COMSOL Multiphysics 化工

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本为“化学反应工程模块”的用户提供了增强功能，用于涉及两种或多种组分的浓混合物的气液平衡建模，还新增了用于一致初始化和参数估计的新功能。请阅读以下内容，进一步了解这些更新。

汽-液界面平衡

新版本新增了针对浓溶液气液平衡建模的功能，可作为浓物质传递 接口的各种扩展来使用。用户可以使用蒸汽流入、汽-液界面 和汽-液-混合物界面 新特征分别指定纯液面、上游入口和汽-液混合物相边界的蒸汽平衡。此外，新版本还提供了一组新的多物理场接口模拟移动汽-液界面上的汽化和冷凝，可用于采用动网格的两相流建模。这些新增功能使得汽-液平衡建模更加容易，并可以在多相流模型中包含冷凝和蒸发，无需手动完成。您可以在乙醇和水在酒杯中的蒸发教学案例中查看这些新增功能的应用演示。

以乙醇-水混合物为例说明 汽-液界面特征。

化学平衡的一致初始化

对于平衡反应，用户可以在反应工程接口的初始值节点中启用新增的质量保持初始化 特征，从而大幅提高准确性和稳健性。启用此特征后，无需手动计算初始状态，即可更轻松地定义化学平衡，这对于假定多个反应处于平衡状态的复杂反应机制特别有用。您可以在新增的氨溶液中的酸碱平衡和铜形态教学案例中查看这一新功能的应用演示。

反应工程接口中初始值节点的设置窗口。绘图中显示了仿真中不同物质的浓度。

参数估计功能

“化学反应工程模块”新增了参数估计功能，之前需要使用“优化模块”实现此功能。新版本还新增了根据实验数据定义多个目标的功能，此外，还提供了一系列求解器，包括基于梯度的 IPOPT 和 Levenberg–Marquardt 求解器，以及无梯度的 BOBYQA 求解器。您可以在新增的木材热解教学案例中查看这一功能的应用演示。

参数估计研究步骤的设置窗口。绘图中显示了热解过程中木材颗粒温度和归一化质量的实验测量结果与仿真结果的比较。

多孔介质中的非等温反应流

非等温反应流 多物理场耦合现在可用于多孔介质。浓物质传递 接口支持多孔介质 和多孔催化剂 特征。这两个特征都支持流体中的反应。后者还支持多孔基体表面的反应。在传热接口中，支持局部热平衡 和局部热非平衡 模型。您可以在新的甲烷蒸汽重整器中的非等温反应流教学案例中查看这一新多物理场耦合的应用演示。

以甲烷蒸汽重整器为例，图中显示了适用于多孔介质的非等温反应流 多物理场耦合设置。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本的“化学反应工程模块”引入了多个新的教学案例。

木材热解

热解过程中木材颗粒单位体积的产热量，通过参数估计进行优化。

硫酸钡的沉淀

硫酸钡沉淀 T 型搅拌器中的粒度分布。

β-胡萝卜素在流动反应器中的热分解*
*需要使用“不确定性量化模块”

采用不确定性量化 (UQ) 研究了流经加热圆筒的一定数量果汁中 β-胡萝卜素的稳定性。

氨溶液中的酸碱平衡和铜形态

铜离子在水溶液中与氨发生强烈的亲和作用，形成深蓝色的高度着色络合物。绘图中显示了添加氨后不同络合物的浓度标示图。

甲烷蒸汽重整器中的非等温反应流

管式甲烷蒸汽重整器中的温度和氢质量分数分布。

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本为“电池模块”的用户提供了新的 SOC 和初始电池电荷分布 特征，用于自动定义电池的荷电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH)，并引入了新的功能来包含各种边界条件的外部接触电阻，还添加了定义各向异性迂曲度的新功能。请阅读以下内容，进一步了解这些更新。

新增 SOC & SOH 电池变量并改进用于设置初始电池电荷分布的框架

锂离子电池和二元电解质电池 接口中添加了新的 SOC 和初始电池电荷分布 特征，用于自动定义电池的 SOC 和 SOH。在接口设置中，只需选中启用荷电状态 (SOC) 和初始电荷分布 复选框后，即可在“模型开发器”中添加SOC 和初始电池电荷分布 节点。这一新特征还可用于根据初始电池 SOC、开路电池电压、单个电极电位或单个电极电荷载量来设置初始电池级电荷分布。
 

