今日，COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本正式发布。在新版本中，增强的仿真功能、改进的用户体验，以及对声学仿真和代理模型训练的 GPU 加速，使软件功能更加强大。此外，还新增了用于自动生成更高质量网格的新技术，以及用于模拟气体、液体和固体中放电和击穿的全新附加模块。

为什么选择多物理场仿真？

我们所处的世界本质上是由各种物理场相互作用构成的，能够成功地将两种或更多物理现象完全整合在一起，对于创建能够精确模拟真实物理情景的数值模型来说，是至关重要的。

以扬声器为例。在单一物理场模型中，我们仅能分析音圈中的磁场情况，然而，若能同时探讨磁场如何与扬声器的其他组件相互作用，以及力和振动是如何产生的，这样的仿真结果将对扬声器设计提供更加精准的指引。利用 COMSOL Multiphysics^® 软件，我们能够轻松地为模型增添并耦合各种所需的物理现象，从而构建出精确的仿真模型。例如，在扬声器模型中，我们可以模拟电磁场、结构力学以及声学之间的相互作用，进行全方位、深入的仿真分析。COMSOL 软件在模拟和耦合物理现象的数量及种类上均没有限制。

左：扬声器的单物理场模型，显示了作用在音圈上的电磁力。右：扬声器的多物理场模型，同时考虑了声-结构相互作用。

COMSOL Multiphysics^® 软件是一个集建模与仿真功能于一体的平台，既支持全面的多物理场仿真，也具备单物理场仿真能力。这意味着，无论工程师和科学家来自哪个行业或学科领域，他们都能在这个统一的软件平台上，通过同一个用户界面，自由构建所需模型。简而言之，多物理场仿真助力企业、高校及科研机构等组织做出更为明智的决策，催生创新设计，同时减少物理原型制作与实验测试的成本，最终加速产品研发流程。

由于模型是对真实世界的反映，其 行为 必须符合物理定律，而 外观 同样不容忽视。通过添加合适的纹理、颜色以及精心设计的照明，我们可以更直观地将模型视作它所代表的真实物体，并深入理解其运作机制。此外，根据用户正在运行的分析类型，绘图类型或颜色表的选择也可能影响对结果的解读。COMSOL Multiphysics^® 软件平台不仅具备构建几何模型、分配材料和划分网格等功能，还包含丰富的可视化工具。

COMSOL^® 仿真软件概述

只有当来自不同团队、部门、组织乃至企业的同事们都能访问并参与到精确仿真模型的开发中，共同为产品设计的创新与优化贡献力量时，仿真驱动的研发工作流程才能取得最大的成功。为此，COMSOL Multiphysics^® 平台包括三个主要工作区：

• 模型开发器
  • 包含仿真专家所需要的基于物理场进行建模、求解、可视化和结果评估的所有功能。
• App 开发器
  • 为仿真专家提供简单、易用的工具，用于为同事和客户开发定制的仿真 App。
• 模型管理器
  • 为管理仿真模型和仿真 App 提供了一个结构化的工作区，具有版本控制、搜索和筛选、高效数据存储，以及从一个模型中复制操作序列以重用于另一个模型的功能。

左：模型开发器显示了一个 IGBT 模组的多物理场模型的设置和结果。中：用于构建仿真 App 的 App 开发器。右：模型管理器，展示了比较两个模型文件的功能。

同一个软件环境，适用于所有工程领域

根据具体任务需求，您或许希望使用专门的产品模块来增强核心仿真功能。COMSOL Multiphysics^® 软件提供了一系列丰富的附加产品，专门用于电磁、结构力学、声学、流体动力学、热传导和化学工程等领域的仿真分析。作为一款 多物理场仿真 软件，COMSOL^® 软件的所有产品模块功能均可通过其平台产品无缝集成。此外，您还可以通过 LiveLink™ 产品轻松地与 CAD 以及其他第三方软件进行交互。

提示：请查阅用户案例库，了解全球的企业和机构使用 COMSOL Multiphysics^® 的应用案例。

可执行的仿真 App 加速产品创新

任何持有 COMSOL Multiphysics^® 软件许可证的用户都可以开发和维护自己的仿真 App，同时，拥有 COMSOL Compiler™ 的用户还能将这些 App 进一步转化为独立的可执行文件，并分发给任何人在全球任何地点运行。无论是组织内部还是外部的同事，都能通过这些独立的仿真 App 来测试设计上的任何变更，而无需占用仿真专家的时间。即使是非仿真专业的用户，也能利用这些仿真应用，根据特定输入预测结果，并基于模拟结果做出决策，而无需了解如何设置和运行底层模型（在某些情况下，他们甚至不知道自己正在使用多物理场仿真技术）。

App 开发器提供的拖放功能，让用户能够方便、快捷地在 App 界面中根据特定需求定制输入和输出组件和小窗口。这样 ，App 用户无需投入精力去开发仿真模型，就能受益于仿真的所有优势。只需简单点击一个按钮，您就能将仿真模型编译成独立的仿真 App。至于这些仿真 App，您可以自主决定是收费出售还是免费提供，是添加密码保护还是无限制共享，以及是否设置有效期等。在使用 COMSOL Multiphysics^® 软件开发独立仿真 App 时，您拥有完全的控制权，包括 App 的开发数量、发布对象以及发布方式。

很多情况下，一些组织可能更倾向于完全控制谁有权访问他们的仿真 App，以及哪些版本的 App 可供使用。对于这种情况，他们可以通过自己的 COMSOL Server™ 环境上传、管理和运行他们的 App，而不是将它们编译为独立 App。COMSOL Server™ 提供管理工具，可用于管理用户对 App、用户帐户和组的访问以及多核处理器的利用。

