管道隔热的重要性

管道是在陆地和海上运输石油、天然气和水等流体的一种经济的方法，尽管它们的建造成本很高。这些管道系统通常由被埋在地下或在海底运行的钢或塑料管组成，泵站分布在整个系统中，以保持流体的流动。

当石油混合物被泵送通过管道时，由于内部摩擦力的作用，会产生热量。这种热量源自泵提供的能量。如果管道在寒冷的环境中运行，热量会迅速消散。如果管道没有被隔热，混合物的温度会达到与环境相同的温度。在较低的温度下，石油会变得更加黏稠，这会增加泵的能源消耗。除此之外，冷的石油混合物需要预热才能在炼油厂使用。预热过程会消耗能源，需要投资来建造和维护。

管道被用于将流体运输到世界各地。

很显然，我们可以通过将泵提供的能量保持在管道内，对管道进行保温，来避免石油温度的降低。诀窍是将管道保温层做得足够好，但又不能太厚，这样就能减少隔热的成本，从而获得投资回报。如果石油混合物的温度能被保持在足够高的水平，预热过程的成本就可以消除，泵的能源消耗也可以大大减少。降低这些成本必然会促进对保温层的投资。

使用 COMSOL Multiphysics^® 软件可以对管道中的流体流动和传热过程进行准确建模和模拟。使用这些模型，可以设计一个尽可能便宜的保温层，但仍能有效地将油产品维持在所需温度。

使用 COMSOL Multiphysics^® 设计和优化管道的保温层

管段绝热教程模型包含一个 150 km 的管道段，入口温度为 25°C。进入管道的石油以 2500 m³/h 的速度流动。为了建立和求解描述流体在管道内运输的能量和流动方程，我们使用了非等温管道流 接口。

这个特殊的案例涉及分析管壁和保温层，如下图所示。图中，深灰色和浅灰色层代表两层管壁，而浅蓝色代表管壁内外的膜阻。请注意，在这个例子中，管壁的厚度为 2 cm。

管道横截面示意图，其中 h_int和h_ext 是管内和管外的膜阻传热系数，k_ins 和 k_wall 分别是保温层和管壁的热导率。

第一项研究，我们计算了两种不同情况下沿管道线的温度：一种是假设完全保温，另一种是管道没有保温。下图显示，流体中摩擦力产生的热量使其温度在 150 km 内增加了约 3°C。当管道没有添加保温层时，出口温度与周围环境的温度相似。

当管道上有完全保温层（绿色）和没有保温层（蓝色）时，流体温度的比较图。

在了解了流体流动和传热过程后，我们可以进行优化计算，以确定在整个管道内保持油温恒定所需的最小保温层厚度。这个特定的优化研究结果表明，最小保温层厚度约为 8.9 cm。我们还可以对管道末端可接受的最低油温水平进行类似的优化研究，这有可能会进一步降低保温层厚度（和成本）。

使用仿真设计改善管道的保温性能

根据计算出的保温层的最小厚度，我们可以估算出投资成本，并决定这些成本是否是出于减少的泵送和预热成本。我们可以潜在地减少泵送过程中的能源消耗，并消除预热的能源消耗，使该过程更加高效和环保。

EMC/EMI 测试所需的设备

电子或电气设备是否能够在普通电磁环境中正常运行？在推向市场之前确保这些产品的质量和安全性，是一个需要解决的重要问题。这也是 EMC/EMI 测试的核心，解决这个问题可以帮助我们根据需要修改设备。

一个航天器正在进行 EMC/EMI 测试。图片来源：ESA-G Porter。通过 Flickr Creative Commons获得授权许可(CC BY-SA 3.0 IGO)。

在进行 EMC/EMI 测试时，可以考虑将重点分为两类：辐射性和敏感性。在辐射性方面，测试可以指出不必要的辐射和可能损耗电磁能的潜在因素。对于敏感性，测试可以评估在存在射频信号时设备的响应，其中包括发生故障的趋势。通过实现抗干扰性，设备在遇到不必要的辐射时可以正常运行。

运行 EMC/EMI 测试需要特定的设备。对数周期天线是用于此测试的三种常用的测试天线之一（之前，我们讨论了另一种大家所熟知的天线类型双锥形天线）。共面偶极阵列是这种宽带天线的一种常用的形式，它通常被放置在消声室或混响室内，用于获得UHF范围内的天线测量值。

一个对数周期天线。图片由 K. Krallis 提供，通过 Wikimedia Commons 获得许可。

在这些天线准备好用于 EMC/EMI 测量之前，重要的是分析它的设计可以确保测量准确性。COMSOL Multiphysics^® 软件和软件附加的RF模块可用于优化这些设计。

