最新内容
快速检测测试设备中的物理原理
基于侧流分析 (LFA) 的快速检测测试，也称为免疫色谱测试，可以被认为是非常先进但非常强大的微型实验室。 （第 1 部分，共 2 部分）
通过多物理场仿真设计 5G 设备的腔体滤波器
从雷达和微波炉到粒子加速器，射频腔体滤波器可用于各种不同的应用领域。 其中：5G 设备和基础设施。
使用基准模型分析海啸波
1993 年日本北海道地震引发的海啸波达到了巨大的助推高度——在莫奈谷有记录的海浪甚至高达 32 m（~104 英尺）
焦糖制作背后的科学原理
许多人(包括我自己)都喜欢看一档烹饪比赛节目 The Great British Bake Off:不仅节目有趣，而且里面的食谱看起来也很美味。
模拟 Oldroyd-B 聚合物的行为
你有没有注意到，当对黏弹性流体施加一定的力时，该流体开始像串珠子一样？文中，我们介绍了一个使用 Oldroyd-B 聚合物的例子。
仿真助力扬声器开发的 6 个示例
从用于虚拟现实游戏的耳机到用于助听器的强大换能器，这里有 6 个多物理场仿真示例，用于开发新的和改进的扬声器产品。
在控制系统模型中添加一个全状态空间反馈控制器
获得全状态反馈的简要概述，学习如何使用状态空间控制器插件，并获得使用质量-弹簧-阻尼器系统实例实现该插件的演示。
将自适应网格细化与数据过滤相结合
在我们之前关于数据过滤的博客文章的后续文章中，我们演示了如何为具有非均匀热负载的热模型实现自适应网格细化和亥姆霍兹滤波器。
通过数据滤波提高模型性能
想要在您的模型中包含实验数据作为负载或边界条件，但数据随空间或时间变化并且有噪声？ 尝试实现数据过滤，例如亥姆霍兹过滤器。
如何使用 COMSOL Multiphysics® 模拟霍尔效应传感器
霍尔效应传感器的基本工作原理：附近的磁场使通过半导体传感器的电流路径发生偏转，从而导致电位发生可测量的变化。
应该使用哪个辐射接口建立传热模型？
与传导和对流传热机制相比，辐射传热有其独特的特点。例如，辐射不需要任何介质就能远距离传输热量，在非常高的温度下主要是辐射传热产生作用。此外，辐射依赖于方向、波长和温度。那么，在 COMSOL Multiphysics 软件中，哪个接口可以最好地考虑我们传热模型中的辐射？
一场“安静”的革命:通过仿真分析电动机噪声
一个多世纪以来，世界在电动机的帮助下不停地运转。当人类社会享受到从电风扇到汽车等由电动机带来的各种好处时，人们可能就会要求这些机器变得更加安静。电动机发出的声音是一种多物理场现象，因为电动机的电磁运作会通过机器和周围的空气传送振动。
通过仿真分析高强度超声聚焦技术在生物组织中的传播
高强度超声聚焦（High-intensity focused ultrasound，HIFU）是一种用于生物医学领域的非侵入性技术，包括手术、癌症治疗和冲击波碎石术。当施加高强度聚焦超声时，超声波在焦点上耗散实现组织凝结和消融。我们可以通过仿真进一步分析该技术的声学特性和非线性性质。
在 COMSOL Multiphysics® 中模拟热机械疲劳
今天的客座博主是来自Lightness by Design公司的 Björn Fallqvist 博士，他在文中讨论了分析热机械疲劳的不同考虑因素和方法。 在这篇博客文章中，我们研究了 COMSOL Multiphysics® 软件中用于分析热机械疲劳的相关材料模型（模型使用了来自热机械疲劳测试的实验数据，以及参考文献中的材料参数）。随后，对在高温下运行的压力容器进行了分析，并使用非线性连续疲劳损伤模型评估疲劳寿命。 为什么要分析热机械疲劳？ 在许多应用中，传统的等温疲劳分析是不够的，因为部件在高温下或在高温循环下工作时，材料性能与室温有很大不同。这种应用的典型例子是涡轮机和发电厂部件。 传统的疲劳分析，尤其是高周疲劳（high-cycle fatigue，HCF），不能直接考虑高温造成的影响。在高周疲劳区域中，载荷较低，蠕变等影响可以忽略不计。有时，S-N 曲线会减小，以解决温度升高时疲劳强度降低的问题。然而，这没有考虑到温度和载荷同时循环时的影响，即所谓的热机械疲劳。