COMSOL_Multiphysics_Seminar

COMSOLMultiphysicsAC DC 传热数值模拟研讨会 安琳博士高级技术工程师Lynn 电机电磁场电机电磁仿真传热 共轭传热电机电磁场与传热耦合 等离子体介质阻挡放电电晕放电等离子体控制 沉积 License 5FFAF3 TYUS 091118 1058190 684959980 什么是仿真 仿真技术一种运用相似性原理和类比关系研究事物的技术方法仿真过程建立真实世界系统的模型缩小的实体模型 小型反应器 缩微模型等数学模型 描述变量在空间 时间上变化的偏微分方程 组在模型上进行实验和研究 实现优化设计和预测等仿真方法实验计算机模拟 多物理场任意耦合多维度之间进行耦合多尺度之间进行耦合专业软件中预置的应用模式不满足要求求解域发生变形参数随时间或解发生变化特殊的后处理需求二次开发 这些棘手问题遇到过吗 COMSOLMultiphysics全球第一款真正的多物理场耦合分析软件 基于偏微分方程组 PDEs 而开发 将任意耦合的多物理场PDEs转化为适当的形式 利用矢量有限元方法数值求解 易用性 內建多个 应用模式 简单鼠标操作 即可自动建立相应的PDE 从而建立包含任意数量物理场的耦合模型 发展历程 MatlabToolbox PDEToolbox1 0 Femlab1 0 Femlab3 1 COMSOLMultiphysics3 2a 2003年 COMSOLMultiphysics3 5a 开放性 所有PDE都对用户透明 支持用户自定义PDE灵活性 与Matlab无缝连接 可保存成 m文件 二次开发功能全面 强大 处理任意数量的多物理场耦合分析 COMSOLMultiphysicsTM Matweb网站 COMSOL集团成立于1986年总公司在瑞典斯德哥尔摩研发 美国瑞典芬兰 COMSOL公司 电机电磁场 COMSOL在电机电磁场分析方面的应用发电机模拟传热分析共轭传热电机共轭传热 通电线圈 通电线圈缠套铁芯产生磁场电工纯铁和不锈钢形成磁路留有空气间隙 工作间隙 分析磁场的分布和漏磁 磁场分布 北京矿冶研究总院 发电机仿真 带有永磁体的转子做圆周运动在定子线圈内产生电动势计算产生的电压随时间的变化仿真关键点 永磁体的仿真线圈的仿真瞬态分析移动网格 2D发电机仿真 时变模型发电机横截面的2D时间相关问题 材料特性完全自定义转子中心 定子的材料具有非线性的B H曲线求解域变形边界不连续定子 转子多尺度仿真 2D发电机仿真 转子磁源的运动视为定子与转子几何体的边界条件旋转运动利用移动网格实现包括中心转子几何体和一部分气隙结构变形网格的旋转用坐标变换来实现使用装配体允许边界物理量不连续转子 定子几何体可分别网格剖分转子 定子自动耦合 2D发电机仿真 沿线圈对电场E进行线积分得到电压 单匝线圈 转速为60rpm 电压幅值为2 3V 3D发电机仿真 传热 灯泡的热分析 时变分析白炽灯泡的热传 对流辐射传导 钨丝在2000k温度附近发出可见光灯泡内充满惰性气体随时间变化分为三个阶段 钨丝升温 周围气体传导受热气体对流传热向外辐射达到热平衡仿真关键点 2D轴对称 简化计算 后处理可以拉伸成3D瞬态分析全面的热分析 热传导 2 6 10s时的温度分布 通电最初的10s 钨丝逐渐升温周围的气体依靠传导和对流受热 2s 6s 10s 热对流 2 6 10s时的流速场分布 通电最初的10s 钨丝逐渐升温使气体受热后发生对流COMSOL可以清楚的分析流速场的分布 2s 6s 10s 热辐射 热量向灯泡外辐射 通电5min后 热量向灯泡外辐射 达到热平衡温度分布达到稳定态 更新模型 菜单Solve UpdateModel 共轭传热 传热与流体耦合 空气中暖水瓶的散热 空气流动共轭传热 结构 材料自定义导热系数非线性考虑外部气体流动仿真关键点 2D轴对称 简化计算 