软件功能集
优化多物理场模型
“优化模块是”COMSOL Multiphysics® 的一个附加模块,其中提供的强大工具可用于参数、形状和拓扑优化,以及进行参数估计。用户可以将该模块与 COMSOL 产品库中的其他模块耦合,用于优化涉及电磁学、结构力学、声学、流体流动、传热等现象的设备和工艺。该模块与“CAD 导入模块”、“设计模块”或任意 CAD LiveLink™ 产品结合使用时,可用于优化几何尺寸。
从一个需要改进的目标函数和一组需要更改的设计变量,以及一组可选的约束开始,软件将帮助您探索最佳设计。无论是几何尺寸、零件形状、材料属性还是材料分布,您都可以将所有模型输入视为设计变量,并将所有模型输出用作目标函数,然后将其最小化或最大化。
优化模块支持的建模对象
将“优化模块”与任意 COMSOL® 附加产品耦合使用,在各种物理领域实现优化。
结构拓扑优化
钢钩的拓扑优化,其中针对给定的总重量来分配材料,以获得最佳刚度。
线圈优化
对 10 匝电磁线圈的参数和形状进行优化,以满足磁通密度分布和功率损耗的要求。
磁体的参数优化
对电机进行参数优化,以根据扭矩确定永磁体的最佳位置和形状。
磁性材料的拓扑优化
对扬声器驱动器中使用的磁路进行拓扑优化,以减少大位移非线性响应。
扬声器组件的优化
扬声器高音罩和波导的形状优化可以实现更平坦的响应曲线和改进的辐射方向图。
声频-响应优化
声信号分离器的形状优化;不同频段的声能进入不同的输出端口。
流体流动优化
Tesla 微阀的参数、形状和拓扑优化,以最大限度地提高双向流动的压降比。
管网优化
区域供热网络的拓扑优化布局。
优化模块的特征和功能
COMSOL Multiphysics® 为不同类型的优化提供定制的用户接口和专用的求解器。
参数优化
只需添加一个通用的优化 研究,即可在 COMSOL Multiphysics® 中设置参数优化,关联的设置窗口会提示您添加目标函数、控制变量和参数以及约束。您可以使用最初用于设置模型的参数进行参数优化,例如几何尺寸、材料属性或边界载荷。参数化扫描可以为您提供设计参数空间的概览,而参数优化将给出最佳参数和目标函数值。
当使用定义几何尺寸的参数来运行参数优化时,每次迭代都需要重新划分网格 —— 使用“优化模块”可以使该过程完全自动化。最佳的解决方案始终是一个真正的 CAD 零件,您可以立即将其导出为行业中应用的标准 CAD 格式(这需要 CAD 导入模块、设计模块或一个 CAD LiveLink™ 产品)。
拓扑优化
与参数优化和形状优化相比,拓扑优化在几何变化方面表现出更大的自由度。这种方法允许在优化过程中去除和添加材料,从而可以在设计中最初不存在的几何中创建孔结构。拓扑优化通常可以产生外观自然的设计,是一种常用的轻量化设计方法。本模块提供专用的用户接口和研究用于进行拓扑优化。
与拓扑优化相关的极端设计自由度可能会导致设计无法使用传统方法进行制造。因此,一种常见的做法是引入制造限制,这可以使优化后的设计能够通过挤压或铣削的方式来生产。
此外,和形状优化一样,拓扑优化也无需重新进行网格划分。优化的平滑设计以 STL、3MF 或 PLY 文件格式提供,以便在其他软件中进一步使用,或在 COMSOL Multiphysics® 中进行验证分析。
基于梯度的求解器
当可以使用伴随法有效地计算导数时,可以使用基于梯度的优化方法。这种方法适用于定制的目标或约束,只要它们可微。这要归功于 COMSOL Multiphysics® 采用的符号微分的核心技术,并为求解定制的多物理场问题提供了必要的灵活性。
基于梯度的优化可用于数以千计,甚至数以百万计的设计变量。形状优化或拓扑优化往往是这种情况,其中设计变量通常是由每个网格单元中的不同值表示的分布在整个空间的场量。