使用 RF 仿真分析对数周期天线的设计

在查看对数周期天线时，你可能会注意到它的形状与八木-宇田天线类似。但是，这两个天线的工作方式完全不同。对数周期天线通过共面阵列实现更宽的频率响应(带宽)，而八木-宇田天线通过驱动元件和多个无源元件实现更高的增益(方向性)。

我们通过将几个金属体框架安装为一个共面二极管阵列，构建对数周期天线的几何形状。使用完美电导体(PEC)边界条件模拟这些框架和金属偶极子杆，因为在相对频率范围内，表面损耗可以忽略不计。请注意，天线主体的内部部分被排除在建模域之外，包括预计不会有波传播的框架和杆。

对数周期天线的配置。

天线通过一个集总端口激励，该端口位于两个主体框架间隙的末端，此处有一对较短的杆。为了终止电场，在另一端有一对较长的金属圆柱处添加一个 300 Ω 的电阻。模型本身位于一个球形域中，该球形域由可以吸收任何方向辐射的完美匹配层(PML)包围。

请注意，偶极子杆的长度逐渐减小，但其与集总端口大小的比是恒定的。此外，对于参数化的几何零件，很容易为辐射结构构建重复的几何模式。

为了可视化阻抗匹配属性，生成了一个史密斯圆图，其中不同的颜色代表不同的频率。以 50 Ω 的归一化阻抗进行的扫频结果从中间漂移(大约 68 Ω)。

显示阻抗匹配属性的史密斯绘图。

下一组绘图描绘了远场辐射图。在 2D 极坐标图中，当从集总端口辐射时，可以看到随着频率的增加，图形的方向性略有变化。这种趋势也反映在 3D 模拟图中。请注意，在 3D 绘图中，可以应用更精细的角度分辨率准确可视化侧翼。

2D 极坐标图(左)和 3D 模拟图(右)中描绘的远场辐射图。

最后，我们考虑计算出的电压驻波比(VSWR)。结果表明，对于模拟的频率范围，天线的阻抗接近 50 Ω ，该比率优于 2：1。这种宽带阻抗匹配特性对于 EMC/EMI 测试中获得的测量精度非常重要。

计算的天线驻波比。

准备好尝试模拟本教程模型了吗？点击下面的按钮，获取对数周期天线教程模型。

请注意，您也可以从 COMSOL Multiphysics 软件的案例库中访问这个教程。

更多资源

以下是更多专门模拟 EMI/EMC 测试环境的教程模型，欢迎访问：

• 用于 EMI/EMC 测试的双锥形天线建模
• 双脊喇叭天线
• 电波暗室的锥形吸波器建模
• 电波暗室吸收电磁波

调谐频率选择表面的频率响应

在之前关于频率选择表面(FSS)的博客中，我们介绍了一个使用互补开口谐振环构建的示例，这是这类结构的常用基本单元选择。在初步仿真分析之后，设计工程师很可能希望进一步修改结构以调整其频率响应。他们可能想改变当前晶胞的几何结构，或者尝试一种全新的单元类型。另外，他们可能还希望改变基板的波属性，如偏振或材料属性。

由互补开口谐振环构建的频率选择表面。

随着设计更改列表的增长，可能会在设计过程中造成瓶颈。仿真专家必须及时解决这些不同的要求，并及时提供仿真结果。但是，随着仿真社群的不断壮大和工作量的不断增加，这可能是相当难以完成的。

进入仿真 App 开发器。借助 COMSOL Multiphysics^® 软件中包含的这个工具，仿真专家就可以设计定制的仿真 App，其他人则可以使用这些 App 自行修改设计参数和生成仿真结果。仿真 App 包含基础模型的所有物理特性，用于确保结果的准确性，在它直观的用户界面之下隐藏了复杂性。你可以在这些工具中添加各种单元，来指导用户如何设置和运行仿真以及如何传达他们的发现。

让我们看一个频率选择表面的仿真 App 示例。

仿真 App 演示：频率选择表面模拟器

作为 App 的创建者，你可以控制最终用户可以执行的操作，可以根据特定分析决定可以修改哪些参数，还可以决定不同单元在 App 布局中的显示方式。

在频率选择表面模拟器示例中，用户界面(UI)分为五个不同的部分。

频率选择表面模拟器的用户界面

在工具栏中有 5 个按钮，每个按钮都提供了可用于进行各种操作的快捷方式。默认情况下，选择属性 按钮可以访问用户输入的波场和基板设置。单击布局 按钮，可以获得在几何参数 部分中选择的基本单元的信息。这个 App 中还有一些选项，可以让用户轻松访问 App 文档、通过电子邮件发送仿真报告，以及通过嵌入式网络浏览器阅读 COMSOL 博客。