这种温度变化的影响在低周疲劳（low-cycle fatigue，LCF）区域中尤为重要，在该区域，需要考虑多个方面，主要是弹塑性和蠕变的材料性能变化。 评估高温下疲劳性能的一种方法是使用样品在多个温度下的稳定(通常是寿命中期)应力-应变曲线，以获得应力或应变幅度，并确定控制非线性应力-应变曲线的硬化参数。理论上，人们可以用一组特定的外加载荷和温度组合进行实验，并尝试根据实验结果估算疲劳寿命。然而，热机械疲劳测试需要相对较长的时间，并且成本较高。评估高温下疲劳能力的一种更方便的方法是使用描述应力水平和失效循环关系的解析表达式，并根据温度对其进行修正。 热机械疲劳试验 在热机械疲劳试验中，试样通常同时承受循环应变和循环温度。这可以是同相(IP)或异相(OOP)。对于前者，最大拉伸载荷与最高温度同时出现，对于后者，最大拉伸载荷出现在最低温度时。 为了与本篇博文中的实验结果进行比较，我们参考了参考文献 1，其中研究了 P91(一种常见的电厂用钢) 的热机械疲劳。我们从参考文献 2 中获得了模型材料参数，获得了应力-应变曲线。值得注意的是，对于参考工作，使用统一的模型(即黏塑性应变由塑性和蠕变分量组成)。然而，这只会影响模型蠕变部分的值。 热机械疲劳分析的材料模型 作为温度的函数的材料模型参数（参考文献2）如下表所示： Temp [°C] E [MPa] k [MPa] Q [MPa] b [-] a1 [MPa] C1 [-] a2 [MPa] C2 [-] Z [MPa s1/n] n [-] 400 187,537.0 96 -55.0 0.45 150.0 2350.0 120.0 405.0 2000 2.25 500 181,321.6 90 -60.0 0.6 98.5 2191.6 104.7 460.7 1875 2.55 600 139,395.2 85 -75.4 1.0 52.0 2055.0 463.0 […]
使用 COMSOL® 分析电动机和发电机设计
使用电磁学仿真，您可以研究和优化永磁电机或发电机中的磁场分布、机械扭矩以及铁的使用和损耗。
利用拓扑优化设计区域热网
发电厂在冬季可以利用热电联产达到高效供电。它是如何做到的呢？依靠区域热网。以前，这种网络设计仅限于小型网络的线性模型或非线性模型。最近的研究表明，我们可以使用基于梯度的优化的非线性模型设计大型网络（参考文献 2）。
计算三相电力变压器中的损耗
三相电力变压器被广泛应用于世界各地的电网中进行高效电力传输。就电容、负载平衡和效率而言，三相电力变压器比单相变压器具有明显的优势，但对其损耗的计算却并不像单相变压器一样简单。使用 COMSOL Multiphysics® 软件，我们可以正确地计算铁芯、线圈和支撑结构的损耗，以及重要的集总参数（例如初级和次级电感）。
如何使用 COMSOL 软件模拟压电微泵
在这篇博客文章中，我们将给大家展示由 Veryst Engineering 公司的 Riccardo Vietri，James Ransley 和 Andrew Spann 提供的压电微泵模型。我们将介绍如何将压电材料与流固耦合作用结合起来，以及如何使用简单的速度相关公式来描述入口和出口边界处的单向阀的作用。
如何将点云数据转换为曲面和实体
在实际仿真过程中，并不是所有分析都是以 CAD 模型开始的。有时，我们唯一可用的数据仅是一系列点数据，也称为点云数据。在这篇博客中，我们将演示如何将点云数据转换为可在 COMSOL Multiphysics® 软件中进行仿真分析的几何模型。
模拟均匀磁场中的硅量子点
