化工 博客文章
借助 App 研究透析设备中的代谢废物排出过程
对于肾功能衰竭患者来说，透析治疗是一件性命攸关的大事。高性能的透析装置可提高代谢废物排出率，进而提升血液透析治疗效果。为了提升设备性能，设计者可以使用数值建模 App 对血液透析过程的各个方面进行研究。本文将以膜透析装置为例，展示 App 能够帮助用户快速分析不同参数的影响，并有效改进设计。
模拟固态锂离子电池中的电化学过程
传统的锂离子电池中采用的电解质通常包含易燃的液体溶剂，电池一旦过热便极易引发火灾。为了改进电池设计，提升安全性，人们希望用不可燃的固体电解质替代传统的液体溶剂。不过，要想改进这一技术，并实现其工业化应用，首先需要全面深入地理解装置中的电化学过程。借助仿真这一可靠的工具，相信在不远的将来，我们便可以实现固态锂离子电池的大规模应用。
借助仿真设计高效的透皮给药贴片
透皮给药（transdermal drug delivery，简称 TDD）贴片的作用是在一段时间内将药物持续渗透到患者体内。然而，人体的皮肤是阻止外来物质（也包括药物在内）入侵的天然屏障。为了制造出可有效穿透皮肤的 TDD 贴片，研究人员利用仿真对药物的释放过程和皮肤的吸收过程进行了研究。Veryst 工程公司（Veryst Engineering）在 COMSOL Multiphysics® 软件中创建了 TDD 贴片模型，并将仿真结果与实验数据进行了比较。
利用数值仿真研究食品包装中的矿物油迁移模式
食品包装常常由报纸或塑料等再生材料组成，其中可能含有残留的矿物油油墨。这些残留在再生材料中的潜在微量有害物质会从包装中迁移到存储的食物中。为了解决这个问题，一个研究团队开发了一个数值模型来分析各种包装中矿物油的迁移模式。与实验研究相比，他们的仿真为优化食品安全提供了一种更加经济有效的方法。
如何模拟锂离子电池的短路
电池短路是一个糟糕的故障：电池中储存的化学能会以热能的形式损失掉，而无法为设备所用。同时，短路还会造成严重发热，这不仅会降低电池材料的性能，甚至还可能因为触发热失控而酿成火灾或者爆炸。为了消除设备中可能造成短路的潜在条件，并确保短路不会引起危险的工作状态，我们可以借助 COMSOL Multiphysics® 对锂离子电池的设计进行研究。
使用多物理场建模分析真空干燥机的速度
在某些食品和制药行业中，经常使用不同类型的干燥机来干燥热敏性产品。真空干燥机提供了一个解决方案，从这些敏感物质中去除水和有机溶剂。为了获得最佳的真空干燥机设计性能，工程师需要权衡快速干燥时间和高质量产品的双重需求。为此，您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究真空干燥过程。 真空干燥机的优势和功能 从古至今，人们就一直将干燥作为保存食物的一种方法。随着时间的推移，干燥过程从露天干燥或日光干燥逐步扩展到其他干燥技术，例如太阳能干燥，冷冻干燥和真空干燥。从制药到塑料行业等，干燥也是许多应用领域的关键过程。 今天，我们将重点专注于真空干燥的化学过程，这在干燥热敏材料（例如食品和药品）时特别有用。真空干燥机在制药行业通常被称为真空烤箱，同时它还具有其他优点。因为真空干燥机需要在较低的温度下才能运行，所以其消耗的能量更少，从而降低了成本。同时，真空干燥器还能回收溶剂，避免氧化。 旋转真空干燥机。MatyldaSęk 提供自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 真空干燥机可去除湿粉中的水和有机溶剂。干燥机的工作原理是在真空中降低液体周围的压力，从而降低液体的沸点，并提高蒸发速率。结果，液体会以更快的速度干燥（此过程的另一个主要优点）。 