利用代理模型开发实时计算的仿真 App

多年以前，COMSOL Multiphysics^® 就推出了 App 开发器和附加产品 COMSOL Compiler™ 。 2023 年，我们发布了使用机器学习训练代理模型的功能，这使得开发快速计算的仿真 App 成为可能。 当您在仿真 App 中嵌入数据驱动的代理模型时，App 用户将根据输入的信息获得近乎实时的仿真结果。代理模型经过训练，能够在不牺牲准确性的前提下，近似于成本更高的完整有限元模型的计算结果。如今，随着 COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本的发布，支持在显卡上进行训练，代理模型的训练过程本身也更加快速。

计时器 事件功能可自动触发方法的执行，无需执行如连接外部服务器、运行模拟或更新仿真 App 用户界面等用户交互。仿真 App 具备嵌入代理模型，并与外部传感器、数据库和 Web 服务等连接的能力后，App 还可以用于构建数字孪生系统。

COMSOL Multiphysics^® 6.3 新版本更多发布亮点

6.3 新版本升级了 COMSOL Multiphysics^® 平台产品的核心功能，并在整个产品模块中新增了许多新功能，为用户带来了比以往更强大的仿真功能。同时，增加了一个新模块。

没有人喜欢等待，尤其是在求解模型时。COMSOL 的开发团队始终致力于提升求解速度，力求在保持精度的同时，缩短各类模型的求解时间。在 6.3 新版本中，最大的亮点之一是支持 GPU 在时域内对压力声学进行模拟，这意味着从事室内声学工作的用户将享受到比以往快 25 倍的仿真速度。

​办公环境中的声学

获取更多 GPU 支持和声学相关新功能，请访问：声学模块发布亮点。

放电模块

COMSOL Multiphysics^® 平台新增了一个附加模块，专用于预测放电对电力、航空航天、消费电子和医疗技术等系统性能的影响。新模块功能丰富，可直接模拟气体、液体和固体电介质中的放电，分析流柱、电晕、介质阻挡和电弧放电。如需了解更多功能，请访问：放电模块发布亮点。

变压器油中的流注放电传播。

自动修正几何结构，生成高质量网格

得益于全新的几何功能，COMSOL Multiphysics^® 可以自动检测并删除导入几何中的微小细节和间隙。在创建用于网格划分的几何结构时，这可以节省大量时间，并生成更高质量的网格和更小的整体仿真尺寸。访问几何更新发布亮点，了解这些更新的实际应用。

改进用户体验，实现更高效的建模工作流程

仿真软件必须易于使用才能为组织带来最大价值。在 COMSOL Multiphysics^® 最新版本中，用户界面（UI）的整体外观有了更多变化，当缩小窗口尺寸时，功能区的大小也会与之无缝适应。新版本的适用性也有了多项改进，包括：

• 新增 数据查看器 窗口，用于检查和编辑参数和声明值，无论您在用户界面中导航到哪里，都可以访问该窗口。
• 改进了搜索和过滤功能，使用户更容易找到所要查找的内容。
• 新的图片颜色主题。
• 可视化功能使结果分析更加容易。

COMSOL Multiphysics 用户界面焕然一新。

​当用户查看模型的不同部分时，动画相机过渡效果可确保流畅的移动。

详细了解用户界面和可视化功能的一系列更新，请分别访问：COMSOL Desktop^® 发布亮点 和 结果与可视化发布亮点。

下一步

您是 COMSOL Multiphysics^® 新用户吗？欢迎联系我们，我们可以根据您的业务需求分享与您研究领域相关的信息。

如果您想详细了解新版本软件的所有更新功能，请访问： COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本发布亮点。

使用 COMSOL Multiphysics^® 模拟跨音速流

当你将 CFD 模块添加到 COMSOL^® 多物理场仿真平台后，就可以访问专门用于模拟流体流动的功能，包括各种预定义的物理场接口。广义上讲，物理场接口定义了方程、分析、网格、研究和求解器，以及适用于特定工程领域或物理现象的结果评估和可视化功能。你始终可以访问 COMSOL Multiphysics 平台包含的基本物理场接口，并且可以通过添加与你的工作相关的模块，例如这个例子中的 CFD 模块来扩展可用的接口列表。

COMSOL Multiphysics 用户界面与正在使用的 CFD 模块中的高马赫数流接口。图形窗口显示求解 ONERA-M6 机翼模型后的结果。

如果你要使用 COMSOL Multiphysics 对机翼上的跨音速流进行建模，需要添加 CFD 模块并使用高马赫数流 接口，最好使用 Spalart-Allmaras 湍流模型，这是一个为空气动力学开发的单方程模型。请注意，我们不会在这里介绍如何设置模型的详细信息，但欢迎你从 COMSOL 案例下载页面下载 MPH 文件和相关说明。

关于 ONERA-M6 机翼模型

ONERA-M6 机翼最处创建于 1970 年代，用于验证涉及跨音速和高雷诺数的（3D）流动计算机模型。通过将我们的模拟结果与 ONERA-M6 实验数据进行比较，我们可以验证 COMSOL 模型是否准确。我们的验证模型基于 NASA 兰利研究中心提供的机翼 CAD 几何结构，我们使用 CAD 导入模块将它导入到 COMSOL Multiphysics 中。（顺便说一下，如果你以前没有看过原始机翼设置的照片，可以在 ONERA 网站上查看。）

结果和验证

运行并求解模型后，我们可以使用表面图和轮廓图可视化机翼上的马赫数和压力分布。结果显示机翼表面存在两个弱激波：

这个结果与 ONERA-M6 机翼的实验结果相比如何呢？通过绘制仿真结果和风洞试验的结果，我们看到二者之间存在良好的一致性。简单来说，这个模型准确地描绘了激波的位置和压力系数曲线跳跃的大小。你可以浏览二者结果的比较图：