基于梯度的方法可以同时计算所有解析导数,而无导数方法必须对每个导数进行近似计算,并且随着设计变量数量的增加将花费更多的时间。
“优化模块”中包含的基于梯度的方法如下:
移动渐近线法(同时包含 MMA 和 GCMMA)
内点优化器(IPOPT)
稀疏非线性优化器(SNOPT)
Levenberg-Marquardt
形状优化
作为改变一组 CAD 参数的备选方案,您可以通过使用内置的形状优化特征,使几何产生自由变形。这种方法可以实现更大的自由度,有时甚至可以产生比参数优化更好的结果。本模块提供一组专门的用户接口,用于轻松定义二维或三维模型中允许的边界变形。不仅如此,还提供专用的壳形状优化特征,以及用于控制求解器的形状优化研究类型。
用于实体形状优化的工具所基于的方法能够以可控的方式使网格变形,而无需重新划分网格。最佳几何形状以多面体的面网格格式提供,例如 STL、3MF 或 PLY。然后,您可以在 COMSOL Multiphysics® 中复用这种生成的几何进行建模,也可以将其导出到其他软件中使用。
参数估计
模型的准确性取决于输入,但要从供应商那里获得准确的材料参数并非易事。为了在模型中包含非线性,您可能需要进行实验。然而,尝试设计可以使用解析方法提取所需参数的实验极具挑战性。
解决这些问题的方法是使用“优化模块”的参数估计功能来找到可以最大限度地减少物理实验与模拟实验之间偏差的一组模型参数。除了用于一般参数估计的接口以外,您还可以使用专门的曲线拟合用户接口,将瞬态数据拟合为曲线(由模型表达式表示)。
参数估计方法基于最小二乘拟合,当参考数据是时间或单个参数的函数时,可以使用这种方法。在多数情况下,您将得到所估参数的方差和置信度的估计值。
如果要开始进行参数估计,您可以使用现成的仿真 App,其功能包括使用内置的教程示例或导入的测量数据,以及为要拟合的曲线输入自定义模型表达式。
无导数求解器
在只能间接计算优化求解器所需的搜索方向时,可以使用无导数优化方法。参数优化通常是这种情况,其中控制变量表示几何尺寸,并且在每个迭代步骤中都需要重新划分网格。
“优化模块”中包含的无导数方法如下:
信赖域方法通过二次逼近进行边界优化(BOBYQA)
通过线性逼近进行约束优化(COBYLA)
直接搜索方法Nelder-Mead(单纯形法)
坐标搜索
优化和仿真 App
通过将 App 开发器与“优化模块”一起使用,可以为更多用户打开独立运行优化研究的大门,而无需咨询仿真专业人员。
举例来说,优化模型可以包含基于实验数据的参数估计;针对这一特定任务定制的仿真 App 将使用户能够输入各种实验数据集,而不必担心优化模型本身的细节。
除此之外,使用 App 还可以提供更有效的工作流程,以实现最优控制。“优化模块”可用于识别哪一个瞬态输入可以得到所需的瞬态输出。在这种情况下,建议您根据实验结果来调整所需的输出。为该任务创建仿真 App 可以将这一过程的复杂性集成到一个定制的用户界面,从而允许不同的用户通过指定他们所需的输出来运行最优控制仿真。
理解和表征模型的不确定性
“不确定性量化模块”可用于理解模型不确定性的影响——研究关注量与模型输入变化的相关性。其中提供的通用接口可用于筛选、灵敏度分析、不确定性传播和可靠性分析。
“不确定性量化模块”可以有效地测试模型假设的有效性,可靠地简化模型,帮助您了解关注量的关键输入,探索关注量的概率分布以及确认设计的可靠性。模型的准确性得到保障以及对关注量的深入理解可以帮助您降低生产、开发和制造成本。
“不确定性量化模块”可与整个 COMSOL 产品库中的产品相结合,用于分析电磁、结构、声学、流体流动、传热和化学工程仿真的不确定性。不仅如此,您还可以将其与“CAD 导入模块”、“设计模块”或任意 CAD LiveLink™ 产品结合使用。