为了使真空干燥有效，我们需要在不伤害产品的前提下减少干燥次数，这意味着我们需要严格控制操作条件。为了平衡这些目标并了解操作条件如何影响产品，可以使用 COMSOL Multiphysics 的多物理场建模功能。 利用多物理场模型分析真空干燥机的干燥速度 今天，我们将分析 Nutsche 过滤干燥机的真空干燥过程。该干燥机的工作原理是从容器的底部和侧壁加热湿的饼，并降低饼顶部的气相压力。该示例基于 Murru 等人发表的论文。（模型文档中的参考文献1）。 首先，让我们近距离查看该模型。该真空干燥机由一个包含湿饼的圆柱滚筒组成，该圆柱滚筒包含三相：固体粉末颗粒、液体溶剂和气体。饼的材料属性需要包括所有三个阶段的属性，这取决于饼中每个阶段的比例变化。每个阶段的部分是由体积分数决定的，这是我们建模的变量之一。 在二维轴对称组件中，将饼建模为半径 40 cm，高 10 cm 的矩形几何形状。在顶部，我们的模型暴露在一个低压顶部空间中。同时，在过滤干燥器的侧面和底部边界处使用热通量边界条件考虑 60°C 的加热流体。 轴对称 Nutsche 过滤干燥机中的真空干燥过程。 接下来，我们的教程结合了蒸发和传热建模，以研究滤饼的液相分布和温度。利用 系数型 PDE 接口计算滤饼的溶剂体积分数，并使用 “ 固体传热” 接口模拟传热。为了解决多孔介质中的水分传输问题，我们在传热模块中使用了预定义的多物理场接口。我们还同时使用热沉和质量沉两项考虑溶剂蒸发，并将溶剂输运作为扩散过程进行近似估算。 我们对模型做出以下假设： 当液相值达到零时，蒸发停止，表明液体已完全蒸发。 当局部蒸气压小于顶空水蒸气压时，蒸发停止，表明蒸发没有驱动力。 当液相的体积分数降至临界值以下时，溶剂中的扩散停止。 在这些情况下，我们可以使用阶跃函数将蒸发速率和扩散系数平滑地降低到零。 我们的烘干机运行速度有多快？ 我们可以看到我们的仿真结果和预期结果基本一致。让我们从30个小时后的滤饼开始分析。如下图所示，滤饼的温度在侧边界和底边界都接近加热流体的温度（60°C）。液相的体积分数在这些受热边界附近最低，而在滤饼的中心最高。此外，表观的水分扩散率在滤饼中心是最高的，在液相蒸发的地方几乎为零。考虑到我们模型的假设，这些结果都是在预期中的。 30小时后，滤饼的温度（左），液相的体积分数（中）和表观水分扩散率（右）。 换种方式，让我们扩展时间范围，看看 10、20 和 30 小时后的蒸发速率。这项研究也得到了预期的结果，它显示出蒸发从加热壁开始，并且当这些边界处的溶剂量减少时，蒸发就减少。在此过程中，蒸发前沿移向滤饼的中心。 10（左），20（中）和30（右）小时后的蒸发速率。 通过仿真得到的定量结果与先前的研究结果非常吻合，这验证了它们的有效性。因此，我们可以使用此模型来准确预测产品随时间的干燥程度。利用此信息，我们可以最大程度地减少产品暴露在高温下的时间。此外，如果要减少热敏产品的干燥时间，我们可以更改干燥机的尺寸。通过多物理场仿真，我们可以设计出效率更高的真空干燥机，以用于各种行业。 联系 COMSOL 进行软件评估 探索更多食品和制药行业的建模应用 自己尝试：下载此博客文章中介绍的真空干燥教程 查看以下相关博客文章： 通过仿真优化生物制药工艺 借助仿真 App 探索生物传感器设计中的生物学 利用仿真 App 优化食品加工工艺中的感应加热技术 优化椰枣热加工过程中的水化操作
模拟甲烷均质充量压燃（HCCI）以优化发动机点火控制