自己动手尝试

准备好带着模型进行试飞了吗？文中介绍的所有模型文件（包括分步说明）均可从 COMSOL Multiphysics 6.1 版本的案例库中下载。

ONERA-M6 模型只是可供下载的众多验证和确认模型之一。如需你想要了解更多信息，请访问 博客文章“现已推出：验证和确认 COMSOL 软件的模型集”的，访问完整模型集。

这个模型使用来自 ONERA-M6 机翼的数据作为参考。这个模型不属于 ONERA，没有获得 ONERA 的认可或赞助。

考虑到这一点，本文将简单介绍电力行业中 COMSOL Multiphysics® 仿真软件的 10 种实际用途。

1.预测并减小变压器的噪声

变压器是连接高压线路与本地变电站的设备，但它并不是没有声音的。就像高压一样，高噪声也有危险。ABB 公司研究中心（ABB CRC）发现，考虑到噪声法规，仿真对于开发新的和优化现有的电力变压器设备是很有效的。特别是，他们需要分析变压器内部的工作原理，因为噪声来自变压器的铁芯和油箱。

此外，为了模拟真实世界的情况，ABB CRC 的团队必须在单一环境中耦合电磁、声学和结构力学。这就是他们使用 COMSOL Multiphysics 软件的原因。现在，该团队能够在制造变压器之前，优化变压器设计，使其只产生很小的嗡嗡声。

左：由金属芯制成的变压器，其线圈绕制在不同部分，并由一个外壳保护，内部装有绝缘油。右：铁芯和变压器周围的声压场的声学分析。

在此处阅读全文：“ 从查表到仿真 App，ABB 持续助力变压器行业的变革 ”

2.准确，低成本地规划地下电缆网络

电缆网络需要满足安全、可靠、价格适中等要求。为英格兰和威尔士的家庭和企业提供服务的国家电网（National Grid）在规划铺设新电缆的位置时，需要准确的电缆等级，尤其是在同一根电缆线路中，使用不同材料修复了较老旧部分。管理地下电缆网络需要深入了解周围的土壤、电缆使用年限、维修情况以及与其他邻近的电缆间会如何相互影响。

然而，测试这些高压系统是很困难的，因为它们体积庞大，且电缆必须在特定环境下进行分析，而不是孤立地对其分析。有限元分析（FEA）的任务是：通过使用 COMSOL Multiphysics 软件对电缆组件进行建模，国家电网最终可以做出关于在哪里铺设新电缆以及如何更好地修复旧电缆的决定，从而将安装成本降至最低。

左：一段地下电缆。右：一个高压电缆隧道横截面的归一化气流场的模型。

在此处阅读全文：“ 英国国家电网对地下电缆线路进行仿真分析 ”

3.更有效地管理电网

电缆运行状况评估对于保证电网平稳运行至关重要。除了使用传统的测试设备（如红外线、紫外线和局部放电）之外，评估过程还必须考虑电缆的结构及材料，电缆中的杂质，电压波动，工作条件和环境等。多物理场仿真可以实现更准确的电缆运行状况评估，但是如何在进行运行状况评估和制定维修决策的领域中进行这些模拟呢？

在中国国家电网电力研究所武汉 NARI 集团公司（NARI），该问题的答案是将多物理场模型转换为仿真 App，并将其提供给现场技术人员。通过 COMSOL Multiphysics 中的 Application Builder，仿真工程师可以将复杂的模型封装在易于使用的接口中。借助 NARI 的“电缆状况分析专家系统”这一自制 App，现场技术人员可以根据简单数据输入生成的结果准确地对电缆进行模拟，并放心地对电缆进行评估。

左：电缆绝缘层的机械损伤。右：用于评估电缆状态的仿真 App，名字为“电缆状况分析专家系统”，其包含样本输入和结果。

在此处阅读全文：“ 仿真 App 助力电网的运行与维护 ”

4.保护风力涡轮机免受雷击

如果没有得到适当的保护，风力涡轮机很容易遭受雷击。雷击会导致意外停机，造成高额的损失。当为风力涡轮机叶片设计防雷装置时，制造商们知道简单的设计是行不通的。重要的是要能够预测有多少电流流经叶片以及它将流向何处，这就需要深入了解材料的性能以及测试大型设计的方法。

美国 NTS 公司闪电科技（Lightning Technologies），其设计师和工程师使用数值建模来克服对70米以上长的叶片进行物理测试这一挑战。为了获得准确的结果，他们将仿真与自己的材料专业知识相结合。例如，碳（由材料制成的风力涡轮机叶片）的电导率在不同的方向上是不同的，并且此行为需要在模型中准确表现出来，以进行正确的保护设计。通过使用电导率的实验值，NTS 团队可以直观地看到电流的流动方式，然后确定如何最好地保护碳叶片不会因加热和/或电弧放电而被烧毁。

左：风力涡轮机遭遇雷击。右：单个风力涡轮机叶片的模型，该叶片由多个碳堆组成，显示了叶片中的电流密度。

在此处阅读全文：“ 多物理场仿真为风力发电机免受雷击提供解决方案 ”

5.延长海上风力发电场的使用寿命

更换海上风力涡轮机的故障传动装置既困难又昂贵，但在使用机械传​​动装置时，此类维护工作是必须的，因为机械传动装置的持续接触会导致磨损。丹麦Sintex团队提出了一个解决方案：非接触式磁性传动装置。当通过磁力而不是机械力传递电力时，传动系统的使用寿命会增长，且无需经常更换。

