化工 博客文章
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。
圆喷射燃烧器中的合成气燃烧
本篇博客中，我们将使用反应流接口和固体传热接口分析圆喷射燃烧器中合成气的燃烧，并对比从基准模型中获取的结果与实验结果。
通过仿真优化生物制药工艺
隐藏在生物制药开发背后的生物和化学过程对产品质量有着重要的影响。在研究和优化这些技术时，仿真因其可以通过更低的成本来快速获得结果而被看作一项相当宝贵的资源。让我们来了解 COMSOL Multiphysics 如何能帮助您模拟生物制药工艺。
模拟理想搅拌反应釜系统
连续搅拌釜反应器 (CSTRs) 也称作理想搅拌反应釜，常用于化学及生物化学行业。这类反应釜可以在稳定状态下运行，具有良好的混合属性，所以我们假定反应釜内的成分是均匀的。使用反应工程接口中的一个新模型，我们能够可视化一个理想反应釜系统内的动力学。
为什么汽车蓄电池在寒冷天气中表现欠佳
如果不提前采取防范措施，那么在冬天寒冷的早晨发动汽车将会是一段令人不愉快的经历。发动机无法启动通常是由于蓄电池发生故障，为什么汽车上的蓄电池比其他零件更加敏感呢？答案就在于蓄电池具备的将化学能转换为电能的能力，当冬天生成的热量最少且低温下获得的热能较少时，这一转换能力就变得很差。
多相催化建模方法
获取异质催化的介绍，异质催化反应中化学物种的主要步骤，吸附-解吸模型，表面反应，以及更多内容…
零经验进行 PCB 板电镀仿真
PCB 板是几乎所有电子产品的心脏，它承载着实现其功能的组件和铜线。制造过程中通常包含电镀环节，不同设计的电镀会有差异。这使仿真和优化工程师要不断创建新模型。如果能将其中大部分工作交给设计和制造 PCB 板的设计、工程和技术人员，让他们自己去进行电镀仿真，那又将如何呢？来这里看下如何实现吧。
多尺度反应器：多维度耦合仿真
在化工行业，填充床反应器是最常见的反应器。这类反应器可用于化学合成、废水处理以及催化燃烧等。通常情况下，多相催化中就需要填充床。它的常见设计是填充有催化剂颗粒的圆柱形容器。颗粒可通过各类支持的结构进行存储，比如管、流道，或容器内的单独隔间。最后一种形式被称作堆积填充。
锂离子电池设计中的热分析
对于锂离子电池的性能而言，热管理是一项需要考虑的重要因素。您可以利用模拟和仿真来分析热在能源内的传递，进而改进设计流程。
有时，雪茄并非只是雪茄
作为一名化学工程师，我实在无法只满足于享受吸雪茄的过程。在这篇博客中，我对雪茄进行了分解，研究了它的结构和内部化学反应区，还通过一个简单的模型演示了雪茄内温度与烟的分布及氧气浓度。
糖尿病管理的电化学建模
对于糖尿病这一全球性杀手，目前还没有有效治愈手段：据世界卫生组织估计，全世界范围内有 3.5 亿的糖尿病患者，年平均死亡率在 1% 左右。幸运的是，现代医学使糖尿病患者能够管理自身的葡萄糖水平和摄入量，因此在许多国家糖尿病的威胁已大为降低。多数糖尿病患者必须全天候监测他们的葡萄糖水平，这就需要有精确的方法来测量血液中的葡萄糖浓度。对于现代传感器的设计而言，电化学方法是一个很好的选择。
对锂离子电池进行建模以提升质量和安全性
对于锂离子电池而言，质量和安全性是最重要的设计要素。Intertek Semko AB 每年要对 20000 个电池做出评估，当然更加理解这一点。
使用 COMSOL Multiphysics 估算化学反应参数
化学反应动力学系列的最后两篇博客文章关注基于一组特定参数的化学反应的建模。尽管这一点很重要，学术界和工业界对此也很感兴趣，但通常在建模时，会假设相关参数的取值。
酶动力学，米氏动力学
在 Michaelis–Menten 动力学诞生 100 周年之际，我们以我们所知道的最佳方式–仿真来纪念这一开拓性的成果。
质子交换膜燃料电池建模示例
聚合物电解质膜或质子交换膜（proton exchange membrane，简称 PEM）燃料电池是一种极具应用潜力的便携式清洁电源，是交通运输和发电行业的研究热点。COMSOL Multiphysics，这款强大的仿真工具，可以帮助理解和克服 PEM 电池燃料设计和施工过程中的挑战。
用阿伦尼乌斯方程描述化学反应动力学
无数的复杂情况和陷阱使化学模拟具有挑战性。在这篇博客中，我们对化学动力学和阿伦尼乌斯定律进行了介绍，以提供帮助。
如何选择正确的电流分布接口？
在设计电化学电池时，我们需要考虑电解质和电极中的三类电流分布：一次分布、二次分布 和三次分布。不久之前，我们介绍了电流分布的基本理论；本文则以线电极为例，详细解释不同的电流分布类型，帮助你在 COMSOL Multiphysics 中选择合适的电流分布接口，顺利执行电化学电池仿真。
电流分布理论
在电化学电池的设计中，您需要考虑电解质和电极中的三种电流分布类型，它们被称作一次、二次 和三次电流分布。三种电流分布对应着不同的近似方式和程度，采用其中哪一个则取决于电解质溶液电阻、有限电极反应动力学以及质量传递的相对重要性。在本文中，我们将概述电流分布的概念，并从理论层面上探讨这一主题。
模拟冷冻干燥工艺
提起冷冻干燥工艺，我就会想起小时候吃过的像冻干冰淇淋一样的太空食品。对于保存太空食物而言，冷冻干燥工艺很重要，但它也可以用于其很多应用。