环境问题日益严重，迫使人们必须提高燃料效率和减少排放，这一需求激发了人们对传统点燃式及压燃式发动机的替代产品的研究兴趣。虽然采用均质充量压缩燃烧（homogeneous charge compression ignition，简称 HCCI）技术的发动机是一个可行的解决方案，然而尚存在例如点火时间难以控制等诸多难题，使得这项技术仍然面临着巨大的挑战。借助 COMSOL Multiphysics® 一类的仿真工具，您便可以分析 HCCI 发动机的燃烧过程，获取相关的有利信息，并最终发现改进点火控制技术的突破口。
更具灵活性的全新反应流多物理场接口
在最近几个版本的 COMSOL Multiphysics® 中，我们陆续添加了多个新的多物理场接口，将基本的物理场接口分解成单独的接口，并在模型树的“多物理场”节点中预定义了多物理场之间的耦合。这一更新完美地结合了基本物理场接口的灵活性与预定义多物理场耦合友好的用户体验。最新的 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本也不例外，为我们呈现了全新的反应流 多物理场接口。
研究生物反应器式填埋场以解决日益严峻的垃圾处理问题
在世界各地，堆积到填埋场的垃圾数量正在以惊人的速度增长。传统的垃圾填埋场不仅占用了大片土地，还会带来很多环境问题，因此研究人员希望寻求一种更加安全且节省空间的解决方案。一个可行的方案是将传统的厌氧 填埋场转换为好氧 生物反应器式填埋场。然而这一转换过程或许还需耗费数年时间进行更为深入的实验研究。为了更快地获取结果，加拿大西安大略大学（University of Western Ontario）的研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对转换过程进行了高效的分析。
如何模拟电化学阻抗和电容
电阻效应和电容效应是理解电化学系统的基础。由质量传递而产生电阻和电容，可通过描述对应基本现象（例如扩散）的物理方程来进行表征。此外，当需要考虑双电层、薄膜和反应动力学的电阻或电容特性时，可利用与电化学电流及电压相关的物理条件对此类效应进行简化处理。最后，您可以在 COMSOL Multiphysics® 中轻松地对来自外部负载电路的电阻和电容进行表征。
开发用于优化固体氧化物燃料电池（SOFC）堆设计的 App
本文特约作者是来自 COMSOL 认证咨询机构——resolvent ApS 的 Matteo Lualdi，他将与我们分享开发用于固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell stack，简称 SOFC）堆分析的仿真 App 带来的优势。 对许多企业来说，数值模拟及仿真是贯穿设计工作流程中从产品研发到优化各个阶段的宝贵工具。而仿真 App 进一步扩展了此类工具的应用范围，将复杂的多物理场模型隐藏在了易用的界面之下。让我们来一起看看这样一个案例：固体氧化物燃料电池堆 App。
仿真分析管式反应器中的解离过程
通过模拟管状反应器中的解离过程，有可能产生一个更有效和准确的设计。继续阅读本文，了解更多内容。
锂离子电池：对比均相 Newman 模型与非均相模型
Newman 模型及其衍生模型构成了一套标准理论，该理论能够准确地预测锂离子电池在一系列工作条件下的设计性能。当使用 Newman 模型时，人们不必细致地描述电池电极的多孔结构，而只需要将常见的平均尺寸用作输入，即可将电极表征为均相的各向同性材料。然而，与详细的非均相几何模型相比，这种方法的准确度如何呢？让我们来一探究竟吧。
利用边界元方法简化腐蚀仿真过程
COMSOL Multiphysics 5.4 版本中提供了多个新特征，可用于模拟细长结构中的腐蚀现象，借助这一特征将能大幅减少石油平台等结构的处理时间。使用边界元法（boundary element method，简称 BEM）和电流分布，边界元 接口中专有的梁单元后，我们便无需再使用有限元网格对整个三维结构进行解析，这有效地缩短了包含细长组件的大型结构腐蚀问题的求解时间。