后处理可以拉伸成3D瞬态 稳态分析流体和传热的耦合 带有通风槽的电机分析 电磁分析 无负载情况下的磁场分布 空气隙中的磁场强度 电磁分析 WingingCurrent 空气隙中的通量密度 中心切面 流体动力学分析 空气的流速场分布 定义边界上的热交换 定义不同的边界对应流体的雷诺数 热分布 温度场分布 电流与温度的关系曲线 红外热成像 Prof F MarignettiUniversityofCassinoCassino FR Italy 等离子体 COMSOL在等离子体物理分析方面的应用介质阻挡放电电晕放电等离子体沉积过程 等离子体 形象描述 物质的 第四态 物质的三态变化气态 分子或原子之间距离非常大 相对位置变化大液态 分子或原子之间的距离大 位置在一定范围内变化固态 分子或原子之间的位置相对固定 等离子体高温高压条件下发生电离 分子或原子结构被破坏电离成电子 负电荷 和正离子 整体呈现电中性等离子体是很好的导体 可以利用巧妙设计的磁场进行捕捉和控制可分为高温等离子体和低温等离子体 温度压力 等离子材料处理技术 重要参数 放电过程 首要过程 主要关心活性离子的生成率在什么位置 什么时间生成率高 搬运过程主要关心流向表面的通量的稳态密度分布 可能的话提供反馈信息 放电过程 重要的物理过程 电离 吸附 再结合 电子与离子的产生是一个雪崩式的链式连锁反应 放电过程 求解两个流体方程以及泊松方程 一维仿真对流与扩散 电子 漂移 玻尔兹曼 扩散 常量 电离 玻尔兹曼 边界 ne 0 对流与扩散 离子 漂移 常量 扩散 常量 电离 玻尔兹曼 边界 dnl dx 0 泊松方程电子与离子密度边界 V RF Vapp sin 2pft V GND 0 放电过程 电子密度 计算条件 电压100V 真空压强1Torr 10个循环 离子密度 放电过程 电势分布 计算条件 电压100V 真空压强1Torr 10个循环 电场强度 df dx 放电过程 电离率 放电过程 电子密度 计算条件 电压100V 2个循环 0 1Torr 1Torr 10Torr 放电过程 离子密度 计算条件 电压100V 2个循环 0 1Torr 1Torr 10Torr 放电过程 电场强度 计算条件 电压100V 2个循环 0 1Torr 1Torr 10Torr 放电过程 电离率 计算条件 电压100V 2个循环 0 1Torr 1Torr 10Torr 放电过程 2D 一维仿真扩展成二维仿真非常容易 放电过程 2D 电子密度 离子密度 放电过程 2D 电场强度 df dx 电离率 场激发 ZnO纳米线作为阴极圆形金质电极尖端处场增强场激发 Fowler Nordhiem方程 用于等离子显示 电子显微镜 DepartmentofElectricalandComputerEngineeringConcordiaUniversity Canada 场增强 电场强度 纳米线尖端结构 普通平板结构 尖端处的场增强 延纳米线轴向不同位置处的场强 纳米线尖端结构 普通平板结构 场增强 电场能量 电场能量密度 电场能量 场激发 电流密度 基于Fowler Nordhiem方程 电晕放电 ZnO纳米线作为阳极不会发生场激发尖端处场增强依然存在低电压条件下 尖端处气体被电离用于传感 基于纳米线阵列的气体传感器 不同气体 浓度对应不同的放电电流 输运沉积过程 实验结果 空间非均匀性 沉积速率的非均匀性薄膜成分的非均匀性 输运过程 输运过程 边界条件依赖于粘附概率b b 0 不能做沉积体 绝缘 对称b 0 可以做沉积体 Flux b Si2OMe3 c Si2OMe3 Rg T gas 0 5 2p M Si2OMe3 0 5 b 输运过程 粘附概率的影响 输运过程 流向衬底的通量 Si2OMe3 Me3 Si O Si Si2OMe3 Si O Si 输运过程