为了工作，磁耦合器需要量身定制，因此在设计过程中，Sintex 使用仿真来挑选最优的形状和材料，直到最终的组件能满足客户的需求。从财务和时间角度来看，使用磁铁进行物理原型设计都是不可能的，并且由于其设计涉及多种物理场，因此 COMSOL Multiphysics 是该团队的首选仿真软件。为了使所有开发阶段的同事以及销售人员能够自己运行系统测试和设计配置，Sintex 还使用 COMSOL Multiphysics 中内置的 Application Builder 构建了自定义 App。

左：一组标准磁耦合器。右：磁耦合器的 3D 模型，用于分析磁体的温度分布和铁中的磁通密度。

在此处阅读全文：“ 磁力传输延长了海上风力发电场的使用寿命 ”

6.保护卫星系统免受电弧伤害

如果发生电弧放电，卫星系统会（部分或全部）发生故障，但是很难预测在极端环境（例如太空）下设计的系统何时会发生这种情况。要防止自发电弧造成​​的破坏，首先需要找到可能发生破坏的关键区域，然后调查潜在的触发因素。通过实验研究来重现太空轨道上所有可能的运行条件是不可行的，即使进行模拟也存在很大挑战。

俄罗斯高电流电子研究所（IHCE）的工程师却认为，找到自燃放电区的唯一方法是对放电进行数值模拟，但这样做在计算上非常昂贵。为了寻求一个实用且准确的解决方案， IHCE 团队使用 COMSOL Multiphysics 中的 Application Builder 来构建自定义仿真 App，该 App 可以自动对设备进行分区和分析，以找到最可能的关键区域。

左：卫星设备中使用的电路板。右：一个关键参数图，显示了模型中关键区域的压力与排放量关系。

在此处阅读全文：“ 找出卫星系统中的电弧区域 ”

7.更好更快地开发定制电容器

电容器的设计要求根据使用地点的不同而有很大的不同，因此开发人员需要在定制电容器的设计过程中考虑电源规格，工作温度范围和材料。Cornell Dubilier Electronics 公司创建了高保真的多物理场模型来虚拟表示电容器，然后将其模型封装在易于使用的接口中（仿真 App）。然后，其他部门的同事使用这些App，他们需要先测试不同的设计配置，然后再为手头的任务选择最佳的配置。

由仿真专家开发的基础模型是准确的，并且App接口会受到限制，因此使用的用户只需要修改一些对他们有意义的设计参数。这意味着，不知道如何构建多物理场模型的同事仍然可以从结果中受益，而无需向仿真专家反复发送设计说明。

左：铝电解电容器。右：Cornell Dubilier Electronics 公司建立并使用的用于分析电容器一种仿真 App，用于研究单片薄膜电容器的有效串联电感。

在此处阅读全文：“ 仿真 App 加速定制电容器的设计进程 ”

8.评估高性能核聚变机的结构完整性

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）正在设计一个托卡马克用作研发平台，以测试聚变反应堆所需的分流器概念。研究人员将他们提出的托卡马克称为“高级分流器实验”，简称ADX，它可以在很高的磁场下运行，从而将等离子体性能提升到反应堆的水平。他们识别和理解使聚变能成为可能的科学和技术的过程需要结合实验、前沿理论和数值模拟。他们面临的挑战之一是确定真空容器是否能够经受住最坏情况下，如在高热流，高磁场和洛伦兹力的情况下等离子体的破裂情况。

数值建模帮助团队找到了设计问题的答案。他们使用 COMSOL Multiphysics 创建了两个模型：一个用于计算磁场、涡流和等离子体破坏产生的洛伦兹力的模型。另一个根据第一个模型的计算结果预测容器中的应力和位移。

左：ADX 托卡马克设计方案。右：两次托卡马克设计迭代的仿真结果，显示了应力和位移。最上面一行显示的是单个固定边界的设计，最下面一行显示的是具有附加边界的设计，其中使用一个支撑块作为钢筋加固。

在此处阅读全文：“ 人造恒星: 高性能核聚变发电机的结构完整性评估 ”

9.以更低的成本更好地开发定制的大功率电气设备

设计定制的大功率电气设备（如变压器和电抗器）通常意味着要在尺寸和材料上有一定的限制。当客户指定规格时，每个新产品的要求都是独一无二的，并且在生产前必须经过严格的测试。德国的 BLOCK Transformatoren-Elektronik 就是这类产品的生产商之一，该公司希望在降低成本的同时改善服务质量。

多年来，BLOCK 已经开发了自己的描述磁性材料的公式，并希望使用仿真软件能让他们方便地输入这些公式并将其用于仿真中。他们还希望利用高性能计算（HPC）更快地获得仿真结果，并最终更快地向客户交付产品。COMSOL Multiphysics 是他们正在寻找的一款灵活的仿真软件。

左：一个自制的电抗器，用于过滤电流尖峰，并减少谐波电流注入电源。右：直流扼流圈的 3D 模拟，显示了它是如何利用气流进行冷却的。

在此处阅读全文：“ 借助高性能计算进行仿真，定制化设计大功率电子器件 ”

10.保护发电厂免受电流冲击和干扰

为发电厂开发发电机断路器需要一个及其可靠的设计（全新的设计或对升级到现有的设计），并对其进行测试，以确保它符合商业使用的标准。断路器通电部分的接地开关也需要仔细设计和严格测试。

对于其接地开关，ABB 集团采用了郁金香设计，他们一直在寻求改进其设计。他们需要计算作用在郁金香型触头上的总力，这涉及到机电耦合行为。该团队发现 COMSOL Multiphysics 是一个非常好的工具，可以在分析和改进现有设计的过程中结合经验测试。

左：发电机断路器的内部，接地开关用郁金香型触点。右：显示了电流密度分布的郁金香花接触模型。郁金香的对称性允许工程师降低到计算成本的 1/8 。

在此处阅读全文：“ 多物理场仿真为发电厂提供安全保障 ”