“大型软包锂离子电池的电极利用率”教学案例中的 SOC 和初始电池电荷分布设置。

接触电阻

对于电化学接口，现在可以在电接地、电势、电极电流 和电极功率 边界条件中包含外部接触电阻。在电池组 接口中，可以在负极连接器 和正极连接器 边界条件中包含内部接触电阻。您可以通过设置 窗口中的包含接触电阻 复选框来启用此特征，也可以在相应的文本框中指定所需的电阻。

“钠离子电池等温模型 - 一维”教学案例的 电极电流设置中启用了 包含接触电阻复选框。

各向异性迂曲度

对于锂离子电池 和二元电解质电池接口，现在可以使用多孔电极、隔膜、多孔导电黏合剂 和高导电性多孔电极特征中的各向异性对角线 或对称 张量来定义迂曲度。对于上述所有特征，都可以在设置的有效传递参数校正 栏中应用张量设置，以指定不同的面内和面间扩散系数和电导率值。此外，浓物质传递接口现在还支持多孔介质中的各向异性迂曲度。

新的和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本的“电池模块”引入了多个新的和更新的教学案例。

钠离子电池等温模型 - 一维

钠离子电池在不同放电率下的电池电压与电池容量的关系图。

具有热力学电压滞后的硅-石墨混合电极

不同混合比例的硅-石墨电极的电极电位与荷电状态 (SOC) 的关系图。

具有粒径分布的电池电极

镍-锰-钴 (NMC) 电极在 1C 放电 30 分钟后进入弛豫周期的电位曲线图，其中对比显示了有粒径分布和无粒径分布两种情况。

电池倍率性能模型的代理模型训练

一个仿真 App 用户界面，用于将基于 DNN 函数训练的代理模型与基于物理场的电池倍率性能模型进行比较。

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本为“燃料电池和电解槽模块”的用户引入了一个新的孔隙-壁相互作用模型，用于多孔介质中的气体扩散（克努森扩散），还新增了定义各向异性迂曲度和接触电阻的功能。请阅读以下内容，进一步了解这些更新及其他新增功能。

气相质量传递的孔隙-壁相互作用和克努森扩散系数

在氢燃料电池和水电解槽 接口中，氢气扩散层、氧气扩散层、氢气扩散电极 和氧气扩散电极 特征在设置 窗口中新增一个包含孔隙-壁相互作用 复选框，借助此特征，可以使用克努森 扩散系数或用户定义的值来定义壁扩散系数。孔隙-壁相互作用通常在高温和小孔径情况下更为重要，例如，在基于固体氧化物电解质的气体扩散电极中就是如此。固体氧化物燃料电池中的电流密度分布教学案例和两个版本的使用热力学分析固体氧化物电解槽教学案例都已更新，以演示这一新特征的应用。

“使用热力学分析固体氧化物电解槽”教学案例 水电解槽接口中的 克努森扩散系数启用了 包含孔隙-壁相互作用复选框。

各向异性迂曲度

在氢燃料电池和水电解槽 接口中，现在可以在氢气扩散层、氧气扩散层、氢气扩散电极 和氧气扩散电极节点中使用各向异性迂曲度来计算有效扩散系数。此外，浓物质传递 接口现在支持多孔介质中的各向异性迂曲度。利用这一新功能，可以指定不同面内和平面间的有效气体扩散系数。您可以在更新的质子交换膜燃料电池气体扩散层中的物质传递教学案例中查看此功能的应用演示。

在“质子交换膜燃料电池气体扩散层中的物质传递”教学案例的 氢燃料电池接口中指定各向异性迂曲度。

接触电阻

在电化学接口中，现在可以将接触电阻纳入电接地、电势、电极电流 和电极功率 外部边界条件中。使用此功能，无需添加薄域来描述导电不良层，这种薄域会导致网格非常密集，增加许多额外的自由度。在保持精度的前提下，添加接触功能可以降低计算负担。