从 COMSOL Multiphysics® 软件 5.6 版本开始，半导体模块的薛定谔方程 物理场接口新增了处理多分量波函数的功能。在使用 COMSOL 对半导体器件材料的能带结构进行仿真的博客文章中，我们讨论了如何使用此接口功能处理多分量波函数。本篇博文，我们将以均匀磁场中的硅量子点模型为例，继续探索这项新功能。 量子点简介 量子点是纳米技术中必不可少的组成部分，在太阳能电池、发光二极管（LEDs）、显示器，光电探测器和量子计算中都具有潜在应用前景。Jock 等人最近发表了一篇与自旋轨道量子位的应用领域相关的论文（参考文献1）。他们在该文的补充说明1 中，提供了描述均匀磁场中硅量子点的公式，并在补充图1中显示了数值解。今天，我们将通过仿真的方法来重现该数值解。 硅量子点的薛定谔方程 在参考文献1 的补充说明中，方程1 给出了均匀磁场 \mathbf{B} 中硅量子点的单电子哈密顿量，不包括自旋轨道耦合： (1) H=\frac{Px^2}{2 m\perp} +\frac{Py^2}{2 m\perp}+\frac{Pz^2}{2 m\parallel}+V(\mathbf{r})+\muB \mathbf{B} \cdot \sigma 其中，m\perp和 m\parallel 是分别在横向和垂直方向上的有效质量；V 是量子点的约束势能；\muB 是玻尔磁子；\mathbf{\sigma} 是 Pauli 矩阵的向量；根据该论文所述，假定旋磁比张量是值为 2 的标量；动量 \mathbf{P} 由下式给出： (2) \mathbf{P}=i \hbar \nabla + e \mathbf{A}(\mathbf{r}) 式中，e 是基本电荷，\mathbf{A} 是给定的磁矢势 \mathbf{A}(\mathbf{r})=\frac{1}{2}\mathbf{B}\times\mathbf{r}，并且虚数单元 i 前面没有减号，因为 COMSOL Multiphysics 中的所有物理场接口都采用工程符号 exp(-i k x + i \omega t) 而不是 exp(i k x – i \omega t)。 约束势能 V(\mathbf{r}) 项由论文中的等式9 给出： (3) V(\mathbf{r})=\frac{1}{2} m\perp \omegax^2 x^2 […]
将全局方程引入全耦合目标搜索法
今天，我们将在 COMSOL Multiphysics® 软件的模型中引入一个目标搜索方程，该方程与全耦合方法结合使用可以求解非线性问题。在计算上，尽管这种方法比我们之前介绍的分离式求解方法成本更高，但其在鲁棒性方面却具有一些独特的优势，并能够突显 COMSOL® 软件的一个核心优势。
将目标搜索的方法引入分离式求解器
分离式求解方法是 COMSOL Multiphysics® 软件的核心技术之一，它可以快速求解非线性多物理场（和单物理场）问题得到收敛解。你是否知道？我们还可以通过引入一个额外的全局方程来扩充这个求解方法，其中，全局方程能用于调整模型输入来实现所需的输出。
使用 COMSOL Multiphysics® 模拟多孔介质的声学特性
今天的特邀博主 Kirill Horoshenkov（FREng）是来自英国谢菲尔德大学（the University of Sheffield）的声学教授，他讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件和声学模块模拟多孔介质的声学特性。 对于多孔介质的声学特性，我们感兴趣的方面是它对入射声波具有极强的吸收和修改能力，其中入射声波与填充材料孔隙的流体会发生相互作用。黏性摩擦、惯性和热耗散效应是产生刚性结构多孔介质声学特性的主要原因。这些效应受材料的孔隙率和其他孔隙结构参数影响。对于大多数实际工程问题而言，尽管我们并不直接关注多孔材料的声学特性，但研究声学特性、孔隙率和结构形态之间的关系却非常有意义。 在与能量存储相关的应用中，测量影响多孔隔板的电解质吸收及导电能力的陶瓷隔板的孔隙率和曲折率非常重要；在与过滤操作相关的应用中，定期测量与上述相似的特性可以确定在有流体流动的情况下膜的渗透性；在制药应用中，通常需要测量平均粒度和压实度，粒度分布以及颗粒混合物吸收的水分量。在化学和化学工程应用中，重要的是要了解材料的内部孔隙表面积，用于通过输送催化剂控制化学反应并将有毒物质转化为化学惰性键。在噪声控制应用中，我们关注的是评估多孔层吸收声音的能力。 6 参数 Johnson–Champoux–Allard–Lafarge 模型 COMSOL Multiphysics 软件包含一系列可以预测多孔介质声学特性的模型。