再加上 6 个使用 COMSOL Multiphysics® 的电力行业例子

请阅读本文中描述的 10 个示例，并在我们的《COMSOL News 》特别版中了解有关电力行业的六个附加示例。

聚合物提供了其他材料无法实现的防护

聚合物材料通常用于必须安全地承受冲击载荷或通过充当能量吸收器/载荷缓解器来保护其他装置的部件。根据 C.R. Siviour 的论文 “聚合物的高应变率表征”，聚合物或者用于一次性用途，承受可接受的塑性变形，或者用于重复载荷，其中聚合物必须恢复到其原始尺寸和性能。

蠕动泵是利用聚合物材料在经受重复载荷作用后恢复正常性能的一个部件。这种泵通常用于高风险使用情况，其中安全性和寿命得到优先考虑，往往通过系统泵送无菌、清洁或腐蚀性流体。蠕动泵设计用于避免流体与泵部件彼此接触：流体通过一组辊子被推到聚合物管，除管之外不与任何物体接触。

管中装有透明液体的蠕动泵。外壳已拆下，以显示泵组件。

例如，在医院环境中，静脉注射液通过输液装置泵送时保持无菌至关重要，在搭桥手术中通过心肺机循环的血液不被污染也有同样的要求。蠕动泵还常用于保护消费者健康，例如饮料和肥皂分配器中的应用。在其他一些情况下，流体比其他方式更有可能损坏泵。例如，除非安全地装在聚合物管内，否则腐蚀性化学品或矿泥会迅速腐蚀任何金属部件。

众所周知，聚合物材料适用于蠕动泵管，但这并不能保证任何给定的设计都会成功。依照经验，最好在进行开发和生产之前测试和预测最终产品或系统将如何运行。用例风险越高，在设计阶段进行的测试越重要。

我们在 Veryst 办公室花了一天时间了解他们如何将材料测试和仿真相结合——并制作了一段视频，这样你也可以直接听到他们的声音。

非线性有好处也有坏处

在设计蠕动泵时，我们需要考虑以下几个方面：

• 辊子与管之间的相互作用
• 变形量及其对管材料的影响

正如咨询公司 Veryst Engineering 的工程师们所知，当管被压缩以推动流体通过系统时，会发生很大程度的变形，并且由于泵送不断发生，最终可能会导致材料疲劳。为了帮助客户在设计阶段避免这个问题，Veryst 很自然地开始使用仿真。

他们喜欢仿真的一个原因是，通过仿真可以深入了解产品性能随时间变化的情况，这样他们就可以检查设计是否符合规范。在蠕动泵案例中，Veryst 尝试观察管中的应力，以确保它能够经受一百万次循环，以及流动中的剪切应力——有些流体可以承受高剪切应力（例如，水），有些流体则不能（例如，血液）。他们还致力于提出减少流量波动的方法。

蠕动泵的几何结构。

在任何仿真中，获得正确的几何结构、边界条件和网格都相当重要，熟练的仿真工程师就可以做到。但是，要获得准确可靠的结果，还需要了解相关材料的特性。这是 Veryst 打出另一张王牌的地方：他们在现场有一个材料测试实验室。一帆风顺，对吧？没那么快。

聚合物非常有用，原因是它们的非线性材料特性使得它们在经历重复载荷作用后恢复正常，但由于这个原因，它们也难以测试。根据 C.R. Siviour 的论文，“以高速率进行聚合物特性的测量可能具有挑战性，而使它们有用的特性有助于应对这一挑战。”论文中还指出，测试需要足够高的采集速度来表现试样对高速变形的结构响应；高速摄影和 X 射线衍射是相应的方法，而热成像很困难。有人可能会说非线性有好处也有坏处。

现在是仿真工程师和测试工程师联手的时候了。

跌落和拉力测试得出材料模型

在 Veryst，测试工程师执行拉力和跌落测试，以深入了解聚合物管的材料特性，并最终为仿真工程师提供用于仿真的材料模型。Veryst 的高级工程师 Sean Teller 专门研究材料特性，他带领我们完成测试。

拉力测试

拉力测试是一种循环测试，用于材料（在本例中为蠕动泵管）的慢速拉伸测试，最终表明材料在低应变和应力以及高应变和应力下的表现。

为了准备用于拉伸测试的材料，Veryst 取出管，从中间切开，冲压出狗骨形样条，并添加黑白斑点图案，这有利于用于测量应变的数字图像相关（DIC）系统。

Teller 解释了拉力测试：

跌落测试

跌落测试用于聚合物材料的高速拉伸和压缩测试。聚合物材料具有应变率相关的材料响应，因此需要高速测试来充分描述这些材料的特征。理论上很简单，但实际上很复杂，很难分析。

Veryst 的装置包括一个高速摄像系统，可以提供详尽的数据，用于研究材料的高速响应，以便在模型中校准和模拟这些材料。Teller 解释了跌落测试：

准备，设置，模拟

测试给出了材料的应力应变响应，根据数据，Veryst 创建了可用于仿真的材料模型。通过将仿真专业知识与精确的材料模型相结合，Veryst 能够对蠕动泵中不同材料之间的接触、流体和所有相互作用进行建模。

此时，值得留心的是蠕动泵的特性很复杂。流体可以真正 影响固体，反之亦然——这是一个强耦合的流-固耦合（FSI）问题。你不能忽视流体或固体，必须两者兼顾。此外，流体域被挤压到几乎消失的程度，这意味着网格很容易变形​​。

拿到材料模型后，仿真工程师开始使用 COMSOL Multiphysics® 软件，从内部观察蠕动泵特性。正如 Veryst 的首席工程师和仿真专家 Nagi Elabbasi 所说，“COMSOL 在提供整体式求解器或全耦合求解器”来解决强耦合 FSI 问题方面是独一无二的。用于控制网格运动的内置功能也很方便，可以防止网格过度扭曲。