开口环单元类型的布局信息。

请注意，有三个部分可以切换到输入参数，我们已经在上面引用了：

1. 波属性
2. 基材属性
3. 几何参数

可以从组合框中选择基本单元类型，其中列出了五种常用的频率选择表面基本单元类型。其他内置选项包括两个预定义的极化以及法向入射传播。

包含五种基本单元类型的组合框。

作为上面突出显示的开口环 选项的替代方法，App 用户可以选择构建如下图所示的交叉条状联频率选择表面。如果要进行这样的更改，他们只需要从组合框中选择 Cross，然后取消选中几何参数 部分中的互补 框就可以了。

交叉条状频率选择表面示例。

在信息部分中，将显示三种类型的信息消息：

1. 找不到解时的状态
2. 最新计算的求解时间
3. 警告数据视图和结果在参数更改后尚未更新

这些消息对于组织目的和保持仿真分析正常进行非常有用。

与工具栏一样，命令控制台也有一系列的按钮(总共 8 个)。配置输入参数后，用户可以单击几何视图 或虚拟阵列图 按钮来可视化反映这些修改的更新几何。根据他们希望在图形窗口中看到的结果，他们可以从 S 参数 图、水平电场图 或垂直电场图 按钮中进行选择。其他选项允许用户计算模拟、将参数重置为其默认值以及开发仿真报告。

修改输入参数时，某些按钮上会显示额外的注释。第一个是橙色感叹号。这表示几何或虚拟阵列视图根据参数更改无效。当用户单击其中一个相对按钮来使用最新参数更新视图时，这个符号将消失。

橙色感叹号上的 几何视图按钮。

第二个是蓝色的禁用标志。如果在运行模拟后修改了输入参数，那么结果会与当前输入参数不一致。由于结果不是最新的，它们会被禁用。如果想要消除这个标志，用户可以单击计算 并使用更新的输入运行应用。

蓝色禁用标志 S 参数绘图按钮。

最后，还有图形窗口。在这里可以显示几何视图、虚拟阵列视图和各种结果图。这部分还可用作网络浏览器，例如通过工具栏选择 COMSOL 博客时所示。

可以在图形窗口中显示各种图解，包括垂直电场模图(左)、水平电场模图(中)和 S 参数图(右)。

仿真 App 支持一种新的设计工作流程

开发仿真 App 为优化设计工作流程开辟了一个充满可能性的世界。由于能够运行自己的仿真，设计工程师可以更快地获得结果，并利用这些信息来推进他们的流程。他们还能以更加容易理解的格式将这些结果传达给更多的受众。仿真专家可以利用他们一遍又一遍地运行仿真所花费的时间来优先处理队列中的其他项目。

准备好开始开发自己的仿真 App 了吗？单击上面的按钮尝试频率选择表面模拟器仿真 App 示例。

查找更多使用 RF 模型构建的应用示例

• 查看其他用于设计 RF 应用的仿真 App：
  • 缝隙耦合微带贴片天线阵列合成器
  • 波纹状圆形喇叭天线
  • 表面等离激元线光栅

这篇文章最初发表于 2014 年。此后进行了更新，以保证准确性，并加入了有关亥姆霍兹线圈磁场教程模型的更多信息。

使用亥姆霍兹线圈产生均匀磁场

磁场由移动电荷产生，当电荷在空间中移动或旋转时，能够建立磁场。当磁场不均匀时，物体在各处的磁场均不同。但是，通过两个相同线圈的特殊排列（称为亥姆霍兹线圈）可以得到非常均匀的磁场。

亥姆霍兹线圈用于为需要特定磁场的实验产生均匀磁场或抵消外部磁场，如地球磁场。其他应用还包括确定磁屏蔽效果、量化电子设备对磁场的敏感性以及校准导航设备。

阴极射线在亥姆霍兹线圈中弯曲成一个圆圈。图片来源：Sfu。根据CC BY-SA 3.0授权，通过 Wikimedia Commons共享。

在设计亥姆霍兹线圈时，很自然地会提出一个问题：磁场的均匀性如何，距离应多远？我们可以借助 COMSOL Multiphysics^® 软件来回答这个问题，。

分析亥姆霍兹线圈的磁场

亥姆霍兹线圈的几何形状由两个相同的圆形线圈组成，它们之间间隔一个半径。线圈均匀缠绕，以使电流以相同的方向流动。反过来，这又会产生均匀的磁场，其中主要部件平行于两个线圈的中心轴。这种均匀性可以归因于平行于线圈轴的两个场分量的总和以及垂直于这些相同轴的分量之间的差。

亥姆霍兹线圈示意图。

为了对线圈进行建模，我们使用 COMSOL 软件内置的  3D 磁场 接口，该接口在 AC/DC 模块中可用。这个例子中，线圈由 10 匝导线组成，有 0.25 mA 的电流通过。