氢燃料电池和水电解槽接口中也添加了这一功能。此外，可以将新的内部电极接触电阻 子节点添加到内部电极导电相 边界，例如气体扩散层 和气体扩散电极 之间。现在还可以使用以下特征设置中的膜阻 栏来定义电极-电解质界面上的接触电阻：

氢电极表面
氧电极表面
内部氢电极表面
内部氧电极表面
薄氢气扩散电极
薄氧气扩散电极

您可以在非等温质子交换膜燃料电池和具有蛇形流场的低温质子交换膜燃料电池教学案例中查看这些更新功能的应用演示。

使用“非等温质子交换膜燃料电池”教学案例中的 内部电极接触电阻节点添加接触电阻。

用于自由和多孔介质耦合流动的新接口

现在，您一旦选中新的自由和多孔介质流动，达西多物理场接口，就可以在模型树中添加达西定律 接口、层流接口以及新的自由和多孔介质流动耦合 多物理场耦合。这个多物理场接口可以与新的自由和多孔介质流动中的相传递 接口结合使用，无缝模拟自由和多孔介质流动中的多相传递。

多相通道流，第二相通过相邻的多孔域流入。

更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本的“燃料电池和电解槽模块”引入了一个更新的教学案例。

碱性电解槽堆中的分流

碱性电解槽堆模型，其中入口和出口通道及歧管中显示分流流线。

接触电阻

6.2 版本的“电镀模块”引入了在电接地、电势和电极电流边界条件中包含外部接触电阻的功能，可以通过设置 窗口中的包含接触电阻 复选框启用此特征，也可以在文本框中指定所需的电阻。

在“装饰镀层”教学案例中的电极电流节点上启用的接触电阻。图中显示了沉积厚度（金属表面）和平均电流密度。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本的“电镀模块”引入了一个新的教学案例。

合金沉积

不同外加电位下镍和磷的沉积摩尔分数。

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本为“腐蚀模块”的用户提供了新特征，可以更加精确地定义管道的阴极保护，并能够在各种边界条件中包含接触电阻。请阅读以下内容，了解这些更新。

用于改进腐蚀防护建模的新节点

新版本中新增了多个特征，可用于扩展定义管道和铁轨阴极保护模型的功能。新的外加电流点特征可以添加到电解质域中，以定义外加电流保护系统中有源电极的位置。此特征通常与现有的连接点特征一起使用，用于设置局部外加电流阴极保护系统。

连接点特征可用作边电极或牺牲边阳极 特征的子节点，现已将其更新为定义参比电极 复选框，从而可以在同一位置设置参比电极电位。外加电流点 特征通常可以通过参比电极电位来主动控制连接点 位置的电极电位。

此外，还新增了一个牺牲点阳极特征，可在电解质域中的任意点添加此特征，以定义牺牲阳极；边电极特征新增了外部短路子节点，为模型中各点之间提供了更灵活的连接选项。您可以在新的外加电流阴极保护在管道腐蚀防护中的应用教学案例中查看这些更新。

“腐蚀模块”案例库中新增的“外加电流阴极保护在管道腐蚀防护中的应用”教学案例模拟了带有九个独立活性阳极的管道外加电流阴极腐蚀保护系统。

接触电阻

在电化学接口中，现在可以将外部接触电阻纳入电接地、电势和电极电流边界条件中，可以通过设置 窗口中的包含接触电阻 复选框启用此功能，也可以在文本框中指定所需的电阻。

“电池模块”案例库的“钠离子电池等温模型 - 一维”教学案例中 电极电流节点上启用的接触电阻示例。

新的和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.2 版本的“腐蚀模块”引入了多个新的和更新的教学案例。

外加电流阴极保护在管道腐蚀防护中的应用

与电解质电流密度对应的电解质电位分布和流线图。

Evans 液滴下的腐蚀

沉积的氢氧化亚铁中的氧通量流线和着色表面图。

接触电阻

“电化学模块”引入了在电接地、电势 和电极电流 边界条件中包含外部接触电阻的功能，可以通过设置 窗口中的包含接触电阻 复选框启用此特征，也可以在文本框中指定所需的电阻。

在“线电极”教学案例的 电极电位节点中启用了接触电阻。