蛋白质吸附：间歇式反应器和空间依赖性建模
研究系统的化学动力学时，通常会使用完全混合间歇式反应器假设，并使设计的实验一直保持理想的混合条件。这种假设包括完全混合（理想釜式反应器）和非完全混合（理想塞流反应器）。然而在实际应用中，反应器很难达到理想状态，因此空间依赖性建模对于理解和优化化学反应器至关重要。下面我们将详细探讨反应器模型的开发，先从一个简单的完全混合示例开始。
借助仿真应对腐蚀问题
腐蚀是运输行业面临的最严峻的挑战之一。为了尽量减少腐蚀带来的危害，德国的一家研究机构与著名的汽车制造商——梅赛德斯-奔驰公司联手对汽车铆钉和钣金中发生的腐蚀现象展开了研究。借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件，研究人员能够快速研究腐蚀对汽车部件造成的影响。
电池内的电流是逆向流动的吗？
电池放电过程中，电路中的电流从正极流向负极。根据欧姆定律，这个过程中电流与电场强度成正比。但是，电池内部是什么情况？电流是从负电势流向正电势吗？这篇博客，我们将解释电池放电和充电过程中其内部的电势分布情况。
石油平台的腐蚀与防护
海上石油工业被一个持续存在且代价高昂的问题所困扰：石油平台的腐蚀会导致结构的损坏和失效、造成业务损失，甚至发生事故。
通过仿真优化核反应堆设计
在运行中的核反应堆中，会发生复杂而且高度耦合的物理现象。在这些设备中通过物理实验对这些现象进行分析通常是困难的，有时甚至是不可能的。仿真为研究和优化核反应堆设计提供了一种简化的方法，可以节省时间、金钱和其他资源。 核反应堆动力学 我们先来看看核反应堆能源生产背后的机理。在核反应生产装置中，能量通过“裂变” 过程产生。当一个重原子的原子核,比如铀-235(铀的一种同位素)吸收了一个中子，中子就分裂成两个较轻的元素，或者裂变产物。这个过程释放出大量的动能，此外还包括有助于促进更多裂变发生的伽马辐射和自由中子。当不同类型的能量转化为热能时，反应堆内部的温度可达 1600K 左右。 管理这种热需要使用冷却剂。如下图所示，冷却剂(高压水或液态金属)在反应堆堆芯内循环，以消除过多热量。核热液压学的分支研究冷却剂的流动和相关现象，包括以下内容: 传热:传导、对流和辐射 传质:相变 流体流动:多相流和湍流 流-固耦合 (FSI) 是反应堆运行循环中另一个重要的考虑。当冷却剂流过反应堆的燃料板时，会导致这些部件产生偏差。此外，反应产生的大量热量会在反应器的结构部件中诱发热应力。 一个典型的核运行循环示意图。由Robert Steffens 拍摄，通过维基公共领域共享。 一旦核循环完成，用过的燃料就被储存在容器中，并被隔离在地下储存库中。使用钢桶来储存废物会带来腐蚀相关问题。设计这样的储存库是相当具有挑战性的，因为需要在一个稳定的地质环境(深挖 300 米到 1000 米)中建造这些结构。同样重要的是，要确保储存的半衰期为数百年的裂变产物不会通过容器扩散而进入地下水供应系统。 使用仿真简化分析核反应堆设计 为了使核反应堆安全有效地运行，对上述现象的充分理解至关重要。虽然有些因素可以通过实验进行研究，但在反应堆内的苛刻条件例如高温和高压水平以及放射性衰变这种情况下测试，依然相当困难。像放射性核素运输分析案例，需要经过几百年的时间，在实际的时间尺度上进行实验研究几乎是不可能的。 当实验测试遇到困难时，仿真可以提供解决方案——同时节省时间和金钱。考虑到核反应堆的耦合特性，COMSOL Multiphysics 仿真软件是模拟这些装置内的现象的理想平台。