORIBA 一个最先进的血液分析仪中。

通过多物理场仿真开发微型机器人驱动技术 中文

P. Lazarou, C. Rotinat
CEA LIST, France

微创手术机器人器械依赖于微型灵巧的工具及其可靠的驱动性。但大多数机器人手术器械都体积庞大,价格昂贵并且外科医生操作起来费时费力。法国原子能与可替代能源委员会(CEA LIST)的研究人员正在研究微型相变驱动器,它将会减轻外科医生在漫长手术过程中所承受的痛苦。Christine Rotinat 和 Panagiotis Lazarou 已经使用 COMSOL Multiphysics 软件模拟了微型相变驱动器,它可以提供高负荷及对病人和外科医生来说都安全的位移范围。他们的设计是基于 Goldschmidbӧing 等人的设计进行的,并依赖于导电石蜡复合体的体积膨胀的特性。他们用自己创建的耦合物理场仿真(其中包括非线性的导电率,不断变化的粘度,密度及特定的比热容)优化设计得到最佳的驱动和电力消耗。最终,他们的微型驱动器将会集成到供手术室内用机器人外科手术工具中。