亥姆霍兹线圈教程模型的几何结构。

从下图中，我们可以看到两个线圈之间的磁通密度。请注意，红色箭头表示磁场的强度和方向。结果表明，两个线圈中心的磁通密度大多均匀，线圈边缘附近的磁场不均匀。垂直于线圈轴的场分量相互抵消，导致净场为零，而平行于线圈轴的场分量相互叠加。

描述两个线圈之间磁通密度的切面图。

使用后处理技术，可以更仔细地观察磁场的均匀性。观察结果图，可以看到线圈中心的均匀平行磁通量和靠近线圈附近的不均匀性。

通过后处理技术可视化亥姆霍兹线圈的均匀磁场。

就像这个示例中所展示的，仿真进一步简化了构建亥姆霍兹线圈和计算其磁场的过程。对于各种应用，这类分析可以帮助确保这些场的均匀性，这通常是亥姆霍兹线圈最受欢迎的特征。

了解有关在 COMSOL^® 软件中分析线圈设计的更多信息

• 对于软件新用户，请查看以下博客文章：
  • 使用仿真设计和优化 MRI 鸟笼线圈
  • 分析不同线圈的互感系数
• 如果你正在需要更详细的指南，请浏览以下主题内容：
  • 在 AC/DC 模块中模拟线圈
  • 优化电磁线圈电流的 3 种方法
  • 如何优化电磁线圈的间距

太空探索技术的发展

我们看到，各种现代应用正趋向微型化发展，包括手机和电脑。进行空间探索任务的卫星设计也是如此。NASA 太空技术 5 号(ST5)任务中使用的设备只是其中的一个例子。

安装在 ST5 任务的有效载荷结构上的微型卫星。图片由美国宇航局提供。通过 Wikimedia Commons 在公共领域获得许可。

由于微型卫星的有效载荷很复杂，以及需要将其延伸到地球轨道之外，主动热控制非常重要。主动控制需要更多的能量，也会增加卫星的质量。设计热控制系统具有一定的挑战性，即需要满足这些功率和质量的需求，同时仍然能够以可控的方式散掉多余的热量。

考虑到这一点，NASA 在他们的 ST5 任务中使用了静电梳齿驱动器。这些驱动系统搭配了两种不同的散热器设计:一个百叶门式和一个百叶窗式置。ST5 任务有助于验证高压 MEMS 技术在热子系统中的使用。

左:百叶窗式散热器设计图。右:百叶窗散热器设计的光学显微镜图像。图片由 L. Pasqualetto Cassinis 提供，摘自他在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

在这些初步发现的基础上，代尔夫特理工大学（TU Delft）的一名研究人员考虑使用热驱动器来替代静电梳齿驱动器。与静电设备相比，热执行器实现以较小的施加电压产生较大位移。，并且对辐射较不敏感。为了验证它在这类应用中的潜力，并进一步优化设计，研究人员选择了 COMSOL Multiphysics^® 软件进行仿真。

验证在微卫星中使用热执行器的潜力

研究人员在 COMSOL Multiphysics 中建立了两个模型。第一个是百叶窗阵列的三维（3D）结构模型，这是基于其鲁棒性选择的结构。

3D 百叶窗阵列模型。图片由 L. Pasqualetto Cassinis 提供，摘自他在COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的演讲。

第二个是一个由多晶硅制成的双臂热执行器的 3D 多物理场模型——一个基于焦耳热微执行器教程的模型。施加的电压通过两个热臂产生电流，致使执行器的温度升高，温度升高会导致热膨胀，进而导致执行器弯曲。除了热臂外，热致动器还包括一个冷臂，以及将冷、热臂分开的间隙。注意，热臂比冷臂的电阻大，因此焦耳热更大。

热执行器几何模型。此图像来自热执行器的焦耳热教程文档。

为了验证热执行器模型，研究人员将仿真结果与解析结果进行了比较，并验证了输出位移是否接近 3µm 的要求。在模型中，位移为 2.54µm，与解析结果(2.11µm)接近，也接近要求的位移。注意，理论模型只包括一个热臂，这可以解释位移值的一些差异。此外，仿真结果表明温度分布一致，最高温度在执行器中心。

在百叶窗式结构添加一个类似弹簧的力改变结构刚度。由于施加在装置上的力不同，百叶窗结构表现出弹性行为。通过研究获得的刚度估计值并入热执行器模型。当通过驱动改变电压来评估尖端位移时，需要高电压来产生合理的位移。此外，正如预期的那用，最大位移发生在驱动器的中心，而不是尖端。