输入参数和关注量
在运行不确定性量化研究时,您可以根据 COMSOL Multiphysics® 模型的解来定义一组关注量。这样一来,关注量就成了输入参数的函数。
在结构分析的情况下,关注量可以是最大位移、应力或偏转角。对于传热或 CFD 分析,关注量可以是最高温度、总热损耗或总流体流率。对于电磁仿真,则可以是电阻、电容或电感。由于“不确定性量化模块”适用于使用 COMSOL Multiphysics® 软件计算的任何物理场模型,以及各种求解场量的数学表达式,因此关注量的选择是无穷无尽的。
任何不确定的模型输入,无论是物理场设置、几何尺寸、材料属性还是离散化设置,都可以作为输入参数,并且任何模型输出都可以用来定义关注量。
筛选
筛选,MOAT 研究类型实现了一种轻量级的全局筛选方法,可以对每个输入参数的重要性进行定性度量。该方法纯粹基于样本,使用 Morris one-at-a-time(MOAT)方法,所需的 COMSOL 模型计算量相对较小。当输入参数的数量太大而无法进行计算成本较高的不确定性量化研究时,这使其成为一种理想的方法。
对于每个关注量,MOAT 方法计算每个输入参数的 MOAT 平均值和标准差,并将它们显示在 MOAT 散点图中。MOAT 平均值和标准差的排序给出了输入参数的相对重要性。前者越高意味着该参数显著影响关注量,后者越高则意味着该参数会产生影响,并且它要么与其他参数有很强的相互作用,要么具有非线性影响,或两者兼而有之。
灵敏度分析
灵敏度分析 研究类型用于计算关注量对输入参数的敏感性,包含两种方法:Sobol 法和相关法。
Sobol 法用于分析整个输入参数分布,并将每个关注量的方差分解为输入参数及其相互作用的贡献之和。
Sobol 法可以计算每个输入参数的 Sobol 指数。一阶 Sobol 指数显示由各个输入参数的方差产生的关注量的方差。总 Sobol 指数显示由每个输入参数的方差及其与其他输入参数的相互作用而产生的关注量的方差。每个关注量和所有参数的 Sobol 指数都显示在专用的 Sobol 图中,其中直方图按总 Sobol 指数排序。关注量对具有最高总 Sobol 指数的输入参数最敏感。输入参数的总 Sobol 指数和一阶 Sobol 指数之间的差异可以衡量该输入与其他输入之间相互作用的效果。
与筛选方法相比,灵敏度分析用于定量分析关注量的不确定性如何分配给不同的输入参数。这种方法需要更多的计算资源,原因是精确的 Sobol 指数计算依赖于高质量的代理模型。
相关法可以计算每个输入参数与关注量之间的线性和单调关系。对于基于相关法的灵敏度分析,可以计算四种类型的相关性:双变量相关、等级双变量相关、偏相关或等级偏相关。
不确定性传播
不确定性传播 研究类型用于分析输入参数的不确定性如何通过计算其概率密度函数(PDF)传播到每个关注量。大多数通过 COMSOL Multiphysics® 模型计算来将输入参数与关注量进行映射的底层物理应用通常是无法进行解析计算的。
因此,需要进行蒙特卡罗分析来近似得到 PDF。与 Sobol 法类似,使用代理模型可以显著降低蒙特卡罗分析的计算成本。对于每个关注量,都可以执行核密度估计(KDE),并为其生成可视化效果图,作为 PDF 的近似值。此外,置信区间表可以基于此分析给出每个关注量的平均值、标准差、最小值、最大值以及对应于 90%、95% 和 99% 置信水平的下限值和上限值。
可靠性分析
与用于探索关注量的总体不确定性的其他不确定性量化研究类型相比,可靠性分析,EGRA 方法可以解决更直接的问题。给定一个标称设计和一些特定的不确定输入,设计失败的概率是多少?失败的原因可以是设计的完全失效,也可以用质量准则来表述。