用 COMSOL Multiphysics 创建的网状蠕动泵模型的动画。

用 COMSOL Multiphysics 创建的蠕动泵的 FSI 仿真。

最终，Veryst 能够生成准确可靠的仿真结果，并根据客户的规格优化蠕动泵设计。

通过仿真推动心脏瓣膜研究

人类心脏中的四个瓣膜非常灵活，既能完全打开，使血液沿一个方向流过心脏，又能紧紧关闭，密封心室并防止血液倒流。然而，当患有心脏瓣膜疾病时，瓣膜无法正常运作，这可能会导致严重的心脏健康问题。因此，心脏瓣膜是一个重要的研究领域。

心脏示意图。图片来自 Wapcaplet —自己的作品。通过Wikimedia Commons获得许可(CC BY-SA 3.0)。

在心脏瓣膜研究领域，目前已经开发出了世界上最小的获批的机械心脏瓣膜。这是一项重要的成就，因为每年仅在美国就有超过 35,000 名婴儿出生时患有先天性心脏缺陷。对于其中一些新生儿来说，这些缺陷会导致心脏瓣膜功能失常，需要通过手术修复。

当然，获批的最小瓣膜只是心脏瓣膜研究创新的一个例子。这一研究领域也引发了 Veryst Engineering 团队的兴趣，该团队是 COMSOL 认证顾问，曾与客户合作解决过类似的实际问题。为了进一步推进心脏瓣膜研究，该团队受到启发，创建了一个心脏瓣膜的实例模型。该模型可以作为一种有价值的设计工具，为医学研究人员提供重要信息。

在 COMSOL Multiphysics^® 中模拟心脏瓣膜的打开和关闭

正如我们所预料的，对人类心脏瓣膜进行建模可能很困难，而且计算成本很高。一方面，这个问题涉及强耦合的流-固耦合 (FSI)，其中移动和变形的结构与流动的流体相互作用。此外，准确考虑非线性材料行为、接触建模和流体网格运动也很重要。

为了解决这个问题，Nagi Elabbasi(Veryst 团队的成员)使用 COMSOL Multiphysics 创建了一个简单的示例，强调了工程师在模拟真实心脏瓣膜并预测其行为的过程中，如何克服挑战。Elabbasi 称 COMSOL 软件具有捕捉所有相关耦合效应的独特能力”。

在这个模型中，心脏瓣膜响应流体流动打开和关闭。对这种运动进行建模并不容易，Elabbasi 指出，“建立这个模型的主要挑战是心脏瓣膜的关闭和准确地描述瓣膜的材料行为。”这导致在建模过程中出现了问题，因为当心脏瓣膜关闭时，流动网格会塌陷。为了避免过度的网格变形，该团队选择使用 COMSOL^® 软件中的高级网格控制功能。

心脏瓣膜中流-固耦合的仿真结果

现在，让我们来看看 Veryst 团队从他们的心脏瓣膜模型中获得的一些结果。该模型分析了流动模式、变化和停留时间；心脏瓣膜周围的血流再循环；以及这些因素如何受到瓣膜运动的影响。还可以使用该模型来研究瓣膜材料中的应力和疲劳，以及血压、剪切应力和变形。该团队还发现，仿真使他们能够同时分析心脏瓣膜的多个方面，例如血流速度、瓣膜变形和瓣膜中的 von Mises 应力之间的相互作用。

模型结果(见下图)显示，瓣膜周围存在死流区，流动中存在再循环。这两个因素都受到瓣膜打开和关闭的影响。此外，瓣膜的根部有很高的应力。研究人员可以利用这些结果来识别潜在的问题，并改进人工心脏瓣膜的设计。请注意，因为这个例子只是为了演示在对心脏瓣膜进行建模时可以达到的效果，所以这里看到的结果并不完全是真实的。

心脏瓣膜打开(左)和关闭(右)的流–固耦合模型。

还可以通过多物理场模型直观地观察运行中的心脏瓣膜，如下面动画中的示例所示。

心脏瓣膜的动画。动画由Veryst Engineering的 Nagi Elabbasi 提供。

通过流-固耦合仿真优化医疗设备设计

这个示例展示了医学研究人员通过流固耦合仿真可以实现的目标。借助多物理场仿真模型，研究人员和工程师可以预测真实心脏瓣膜的行为，并有可能利用这些信息对人造心脏瓣膜的设计进行优化。Elabbasi 还提到，“所有从事心脏瓣膜、提供相关产品(例如支架)或分析心血管疾病(例如动脉瘤)的医疗设备公司都应该进行流固耦合建模。”通过仿真获得的信息将有助于优化医疗设备的设计，从而更加有效地治疗疾病。

下一步

• 阅读下列博客，查看其他医疗仿真应用案例：
  • 通过仿真分析生物医学支架的变形
  • 分析用于血流测量的电磁流量计
  • 创建可精确分析血管支架周围血流的模型

Vasu Venkateshwaran 分享 COMSOL Server 如何助力加速产品开发进程

面向其他公司的材料销售业务

美国戈尔公司创立于 1958 年的一间地下室。迄今为止，该组织已发展壮大为一家跨国公司，在全球各国设有制造和销售办事处。对于面料、医疗产品和性能解决方案这三个部门而言，所有产品都必须符合公司制定的高品质标准，正如 Vasu Venkateshwaran 在 COMSOL 用户年会 2017 波士顿站发表主题演讲时所说，产品必须“完全按照我们的心意发挥功能——每一次都不例外。”