优化热执行器设计

在验证了热执行器模型后，研究人员试图优化其配置。在此优化研究中，执行器的长度随冷热臂间距的变化而变化。每一个分析结果，都假设两个变量对尖端位移有很大的影响。

在初始优化研究中，施加 2.7V 电压会产生 109N/m³ 的热执行器结构刚度和 2.98µm 的位移。此外，器件达到的最高温度明显低于硅的熔化温度。

在 2.7V 电压下，热执行器的位移(左)和温度(右)。图片来自 L. Pasqualetto Cassinis，摘自他在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的演讲。

降低所需的施加电压是后来优化研究的重点。在电力需求有限的情况下，例如 CubeSats ——一种用于空间研究的小型卫星，仅几伏电压也可能至关重要。本研究考虑了多个客观变量，并将两臂之间的距离作为控制变量。通过这种方法，位移更接近 3µm，电压降低到 2.5V 左右。

多物理仿真将微型卫星带向新的高度

推进小型化卫星设计是扩大其在空间探索中应用的关键。正如我们在热执行器示例中所强调的，仿真是在这些系统中测试主动热控制技术的有用工具，提高了它们的安全性和可达性。我们期待看到仿真技术在未来将如何继续发展，以及将发挥的潜在作用。

了解更多关于利用仿真推动太空探索的研究

• 阅读 COMSOL 用户年会论文全文:MEMS 变发射度散热器热执行器的可行性研究。
• 浏览与太空探索相关的其他博客主题:
  • 改善载人飞船的大气环境
  • 罗塞塔号和菲莱号：在彗星表面的历史性着陆
  • 使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序（CDRA）系统
• 下载相关教程:热执行器的焦耳热模型

探管麦克风的组成

为了使麦克风与被测声场保持一定距离，通常采取将探管连接到麦克风壳体的办法。安装助听器时，将探管插入耳道中，并将麦克风戴在耳外。这个测量系统可以校准和验证助听器的舒适性和有效性，特别是当助听器将信号放大到患者所需要的程度时。实际上，美国言语-听觉协会和美国听力学学会也表示，耳内测量是验证助听器性能的首选方法。

进行耳内测量的探管麦克风。图片由 Cstokesrees 提供自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。

在将探管添加到麦克风时，我们必须考虑这两个组件是如何相互作用的。例如，我们需要了解探头如何影响麦克风的灵敏度，从而影响助听器的测量。本文，我们将通过多物理场仿真找到这些问题的答案。

探管麦克风设计的灵敏度分析

对于这个示例，我们使用了一个瞬态模型，该模型由通用的探管麦克风配置组成。包括：

• 外部声学域
• 探管
• 麦克风振膜前的空腔

其中，探管由弹性材料制成，杨氏模量为 0.1，泊松比为 0.4。下面的示意图中， L 代表管的长度， D₀ 表示其外径。麦克风前方的腔体是一个半径为 R 和高度为 H 的圆柱体。这个腔连接到一个圆锥体上，圆锥体的底部半径为 R，顶部半径为 D₀。一个带有波矢量 k 的外部声场撞击探管。请注意，此正弦波沿 x 轴正方向传播，振幅为 1Pa。

探管麦克风配置。

为了对这种探管麦克风设计进行建模，我们使用了管道声学，瞬态 接口。在我们的分析中，将探管视为一维结构，这是一个有效的假设，只要我们忽略该组件与传入声场之间的相互作用就可以了。对于入射场是单色波的当前设置，我们可以假设在管内没有发生明显的热和黏性边界损失。由于振膜不是完全刚性的结构，因此我们假定阻性损耗与普通电容式麦克风的阻抗一致。由此可以获得一个全耦合的声学模拟，其中由探管连接两个独立的 3D 压力声学域。

分析探管麦克风时，需要考虑的重要参数是探头尖端的压力与膜片压力之间的关系。这是校准测量系统的必要步骤。下方左图显示，在初始瞬态效应之后，解在大约 4ms 后变为周期性。然后，系统获得约 1.4 倍的增益并发生相移。这两个因素取决于所施加信号的频率，这个频率是 500Hz 的纯谐波音。右图描绘了结束时间点 x-z 平面中的压力分布。

左：膜片压力与探头尖端压力的关系。右：x-z 平面中 8ms 处的压力分布。

以上结果表明，使用 COMSOL Multiphysics^® 软件分析探管麦克风设计具有潜在优势。通过更好地了解探管和麦克风之间的相互作用，可以进一步改善这些系统的设计，有助于安装助听器和其他应用。

查找更多使用 COMSOL Multiphysics^® 模拟麦克风的示例

• 浏览COMSOL 案例下载 中的其他麦克风建模教程：
  • Brüel＆Kjær4134 电容麦克风
  • 与测试装置（含 0.4cc 耦合器）相连的接收器集总模型
  • 通用 711 耦合器—封闭的耳道模拟器
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  • 您听说过鸡尾酒会问题吗？