为了确保可靠性,传统的建模仿真方法是使用安全裕度和最坏情况。通过适当的可靠性分析,可以计算实际概率,从而避免高估和低估结果。从每个关注量的不确定性传播的置信区间表中可以得到粗略估计。但是通过可靠性分析,您可以根据关注量和相应阈值的组合来定义更复杂的可靠性准则。用于可靠性分析研究的高效全局可靠性分析(EGRA)方法可以有效地将计算资源引导至区分设计失败和成功的极限状态。
代理模型和响应面
使用 Sobol 法计算的灵敏度分析、不确定性传播和可靠性分析都依赖于精确的蒙特卡罗型分析,这通常需要大量的计算才能达到良好的准确性。对于 COMSOL Multiphysics® 模型计算可能需要大量资源且不确定性量化分析涉及多个参数的现实问题,仅使用 COMSOL Multiphysics® 模型计算进行的蒙特卡罗分析在计算上并不可行。“不确定性量化模块”的一个关键特点是,它能够针对特定的 UQ 分析训练和使用代理模型(也称为元模型),从而节省计算资源。
代理模型是一种紧凑的数学模型,用于表示和计算由输入参数定义的关注域中的关注量。这种模型完全独立于基础 COMSOL Multiphysics® 模型,并且在经过适当的训练后,可用于代替 COMSOL Multiphysics® 模型来预测其他输入参数值的关注量的值,而不是求解的值。构造代理模型的过程通常是自适应的,并且代理模型可以高精度地近似原始模型。用户定义的容差可以提高代理模型的准确性。更高级别的准确性需要额外的 COMSOL Multiphysics® 模型计算。
一旦建立代理模型,您就可以进行独立验证以进一步测试其有效性,并可以快速计算整个输入参数空间的响应面数据。然后,可以将响应面进行可视化,其中每次绘制一个关注量与两个输入参数的关系。
逆不确定性量化
当一些输入参数具有未知的概率分布时,使用逆不确定性量化(逆UQ ),称为校准参数。使用逆UQ,实验数据可以反向传播,以深入了解这些校准参数的统计特性。为了应用逆UQ,在进行分析之前,需要每个校准参数的先验概率分布。
实验数据通常可用于感兴趣的量和实验中使用的参数。还有一些无法直接测量的校准输入参数。例如,考虑一个实验,我们想要校准一个机械零件的杨氏模量。我们应该做一个实验,测量作为指定材料位移函数的拉伸应力。然后,应建立逆UQ研究,以使用实验数据和杨氏模量的先验知识来校准概率分布,该概率分布将最好地再现来自实验的拉伸应力的测量值。逆UQ可应用于各种基于物理的模型,包括与结构力学、流体流动、声学、热传递、电磁学和化学工程相关的模型。
为了使校准参数的后验概率分布的计算可行,代理模型与马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)方法一起使用。在计算之后,校准的输入参数的联合和边缘概率分布可以被可视化。此外,生成置信区间表,其提供诸如平均值的信息;标准偏差;最小值和最大值;并且对于每个校准的输入参数,下限值和上限值对应于90%、95%和99%的置信水平。
轻松调用 10,328 种材料,每种材料提供多达 42 个关键属性
使用 COMSOL Multiphysics® 建模时,您可以完全控制模型中的材料属性定义和使用。您可以使用“材料浏览器”统一管理所有模型中涉及的材料,并使用“模型开发器”来管理和定制 COMSOL® 仿真中的材料。通过“材料库”模块,您可以访问一个庞大的材料属性库,其中包含 10,328 种材料的数据,包括各种元素、矿物、金属合金、热绝缘体、半导体、压电材料,等等。
每种材料都有多达 42 个关键属性函数,每个函数都包含一个或多个变量(最常见的是温度变量)。您可以绘制和检查这些函数的定义,也可以添加和更改它们,还可以在所有依赖于材料属性的多物理场仿真耦合中使用它们。此外,“材料库”还提供引用功能,支持用户引用其中包含的材料属性数据。