生产符合规格的材料的基础是深入了解客户的需求和最终用途。这是建模和仿真的用武之地。

戈尔公司的建模与仿真实践应用

在这家企业，每个部门都有数名工作人员负责使用建模和仿真来了解技术背后的细节和流程并用于优化设计。仿真工具可以加速开发进程，因为它们既可以减少实验需求，也可以为优化后设计的实验提供支持。作为一家跨国公司，戈尔公司在美国、德国和日本都有研究人员。对于公司而言，资源的有效协调与分析非常重要，仿真可以帮助他们实现这一目标。

新项目开始启动标志是：有人联系建模团队表达出类似的意图：“我有这种材料。我想制作一款能满足特定客户需求的产品。你能告诉我能用它做什么吗？最优操作点在哪儿？如何才能提高工作效率？致命点是什么？“建模团队的综合专业知识涵盖多孔介质、优化、结构力学、声学、微分方程的数值解、反应工程和流体流动。他们将 COMSOL Multiphysics® 仿真软件应用于众多领域。仿真专业人士根据客户给出的规格要求来构建模型，借此分析判断不同的操作条件。接下来，他/她会将仿真交付给项目启动团队，供他们运行仿真并获取关键信息。这是一项重大的挑战。

“我们的团队在软件操作方面具有专业的知识背景，但是与我们沟通的工程师并非如此，所以我们必须以利于他们容易理解的方式分享传播这些信息。”Venkateshwaran 在主题演讲中解释道。

将仿真信息传达给不同的受众

根据 Venkateshwaran 的说法，该公司过去常常花费大量精力编写自定义代码和制作可执行文件，这样工程师便无需安装软件，只需单击鼠标就可以在自己的计算机上运行文件。当然，这存在着局限性：仿真团队建立模型后，将其转交给其他人，然而他们无法控制或追踪最终使用模型的是哪些人。这意味着人们可能会将关键决策建立在并非针对特定用例而构建的模型上。对于一家以开发高品质可靠的产品而闻名的公司来说，这是非常危险的行为。

监测和控制软件使用：一个值得关注的问题

使用 COMSOL Multiphysics 中内置的“App 开发器”，仿真工程师可以针对特定用例生成易于使用的 App 。Venkateshwaran 将 App 分为三种不同的类型：

1. 计算器（最常用）
2. 设计工具，支持根据客户需求修改其中某些因素
3. 用于分配计算负荷的参数化研究

Venkateshwaran 指出，“App 开发器”允许仿真专业人士在 App 中增加文档。这对于戈尔公司来说是一项重要功能，因为 App 用户可以知道 App 的设计目标；如何使用操作；可能需要事先通过实验获得哪些信息（比如一些属性）；以及如何进行必要的实验。另一个优势是，人们可以使用 Java® 代码轻松地扩展 App，添加更高级的功能。

之后，该公司通过 COMSOL Server组织、部署和监控所有 App，将这项业务转向云服务。为了进一步减轻使用不当的顾虑，戈尔公司在 COMSOL Server 设置了不同的用户组。然后，他们利用用户日志来维护和监控 App 的使用情况。如果 App 仅针对特定用户或方案，那么管理员可以限制 App 被滥用。

标准化流程并在全球范围内集成工具

由于 COMSOL Server 能够与所在网络及 Windows® Active Directory® 目录服务进行同步，因此不管身在何处，公司的所有工程师都可以访问这些 App。更重要的是，完全不需要本地安装；你只需打开浏览器并连接到服务器，即可使用 App。整个组织都使用相同的工具，这推动了全球范围的标准化流程。除此之外，人们可以轻松地根据需求申请创建新的自定义 App，并在 COMSOL Server 库中保存不同的版本。

所有这些功能都有助于高效分配仿真工具，并加速戈尔公司的产品开发进程。

不过，与其听我讲述，不如观看 Vasu Venkateshwaran 的主题演讲视频，直接聆听他的经验分享。

GORE-TEX 是戈尔公司的注册商标。
Oracle 和 Java 是甲骨文公司和/或其附属公司的注册商标。
Microsoft、Active Directory 和 Windows 是微软公司在美国和/或其他国家/地区的注册商标或商标。

色觉缺陷对仿真和工程的影响

小时候，我们许多人都进行了眼部检查以确定我们是否患有 CVD。这些测试可能包括给受检者展示假同色图，它是由不同颜色和不同大小的点组成的圆。区分圆点和中间数字的能力可以证明一个人没有 CVD。

色觉测试的说明性示例。图中的数字是 5 和 3。

然而，对于患有 CVD 的 1/12 的男性和 1/200 女性来说，这些符号隐藏在五颜六色的迷彩中。这是因为 CVD 患者很难区分特定的颜色。

在科学界，这就带来了一个问题，因为颜色表通常用于帮助可视化结果，并以一种易于理解的方式呈现数据。因此，颜色表按预定义的顺序使用颜色数组，每种颜色代表不同的值。有些颜色表，例如彩虹色表（许多不同软件中的默认颜色表）使用了多种颜色。对于患有 CVD 的工程师来说，这些表中的颜色可能会导致数据被误解，从而可能模糊关键结果和发现。

例如，看下面的图片。这些图片表明，用彩虹色表（左）显示的结果在 CVD 患者（中）眼中有可能完全不同。在这种情况下，患有 CVD 的工程师会将彩虹色表中的亮红色解释为较深的灰黄色，这可能会导致数据的误解。解决此问题的一种方法是生成一个新的色表，以便于患有 CVD 的工程师可以正确解释结果（右）。

搅拌器模型的不同可视化效果。

彩虹色表不仅对患有 CVD 的人来说是个问题，它们也给没有 CVD 的人带来了问题。太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究小组成员 Jamie Nuñez 解释说，由于它们之间的颜色变化不均匀且亮度缺乏渐变（即，亮度从色表的一端到另一端稳步增加），因此彩虹色表会引入伪影。当相反的情况成立时，这可能会导致出现重要（或无关紧要）的区域。