将选择性激光熔化技术和难熔金属结合的应用前景

几年前，我们在一篇博客中讨论了选择性激光烧结如何以不可阻挡之势征服了 3D 打印世界。从那时起，这种快速成型技术在各个行业越来越受欢迎。另一种紧密相关的技术——选择性激光熔化也享受了相同的待遇，这一技术使用激光束熔化粉末状材料，借此制作 3D 零件。

选择性激光熔化工艺的示意图。图片由 Materialgeeza 提供。在 CC BY-SA 3.0 授权下使用，通过维基共享资源发布。

铜、铝和不锈钢，这些只是 SLM 技术使用的一部分金属。近年来，研究人员在实验中尝试加入高熔点材料。下图中的钼就是一个例子。

钼是一种有望用于 SLM 的高熔点材料。图片由 Alchemist-hp 提供。在 Free Art License 1.3 授权下使用，通过维基共享资源发布。

新材料带来了新挑战：难熔金属的工艺窗口明显更窄。这意味着人们需要进一步分析认识高熔点材料在 SLM 过程中的特性。为了解决这个多物理场问题，奥地利 Plansee 的研究人员将目光转向了 COMSOL® 软件。

使用多物理场仿真模拟 SLM 中激光束与物质的相互作用

为了分析 SLM 中激光束与物质的相互作用，研究人员创建了一个 COMSOL Multiphysics 模型。模型几何由一个简单的立方金属粉末层组成，被放置在一块暴露在 Gaussian 激光束下的大型基板的顶部。值得注意的是，模型利用了激光运动方向上的对称性。

剖分网格后的模型几何。图片由 K.-H. Leitz、P. Singer、A. Plankensteiner、B. Tabernig、H. Kestler 和 L.S. Sigl 提供，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

为了精确地模拟激光束与物质的相互作用，他们考虑了下列因素：

• 激光辐射的吸收
• 传导和对流换热
• 相变（熔化和固化，蒸发和冷凝）
• 表面张力效应

为了研究上述因素，小组成员使用“传热模块”和“CFD 模块”耦合了热与流体动力学。在这个示例中，他们忽略了吸收对角度的依懒性、遮蔽效应和各种反射现象。

在分析中，金属粉末由两种不同的材料表示：不锈钢和钼。研究人员比较了每种材料在 SLM 工艺的多个阶段的体积积聚情况。

从下图可以看出，钢和钼的过程动力学存在明显的区别。使用钢时，会出现长长的熔池，且蒸发带来了显著的效果；使用钼时，熔池大小和激光焦点尺寸相当，且温度远低于引起蒸发的温度。这种差异可以追溯到每种材料的相变温度和热导率。由于自身的高导热性，钼在 SLM 中的热损耗更大，因此限制了熔池的尺寸。这些热量损耗结合钼的高蒸发温度，阻止了蒸发的发生。

钢（左）和钼（右）在选择性激光熔化过程中的体积积聚情况。图片由 K.-H. Leitz、P. Singer、A. Plankensteiner、B. Tabernig、H. Kestler 和 L.S. Sigl 提供，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

上述结果让研究人员更好地了解选择性激光熔化的动力学，以及受使用材料影响的过程特性。由于该模型的核心描述了激光束与物质的相互作用，因此可以用于研究其他涉及激光的制造工艺。

了解有关模拟激光-材料相互作用的更多信息

• 阅读在 COMSOL 用户年会发表的完整论文：“Thermo-Fluiddynamical Modelling of Laser Beam-Matter Interaction in Selective Laser Melting”
• 查看研究人员如何使用仿真来减小激光引起的内部光学损坏
• 如希望获取详细的指导，请阅读有关如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟激光与材料的相互作用的博客文章

粉末压制促进制造行业进步

粉末压制 是指将金属粉末放入模具内，然后施加压力进行压实。模具型腔内的冲压工具（一般位于底面）负责施加高压。金属粉末被压实并塑造成特定的形状后，将从模具型腔中排出。

利用粉末压制技术，金属粉末被制成为固体部件。图像由 Alchemist-hp 提供，已获 CC BY-SA 3.0 DE 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

粉末压制工艺平均每分钟可生产 15~30 个部件，这使得制造商能够快速地设计出坚固的部件。与此同时，部件不需要大量额外处理，所以这套工艺还具有节约成本的优势。

从仿真的角度来看，我们需要对粉末压制进行高度非线性结构分析，借此解释：

• 活动部件之间的接触
• 适用于金属粉末的弹塑性本构定律
• 大位移导致的几何非线性

正如本文将演示的，COMSOL Multiphysics® 5.3 版本是处理此类分析的理想工具。

建模实例：利用粉末压制制造杯子

在本例中，我们考虑利用粉末压制制作一个杯形件。几何模型包含工件（本例中为金属粉末）和模具。需要注意的是，冲压工具不是模型设置的一部分。为了压实粉末，我们在粉末上表面和下表面的法向方向施加指定位移。由于模型呈轴对称，我们将其简化为二维模型，从而减少仿真的计算时间。