可用的材料
“材料库”中包含以下类别的材料:
元素
铁和镍合金
铝和铜合金
镁和钛合金
锌和贵金属合金
氧化物
碳化物、陶瓷和工具钢
碳和热绝缘体
金属间化合物、热障涂层和难熔金属合金
尼龙、聚酰胺、聚醚和聚酯
乙缩醛、PVDF 和 EVA
弹性体和环氧树脂
各种聚合物和聚合物复合材料
矿物、岩石、土壤和木材
聚丙烯、PET、PBT、ECTFE、PFA 和 ETFE
锌、贵金属和热电偶合金
焊料、钎焊、低熔点合金和牙科合金
半导体和光学材料
有机物、碳氢化合物和食品
钴、电阻和磁性合金
金属基和陶瓷基复合材料
盐
燃料电池、电池和电陶瓷
硅化物和硼化物
玻璃、金属玻璃和氮化物
铸铁和模具材料
其他材料(如空气、海水和氨)
关于材料库中的材料
“材料库”提供 10,328 种材料,共包含 84,573 个综合材料属性数据集,用来表示每种材料的相关材料属性。除了这些材料属性以外,您还可以在其中找到描述数据源的参考资料、有关属性值精度的说明,以及关于材料属性的其他相关信息等。许多属性被定义为函数,最常见的是温度函数,并且通常作为分段多项式函数实现。
大多数材料都具有不同的相,例如固相、液相、气相和其他材料特定的相。此外,“材料库”中的许多材料还包含不同的变体,例如不同工作条件下的材料属性或一种材料的不同变体。对于某些材料,还提供了对应于不同材料方向(各向异性)的变体。
借助“材料库”,您可以快速搜索和浏览材料,并将它们作为全局材料或任何模型组件添加到模型中。不仅如此,您还可以将其添加到现有或新的用户定义的库中,并在添加到模型之后修改它们的属性。
跟踪带电粒子和流体流动中的颗粒
粒子追踪是一种数值方法,通过求解单个粒子随时间变化的运动方程来计算它们的路径。与 COMSOL Multiphysics® 软件中使用的许多其他方法不同,粒子追踪方法求解许多离散轨迹,而不是连续场。
使用本模块模拟的粒子(或颗粒)可以表示离子、电子、生物细胞、沙粒、弹丸、水滴、气泡,甚至行星或恒星。根据建模的粒子类型,您可以从影响其运动的各种内置力中进行选择。例如,您可以预测电子如何在电场和磁场中运动,或者灰尘如何因重力和大气阻力而发生沉降。此外,您还可以控制被释放粒子的初始位置和速度,并指定当粒子撞击几何边界时所产生的行为。
带电粒子追踪
准确预测离子或电子在应用场中的运动,对于光谱仪、电子枪和粒子加速器的设计至关重要。应用场既可以由用户定义,也可以取自先前的分析。这些场可以是稳态或瞬态的,也可以在频域中求解。您可以应用任意数量的各种场,本模块支持您在同一仿真中叠加稳态场和时谐场。
粒子运动很少发生在完美的真空中。您可以将任何粒子追踪模型转换为蒙特卡罗碰撞模型,让粒子有机会与周围气体中的分子发生碰撞。这可能会导致粒子改变方向,甚至发生电离和电荷交换等反应。
最简单的带电粒子追踪模型涉及单向耦合,其中会求解物理场,然后将其用于定义粒子上的力。如果带电粒子处于足够高的电流束中,则可能需要考虑双向耦合,其中粒子可能会扰动场。本模块内置的分析类型可以方便地设置双向耦合模型。
流体流动颗粒跟踪
空气中水滴的扩散和蒸发、生物细胞在片上实验室装置中的迁移,以及沉积物对油气管道壁的影响都是流体流动颗粒跟踪的例子。
对于流体中的颗粒来说,最重要的力往往是曳力和重力。根据不同的应用,也可以施加额外的力,例如电、磁、热泳和声辐射力。如果流体为湍流,或者颗粒足够小以至于布朗运动十分明显,则颗粒运动可能涉及随机分量。
所有颗粒可以具有相同的尺寸,也可能从尺寸分布中进行取样。作为选择,您还可以建立颗粒被周围环境加热或冷却的模型,或者使颗粒在传播过程中获得或失去质量。