在以往的应用中，声学模块的 多孔介质声学功能（图1）中所包含的 Johnson-Champoux-Allard-Lafarge（JCAL）模型一直用于此目的，其结果被广泛参考（截至 2020 年 11 月 15 日，已有超过 2000 个 Scopus 文摘和引文数据库引用）。 JCAL 模型最初于 1991 年被提出（参考文献1）。它需要 6 个非声学参数来预测材料孔隙中流体复杂的、随频率变化的动态密度： (1) \rho(\omega)=\frac{\rhof \alpha\infty}{\epsilonp} \left[ 1+\frac{\sigma \epsilonp}{i \alpha\infty \rhof \omega} \left( 1+\frac{4i \alpha ^{2}\infty \mu \rhof \omega}{\sigma^2 \Lambda^2 \epsilon^{2}{p}}\right)^{1/2} \right] 以及动态可压缩性 (2) C(\omega) = \frac{\epsilonp}{\gamma P0} \left[\gamma – \frac{\gamma-1}{1-\frac{i \sigma’ \epsilonp}{\rhof \alpha\infty N\textrm{Pr} \omega} \left(1+\frac{4i \alpha^{2}{\infty}\mu \rhof N\textrm{Pr}\omega}{(\sigma’ \Lambda’ \epsilon_p)^2}\right)^{1/2}} \right] 图1 多孔介质声学接口的设置窗口的屏幕截图，显示了 JCAL 模型的 […]
如何使用 COMSOL Multiphysics® 分析真空系统中的稀薄气体
涡轮分子泵是一种能够达到超高真空（UHV）条件的机械真空泵。由于气体分子之间相互碰撞概率较低，所以需要专用的数值方法模拟超低压条件下的气流。COMSOL Multiphysics® 软件提供了两种完全不同的计算方法用于模拟高度稀薄气体：角系数方法（angular coefficient method）和蒙特卡罗方法（Monte Carlo method）。在这篇博客文章中，我们介绍了如何使用蒙特卡罗方法对涡轮分子泵进行模拟。 编者注：此文最初发布于 2017 年 8 月 9 日。现已更新以反映软件的最新功能。 真空系统简介 在许多高科技工业应用（例如半导体芯片的制造）中，我们都能发现真空技术。真空环境在基础研究中也是必不可少的。例如，粒子加速器无法在正常大气压下工作，因为被加速的粒子大概率会与周围的空气分子发生碰撞。 典型的真空腔室。 在真空环境中，气体的绝对压力远低于典型的海平面大气压，后者约为 101,325 帕斯卡（Pa）或 14.7 磅每平方英寸（psi）。大气主要由氮气和氧气组成，但是在处理真空室时，必须考虑包含的每种气体，甚至腔室壁及配件的排出气体，润滑剂（升华和蒸发气体）也会对真空室压力产生重大影响。 真空泵 用于抽除真空室中的气体，从而降低真空室内压力。真空泵有许多不同的类型，包括： 旋片泵 定片泵 扩散泵 涡轮分子泵 低温泵 离子泵 通过串联的方式使用两种或多种不同类型的泵非常普遍，每种泵都有其适合的特定压力范围。例如，旋片泵或定片泵可以在大气压下排出空气，同时将真空室的压力降低到小于 0.1Pa 左右。涡轮分子泵可以达到超高真空条件（小于 10-7 Pa），但在大气压下却无法正常工作。为了将压力从大气压一直降低到超高真空，我们首先可以使用旋片泵（以这种方式使用时被称为粗抽泵）将压力降至 0.1 Pa，然后使用涡轮分子泵将压力从 0.1Pa 降低至 10-7 Pa。 涡轮分子泵。 但要注意的是，在实际工作中真空泵并不能达到理想的真空度。在大气压和室温下，1 立方米的空气中有超过 1025 个分子。即使在超高真空中，1 立方米的空气中仍包含数万亿个分子！我们抽真空目的不是要排除所有的空气分子，而是要尽量排除足够多的空气分子，以免它们阻碍腔室内的实验或制造过程。 