粉末压制分析的几何模型。

最新版本的 COMSOL Multiphysics 包含五种全新的多孔塑性模型，涵盖各种孔隙率值。

1. Shima-Oyane
2. Gurson
3. Gurson-Tvergaard-Needleman
4. Fleck-Kuhn-McMeeking
5. FKM-GTN

这些模型对于模拟粉末压制而言很重要，因为我们可以借助它们精确地表征工件的孔隙率，并生成可靠的结果。在本例中，我们将 Fleck-Kuhn-McMeeking 和 Gurson-Tvergaard-Needleman 模型相结合，借此描述铝金属粉末。需要注意的是，考虑模具的材料属性，我们假定它为刚性。

除了上文提到的指定位移 边界条件之外，我们还将内部和外部模具设为固定域。

评估 COMSOL Multiphysics® 仿真结果

基于仿真结果，我们可以评估经过压实的金属粉末的各方面特性。首先是体积塑性应变。圆角中心的应变看起来最小，端部的应变较大。工件的拐角点处的应力大约为 12%——可能是与模具摩擦的结果 。

工件在压制过程结束时的体积塑性应变。

在压实过程中，随着部件密度和强度不断增加，铝粉末的孔隙率随之下降。考虑到此例采用的几何结构和负载，我们预测孔隙率的变化将是不均匀的。下方绘图展示了粉末的当前孔隙体积分数等值线；即粉末的孔隙率。与工件的中部和顶部相比，较窄的底部的金属粉末更加紧实。在靠近圆角的中心区域，由于材料在圆角上滑动，因此粉末的紧实度较差。下方动画演示了体积分数随时间的变化。

压实过程结束时的当前孔隙体积分数。

体积分数随着时间的变化。

最后，我们查看工件内的 von Mises 应力。结果表明，压制越紧实的地方应力越大。

工件内的 von Mises 应力。

利用多孔塑性模型分析粉末压制

选择合适的塑性模型对于模拟粉末压制非常重要；模型最好在分析工具进行了预定义，并且可直接使用。为了满足用户的建模需求，COMSOL Multiphysics® 5.3版本提供了五个具有各种不同的孔隙率值的新模型。

如需了解如何使用多孔塑性模型，请尝试此博客文章介绍的案例。

螺纹结构的复杂性

假设你刚刚为上文提及的螺纹钢管创建了管件 CAD 装配。现在为了更好地了解管件在管道系统中的性能表现，你需要对装配进行应力分析。利用 LiveLink 接口产品，你可以将 COMSOL Multiphysics® 软件集成到自己设计流程中，从而实现类似的分析。

螺纹管在喷水灭火器系统中很常见。图片处于公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

螺纹结构包含了大量的细节。这些 CAD 装配极其复杂，迫使我们进行大量的预处理工作，而且其分析过程也会占用更多的计算资源。一种解决方案是假定螺纹为对称图形，然后从三维实体中截取二维截面以进行求解。

在 COMSOL® 软件之前的版本中，同步后，我们不得不重新手动定义原始几何中的选择，这是一个耗时的过程。5.3 版对此进行了改进，提高了创建 CAD 装配选择的效率。所有相关的选择均可自动加载，然后在 COMSOL Multiphysics 环境中被指派到合适的地方。这使得运行参数化研究、基于二维分析改进三维设计成为可能。

想要参考第一手案例吗？好消息：“案例下载”的最新教学模型重点演示了这项功能。

注意：今天的示例使用的是 LiveLink for SOLIDWORKS®，在 LiveLink for Inventor® 也拥有此功能。更多细节请参见 COMSOL Multiphysics 5.3 版发布亮点。

对螺纹管装置进行降阶应力分析

在本例中，你可以通过 LiveLink for SOLIDWORKS® 将 SOLIDWORKS® 软件中的完整螺纹管装置模型同步到 COMSOL Desktop® 环境中。为了计算降阶应力分析，你需要利用横截面 节点从三维模型中截取二维截面。该分析假定对外螺纹零件施加 5000 Nm 的扭矩（如下图所示）。在设计中，外螺纹与其他零件均由相同的钢材制成。

左：同步到 COMSOL Multiphysics 的完整三维装配。右：为进行应力分析而截取的二维截面。

为了计算装配中每个零件之间的力传递，模型使用了构造接触。在 SOLIDWORKS® 软件中，这些接触面被定义为面选择。装配同步之后，所有的选择被自动传递到了二维轴对称模型中。这简化了接触对的创建过程，因为我们不再需要手动逐个选定相互接触的边界实体。尤其是对于螺纹，你只需要在 SOLIDWORKS® 软件中为两个面创建一个选择，不再需要在二维轴对称模型中选定十五条边。