对于较大的颗粒,运动方程的完全惯性处理可以准确预测每个颗粒在周围流体中的加速方式。用户既可以手动键入流体速度,也可以从先前的分析中获取。此外,还可以使用一些近似方法来显著减少仿真时间,对于惯性可以忽略不计的小颗粒尤其如此。
数学粒子追踪
作为带电粒子追踪和流体流动颗粒跟踪的内置功能的替代方案,“粒子追踪模块”包含一个通用的接口,用于求解您可能希望指定的所有粒子运动方程。您可以包含任意数量的用户定义的释放特征、边界条件、域条件和力。
用于指定粒子上的力的选项包括使用牛顿第二运动定律,或者间接指定粒子系统的拉格朗日量或哈密顿量。
粒子追踪模块支持的建模对象
模拟粒子在各种应用中的行为。
质谱分析
粒子追踪模块的特征和功能
“粒子追踪模块”提供专门的工具用来追踪流体中的颗粒以及外部场中的离子或电子。
丰富的粒子释放特征
粒子释放特征允许您指派初始粒子位置和速度。您可以选择从几何中选定的域、边界、边或点释放粒子。为了更好地控制初始位置,您还可以键入一组坐标,或者从文本文件中加载初始位置和速度。专门的释放特征可用于发射具有指定发射率的非层流离子和电子束,模拟热阴极电子的热电子发射,或从喷嘴释放液滴喷雾。
蒙特卡罗碰撞建模
当离子和电子传播时,它们可能会随机地与周围环境中的气体分子发生碰撞。您可以根据速度、气体密度和碰撞截面数据来建立蒙特卡罗碰撞模型,其中每个粒子都有可能与周围气体中的分子发生碰撞。碰撞可能是弹性的,也可能是电离或电荷交换反应,其中将新的粒子物质(如二次电子)引入模型。
耦合的粒子-场相互作用
带电粒子会自然地相互吸引或排斥,具体取决于它们的电荷具有相反的符号还是相同的符号。这就是为什么电子束在向前传播时往往会发散或散开的根本原因。
您可以使用两种不同的方式模拟粒子之间的排斥或吸引力。对于少量的带电粒子,您可以直接定义库仑力。对于更大的粒子群,您可以计算体积空间电荷密度,然后用它来扰动粒子周围的电势。交替计算电子轨迹和产生的电势是自洽双向耦合粒子-场相互作用建模的一个例子。
跟踪层流或湍流中的颗粒
为了在模拟湍流流动时节省计算资源,一种常见的仿真技术是求解雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 方程,该方程通过求解额外的传输变量来预测流体速度中湍流脉动的平均特性,而不是计算每个位置和每个时间的精确速度。
使用 RANS 跟踪湍流中的颗粒时,您可以通过将曳力视为两个项的组合对其进行建模:一个来自平均流,另一个来自速度脉动或涡流。您可以使用内置的离散随机游走和连续随机游走模型,从基于平均湍流动能的分布中随机抽取这些涡流。
制定并求解自定义的运动方程
您可以在粒子运动方程的牛顿公式中设置用户定义的力,在无质量公式中直接指定粒子速度,或输入用户定义的拉格朗日量或哈密顿量。
为了求解粒子运动的瞬态方程,COMSOL® 软件提供了一系列不同的求解器,包括可以求解高度刚性的运动方程的稳定隐式求解器,以及快速、准确的龙格-库塔方法。软件根据粒子运动方程的函数形式指派默认的时间步长算法,但求解器的选择是完全透明的,用户可以方便地进行修改。
可定制的粒子-壁相互作用
当粒子在仿真域中移动时,它们将自动检测与周围几何表面的任何碰撞。当粒子撞击壁时,您可以控制它的行为:粒子可能会停止移动、消失、发生漫反射或镜面反射,或者飞向用户定义的方向。除此之外,您还可以在同一表面上指派多种壁相互作用,并为它们各自指定一个概率,或者为要应用的某种类型的壁相互作用指定一些必须满足的其他条件。另外,粒子与壁的碰撞还可以触发二次粒子发射:将新的模型粒子引入几何。
定义具有不同属性的多个物质
在跟踪流体中的颗粒时,必须指定颗粒的密度和大小,以便正确施加曳力和重力。根据模型中考虑的其他力,可能需要输入额外的信息,例如相对介电常数、热导率,甚至动力黏度(在为液滴建模时)。您可以直接输入颗粒材料属性,也可以从广泛的内置材料属性库中加载它们。