世界各地的核组织都选择使用该软件的内置功能来分析和设计感应炉、液态金属冷却液的电磁泵、加速器的射频腔，以及反应堆部件的无损检测。 以美国橡树岭国家实验室( Take Oak Ridge National Laboratory，ORNL)为例。ORNL 利用 COMSOL Multiphysics 改进了他们的一个大型高通量同位素反应堆(major High Flux Isotope Reactor，HFIR)的设计。基于仿真的方法，该团队能够研究反应堆各部件的性能及其运行背后的物理原理，包括热应力、非等温湍流和流-固耦合作用。ORNL 的研究人员还使用了仿真技术来支持他们努力将大型高通量同位素反应堆、安全转化为低浓缩铀燃料，这一过程有助于识别设计中的潜在问题，如屈曲和热点。 模拟分析使 ORNL 能够研究燃料板的挠度，燃料板是核反应堆核心的主要部件之一。 我们之前提到的关于实验研究放射性核素迁移的挑战是什么? 瑞士核安全稽查局(Swiss Nuclear Safety Inspectorate，ENSI)的一组研究人员也利用 COMSOL Multiphysics 模拟了这一现象。他们的研究结果以模拟放射性核素通过核储存库的黏土屏障传输的传统安全规范作为比较基准。 推进核工业发展 仿真为与实验研究核反应堆的相关挑战提供了解决方案。这种方法能够更加详细、准确的观察这些设备中发生的现象，从而更深入地理解如何优化它们的配置。仿真探究方法为开发更安全、更高效的核反应堆铺平了道路，同时也减少了测试新设计时构建原型的相关成本和资源。
借助 ICCP 与仿真预防船体腐蚀
为预防船体在恶劣的海洋环境中受腐蚀，我们通常采用阴极保护的方法。利用诸如牺牲阳极或外加电流等不同的方法，使海上作业的设备正常运转。外加电流阴极保护 (ICCP) 方法就是通过向船体施加外部电流来减轻腐蚀的。此方法的效能取决于多种因素，例如螺旋桨上是否涂有涂层。在这里，我们通过仿真来探讨螺旋桨上的涂层如何影响外加电流阴极保护方法的工效的。
利用仿真 App 研究锂离子电池的阻抗
电池在工作时通常会经历很多过程，而这些过程涉及了非常多的参数。如何深入探究电池内部的运行和反应过程？一种便捷的途径是分析电池的阻抗。借助“案例库”中的“锂离子电池阻抗”演示 App，我们可以轻而易举地对特定锂离子电池设计中的阻抗进行分析。此外，仿真 App 还能实现电池系统的参数化，在后续步骤中，参数化设置将有助于我们创建精确的瞬态模型。
保护飞行器复合材料免受雷击损坏
波音 787 梦幻客机的创新之处在于：其机身使用了超过 50% 的碳纤维复合材料。虽然这种飞行器复合材料具有重量轻和强度极佳等优点，但它们本身并不导电，因此需要额外的防护涂层来降低雷击损坏。本篇博客中，我们介绍了如何使用多物理场仿真来计算防护涂层中与典型飞行周期相关的温度波动所造成的热应力和位移。
借助仿真 App 探索生物传感器设计中的生物学
生物传感器是各类从分子层级理解生物系统详细机制的分析工具的主要部件。这些分析工具可用于各领域的生物分子检测，比如制药、医疗和食物行业、农业、环境技术以及针对生物系统的一般性研究。生物传感器演示 App 是一个非常不错的应用实例，它使得这个领域的人士即使不是仿真专家，也能从精确的多物理场仿真中受益。
混合动力和电动汽车中的牵引力从何而来？
您可能会认为自己开车很稳，但您的发动机很可能并不这么认为。每天我们都要面临像信号灯这样的路障和变速限制，这意味着我们对汽车动力传动系统的动力需求变化很大。我们希望混合动力或电动汽车的性能可以与现代汽车相提并论，比如当频繁踩油门和刹车的时候。所以，设计人员需要能以一种安全的方式实现这类目标，这其中就涉及了对电池的模拟。