下图为应力分析结果。我们可以看到施加了最大扭矩（5000 Nm）时的 von Mises应力。绘图表明，应力的最大值小于使用 A 级 10.9 级合金钢时的检测值，这说明管件设计可以使用此材料。

仿真绘图显示了施加了最大扭矩后的 von Mises 应力。

在 COMSOL® 软件 5.3 版中，你可以将复杂的 CAD 装配与 COMSOL Multiphysics分析相结合，有效提升建模流程的效率。准确好了亲手尝试操作此教程吗？

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惯性聚焦的力量

1960 年代，G.Segré 和 A.Silberberg 发现了一个令人惊讶的效应。通过层流管道的中性悬浮粒子会聚集成一个环状结构，其半径约为管道半径的 0.6 倍，位于距平行壁约 0.2 倍通道宽度的距离。正如他们在几十年后发现的那样，发生这种行为的原因可以追溯到惯性流中作用于粒子的力。

今天，我们用惯性聚焦这个术语来描述粒子向平衡位置的迁移。这项技术被广泛用于临床和医疗点诊断，作为一种聚集和分离不同大小的粒子以进一步分析和测试的方式。

许多类型的医疗诊断都使用惯性聚焦进行测试和分析。图片在公共领域，通过 Wikimedia Commons 获得许可。

为了使惯性聚焦在这些和其他应用中有效，准确分析粒子的迁移模式是一个关键步骤。COMSOL Multiphysics 最新 5.3 版本中提供了的一个新的基准例子，强调了为什么 COMSOL^® 软件是获得可靠结果的正确工具。

准确模拟惯性聚焦中粒子的迁移

这个基准示例中，以一个二维泊肃叶流中的粒子轨迹为例来说明。为了说明相关的力，我们使用了来自两个平行壁中的流体速度呈二维抛物线分布的粒子的类似迁移表达式（见模型文件中的参考文献2）。COMSOL 中内置的升力和曳力修正使我们能够在模拟分析中考虑到这些壁的存在。

注：升力和曳力构成了作用在蠕动流内的中性悬浮粒子上的总力。根据定义，重力和浮力相互抵消。

我们假设升力只在垂直于流体速度的方向上，还假设球形粒子与通道的宽度相比很小，并且它们是刚性旋转的。

为了计算速度场，我们使用了层流 物理场接口。然后通过曳力 节点将其与流体流动颗粒跟踪 接口耦合起来。通过层流流入 边界条件，我们可以自动计算出入口边界的完整速度分布。对于两个平行壁内的牛顿流体层流，速度分布将呈抛物线。这意味着我们可以直接输入流体速度的解析表达式。然而，在这个例子中，我们选择使用了层流 物理场接口，因为它展示了最适合于一般几何结构的工作流程。

我们来看看模拟结果。首先，我们可以看一下通道中的流体速度大小。正如预期的那样，速度曲线是呈抛物线分布。请注意，这个几何体的长宽比是 1000:1，所以通道与它的高度相比是很长的。该图使用了一个自动的视图比例，使结果更容易被展示。

一个由两面平行壁约束的通道内的抛物线型流体速度曲线。

然后，我们可以把注意力转移到中性悬浮粒子的轨迹上。请注意，在下面的图中，颜色表达代表粒子速度的 y 分量，单位是 mm/s。结果表明，在通道中心两侧约 0.3D 的距离上，所有的粒子都接近于平衡位置。(D 代表通道的宽度)。然而，在通道中心附近释放的粒子确实需要更长的时间来到达这些位置。这些例子的初始力较弱，因为它们被释放在速度梯度最小的区域。从图中，我们可以看到，粒子在通道宽度的 0.2 和 0.8 倍的高度上聚集。这些发现与实验观察结果显示出良好的一致性。

管道内部的粒子轨迹

最后两幅图显示了粒子与通道中心之间归一化距离的平均值和标准偏差。这些结果验证了与通道中心的平衡距离实际上是在 0.3D 左右。

粒子与通道中心的归一化距离的平均值(左)和标准偏差(右)。

仿真为惯性聚焦研究生成可靠的结果

为了有效地将惯性聚焦用于医学和其他应用，需要首先了解粒子在通过通道迁移到平衡位置时的行为。利用 COMSOL Multiphysics^® 5.3 版本，可以进行这些研究并产生可靠的结果。这种对惯性聚焦的准确描述是分析和优化依赖这种技术的设计的基础。

如果您对此感兴趣，欢迎自己动手尝试模拟我们的新基准模型。

您是否有兴趣了解 COMSOL Multiphysics 5.3 版本的进一步更新？您可以在我们的 5.3 版本发布亮点中获得全部信息。