用户可以轻松地在同一几何中同时对不同种类的粒子进行建模。您可以在同一模型中定义多个物质,每个物质都有自己独特的材料属性。或者,如果颗粒由相同的材料制成但尺寸不同,您可以从分布中对释放颗粒的质量或直径进行采样。
自洽空间-电荷受限发射建模
现代电子枪设计需要准确描述阴极或等离子体源附近的粒子速度和电场,其中粒子首先以相对较低的动能释放。如果发现释放的电子速度的热分布对解有显著的影响,您可以使用内置特征来模拟来自阴极的空间-电荷受限发射或热电子发射的更高保真度处理。
相对论粒子追踪
当粒子速度接近光速时,经典牛顿力学需要进行一些修正才能准确描述粒子运动。“粒子追踪模块”包含的选项可以在追踪非常快的粒子时考虑狭义相对论。一束相对论粒子可以在其自身周围产生明显的电场和磁场,因此完全自洽的模型包含电场和磁场粒子-场相互作用。
粒子轨迹的可视化和动画效果
您可以将瞬时粒子位置作为点、箭头或彗尾进行可视化,并将它们的路径渲染成线、管或扁平带。您可以使用在粒子上或在它们所占据的空间中定义的任何表达式为轨迹着色。一些额外的后处理工具包括用于显示粒子轨迹与平面相交的庞加莱图,以及用于呈现粒子在动量空间中的演变的相图。
您可以轻松地在同一个绘图组中组合不同类型的绘图,然后为粒子运动生成动画效果。您可以将绘图和动画导出到文件中,或者导出原始解数据以进行进一步分析。内置的运算符和变量提供了非常方便的粒子统计信息的概述。
用于模拟气体、液体和气-液混合系统
对于 CFD、传热和声学分析,正确地计算材料属性至关重要。借助“气液属性模块”,您可以轻松准确地估算密度、黏度、导热系数、热容等随混合物组分、压力和温度变化的各种属性。
“气液属性模块”中所有功能也包含在以下产品中:“化学反应工程模块”、“电池模块”以及“燃料电池和电解槽模块”。
CFD 相关属性
流体的密度、粘性系数常常与混合物的组分、压力和温度相关,能否正确估算这些属性会直接影响计算结果的准确性。“气液属性模块”为您提供用于估算气体混合物系统密度和粘性系数的专业工具,以及用于估算液体混合物(例如水溶液和有机溶剂溶液)属性的模型。对于同时包含液相和气相的两相混合物系统,该模块提供了专业模型,来计算气相和液相的平衡组成随压力和温度的变化。
传热相关属性
对于传热分析来说,流体混合物材料属性除密度和粘性系数度以外,还需要考虑导热系数和热容等。例如,在设计气候控制和通风系统时,空气的材料属性与相对湿度、压力和温度有关,正确估算空气的材料属性对此类建模和仿真研究的准确性可能至关重要,这也同样适用于冷却剂,及其他行业过程中使用的气体和流体混合物。
“气液属性模块”包含用于计算导热系数和热容随压力和温度变化的模型,可以计算任意组分的气体混合物和液体混合物的这些属性,对传热的精确建模和仿真起着重要的作用。
声学相关属性
压力声波在流体(通常是水或空气)中的传播与流体的压力、温度、粘性系数、热容和导热系数有关。在空气中,相对湿度会影响空气的各项材料属性。这些属性的准确性以及与之相关的压力声学仿真结果的精度取决于上述变量,而所有这些变量都可以通过“气液属性模块”进行计算。
气液属性模块的特征和功能
计算液体和气体属性的专用功能
热力学属性
“气液属性模块”提供的模型和参数可用于计算以下属性:
反应热
生成热
热容
黏度
密度
导热系数
二元扩散系数
活度和逸度
适用于计算液体混合物和气体混合物的属性,还可以计算以下系统的平衡状态属性:气液系统(即闪蒸计算)、气-液-液系统和液-液系统。
热力学模型和属性模型
“气液属性模块”使用许多不同的热力学专业模型,事实上,没有一个热力学模型可以描述所有气体和液体,具体选择哪种模型取决于混合物的类型和实际工况。除了使用热力学模型以外,您还可以单独指定模型来计算不同的属性。