真空系统中的稀薄气流 涡轮分子泵只有在通过其的气流是自由分子流时 才能工作。换句话说，气体压力必须足够低，以使分子撞击周围表面的频率比分子间的碰撞的频率更加频繁。因此，该泵仅在使用粗抽泵将压力降低到约 0.1Pa 之后才能实现超真空条件。 通常，在考虑气流时，我们会将气流设想为连续流。当空气通过狭窄的通道流入房间时，这股空气会散开，并可能在所有侧面形成再循环区域。当流动的空气到达障碍物时，我们期望它能绕开障碍物流动，填充其后面的空间。由于空气中的氮、氧和其他气体分子每秒会相互碰撞数十亿次，因此它会以这种方式运动。 在极低的气压下，气体表现为自由分子流，气体流动主要由分子-壁碰撞而不是分子-分子碰撞控制。如果气体从狭窄的孔口释放到大的开放空间中，那么大多数分子将不会因分子间碰撞而向四面八方扩散，而是会沿几乎同一个方向飞出，这种现象被称为分子束射。 当气体分子撞击表面时，它们可能会被表面吸附或反射离开表面。即使表面肉眼上看起来非常光滑，分子也会在表面在随机方向上反射分子。一个合理的近似是给以不同反射角的概率分布。通常，此概率分布函数在垂直于表面的方向上对称。 通过窄管进入腔室的连续流（左）和分子流（右）的比较。 涡轮分子泵详解 设想一下，如果用平板或球拍击打球，那么在球与球拍接触时会朝不同的方向弹跳，具体取决于球拍的角度。这就是涡轮分子泵的基本工作原理。 涡轮分子泵由许多环组成，这些环相互堆叠，并沿一条公共轴线排列。其中一些环绕轴旋转，称为转子，其他的环被固定在一个固定的位置上，称为定子。一个典型的设计可能包含多对交替的转子和定子。每个环内有许多狭窄的倾斜叶片。通常，环中的每个叶片以相同的角度倾斜并且等距分布。因此，如果有 N 个叶片，那么环具有 N 倍轴向对称性。 由于叶片在转子中倾斜，当分子撞击叶片时，它更有可能沿一个方向从转子弹回，而不是朝相反方向弹出。下面的图示即显示了一个没有相邻定子的单个转子中的这种运动行为。假设此叶片环逆时针旋转，如红色箭头所示。一个分子更有可能击中这些叶片之一的底面而不是顶面。这些分子更可能向下偏转（沿蓝色箭头的方向）而不是反向弹出。分子这种向下方向的优先偏转，可以减小在该转子上方区域中的气压。 为了使传输概率的差异（从上到下与从下到上）更大，叶片表面的移动速度应等于或大于分子的平均热速度。对于室温下的大多数气体，该速度约为每秒几百米，但是对于非常轻的气体（如氢气），速度明显更高。因此，当使用涡轮分子泵将腔室压力降低至超真空时，腔室中的大多数残留气体将为氢气（参考文献1）。 涡轮分子泵的叶片由被称为级 的单元组成。典型的泵级可能包含8–20个这类在转子和定子之间交替的叶片环（参考文献2）。为简单起见，我们当前的模型仅考虑了单个转子。 通常，我们建立涡轮分子泵数值模型的主要目的是预测其泵速和压力比。这些参数可以通过分子在整个叶片环上的传输概率来预测，即从顶部进入级后从底部离开的分子比率，反之亦然。 选择数值方法 在 COMSOL® 软件中，有 2 种主要的数值方法可用于模拟极稀薄气流。一种称为角度系数法，可以通过分子流模块提供的自由分子流 物理场接口使用。角度系数方法是一种视图因子计算，可以计算模型边界处的分子通量，并假设气体分子只会与壁碰撞而不会与其他分子碰撞。角系数方法的主要缺点是它是准静态的，也就是说，它忽略了分子的有限飞行时间。在这里，这是一个重要的因素，因为与分子速度相比，叶片很容易达到每秒数百米的速度。 为了充分计算叶片在涡轮分子泵的运动，我们将选择使用粒子跟踪模块下的数学粒子追踪 接口执行蒙特卡罗方法进行模拟。在蒙特卡罗模型中，我们通过求解牛顿运动定律来解决气体中单个分子的运动。由于计算成本的限制，泵中单个分子的实际数量可能太大，因此无法单独对每个分子进行建模，但是我们可以采用一个有代表性的分子群样本（例如 100,000 个）进行建模，然后对整个分子群进行推算。 用蒙特卡罗法预测气体分子在简化的涡轮分子泵级中的传输概率，该级由单个旋转叶片环组成。正如我们前面所讨论的，包含N个叶片的典型泵转子通常会表现出N倍旋转对称性。因此，我们仅考虑通过两个相邻叶片之间的单个间隙的分子，便可以进一步简化模型并降低计算成本。 […]