Nuñez 还指出，尽管我们可以通过在图像旁边添加一个颜色表来比较不同区域，但是不必要的复杂颜色表只会减慢解释速度，并可能导致我们得出错误的结论。

另外，尽管 CVD 检测已经普及，但可能有些患者却没有意识到自己患有 CVD。发生这种情况是因为人们从小就知道某些物体应该具有什么颜色。而且，无论某个人实际上看到的颜色是否与另一个人相同，他们都将其称为相同的事物。这意味着无论我们是否知道，我们都可能会错误地感知仿真和工程项目结果中所使用的颜色。

考虑 CVD 的同时创建色表

由于这些问题，Nuñez 和她的同事 PNNL 研究人员 Ryan Renslow 博士和 Christopher Anderton 博士开始意识到：长期以来，人们需要摒弃彩虹色表。因此，研究小组决定制作一个可以在整个科学界使用的优化色表。

要为患有 CVD 的工程师创建优化的色表，一种选择是使用灰度。但是，将结果呈现为灰度图像会带来一系列问题。即，使用这些色表时，人们在区分不同的灰色阴影时更加困难，并且观察不到细微的变化。

PNNL 团队创建了 Cividis，这是一个考虑了 CVD 患者而进行优化的色表。

Cividis 色表可帮助患有 CVD 的人准确解释仿真结果，例如该扬声器的声压级。

使用优化的色表 Cividis 显示仿真结果的真实色彩

对于 PNNL 团队而言，Cividis 的基本目标是创建一个色表，该表可以为有和没有 CVD 的人优化标量数据显示。本质上，色表应该对尽可能多的人具有最精确的数据表示。

实现这些目标并不容易，Nuñez 提到他们团队最大的挑战是必须开发代码以优化颜色表。尽管团队知道自己的目标和涉及的步骤，但真正了解如何在不需要手动调整任何设置的情况下实现这些目标是很有挑战性的。另外，收集和解释相关的色彩理论信息也需要大量的工作。

最后，该团队克服了这些挑战，并通过优化 Viridis 色表创建了 Cividis，该色表被视为当前色表的黄金标准，但并未针对 CVD 进行优化。Cividis 包含各种深浅不一的蓝色和黄色，为患有或不患有 CVD 的人都创建了一个友好的色表。此外，PNNL 团队决定与 COMSOL 共享 Cividis，以便 COMSOL Multiphysics® 软件的用户可以轻松访问它以进行自己的仿真。此色表从 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本开始可用。

散热器（右图例）和散热器周围空气中的温度分布（左图例）。使用彩虹色表对该模型可视化。

此图描述了患有红绿色盲的人如何感知彩虹色表的结果。

在此版本的模型中，使用Cividis颜色表对结果可视化。通过将彩虹色表（顶部）换成Cividis，患有CVD的工程师可以更轻松地分析温度场并避免潜在的数据伪影的解释。

Cividis 的优势

根据 PNNL 团队的说法，Cividis 为 COMSOL Multiphysics 用户提供了三个主要优势。

首先，它提供了一个统一的的颜色变化和亮度恒定的渐变。这意味着 Cividis 中的颜色在色表上变化平稳，明亮的颜色代表较高的数值，反之亦然。Nuñez 解释说，这是有益的，因为 Cividis 对于色表中不同颜色之间的比较非常直观。这样一来，其他人就可以轻松理解图像中不同值的比较方式，并突出真正重要的区域。

此外，Cividis 中使用的颜色范围广，可以避免使用灰度所带来的问题。最后，尽管 Cividis 已针对红绿色缺陷（最常见的 CVD）进行了专门测试，但无论是否患有CVD，工程师均可使用。这是因为 Cividis 对于具有正常色觉、绿色弱视、绿色盲的工程师来说看起来也是一样的。

使用 Cividis 对经受水流的球体后面的卡门涡街建模。

尽管我们在 COMSOL 中发现 Cividis 配色方案在美学上令人愉悦（也许会让人联想到月光下的天空的颜色），但一些测试人员发现由于缺少颜色变化，色表没有吸引力。为了解决这个问题，PNNL 团队计划使用他们创建的工具来优化 Cividis，并创建另一个优化的颜色表，该颜色表可以循环使用更多的颜色，同时仍能针对不同的重度绿色弱视保持最佳状态……所以，敬请关注！

与需要的人分享 Cividis

展望未来，该团队认为，为了使整个科学界转向使用优化的色表（例如 Cividis），人们必须理解它们的重要性并将其添加到软件中。这就是PNNL团队与 COMSOL 共享 Cividis 的原因。他们还计划免费提供所有材料以供广泛使用。Nuñez 说，他们的目标是使所有人都能使用该色表（文中给出了生成该色表的代码和讨论其设计的论文），以帮助解决团队中发现的问题。

Nenñez、Renslow 和 Anderton 希望他们的工作能够提高人们对 CVD 友好色表的认识和可用性，从而帮助全世界约 6 亿的 CVD 患者。

建议阅读

• J.Nuñez，C.Anderton和R.Renslow 在论文中对 Cividis 色表进行了描述：“Optimizing colormaps with consideration for color vision deficiency to enable accurate interpretation of scientific data,”2018 年。

什么是“鸡尾酒会问题”？

想象一下你正在新年前夕参加一个热闹的鸡尾酒会：空气中弥漫着刺耳的音乐和笑声，你和一个朋友在人群中间聊天，等待倒计时开始。

现在，请闭上你的眼睛，想试着听清楚朋友讲的话。

你怎么从周围的杂音中识别出朋友的声音呢？

我们可以在“鸡尾酒会”效应中找到答案。这个概念由 Colin Cherry 在 1953 年提出。“鸡尾酒会问题”是指在一个声音相互竞争的环境中，集中注意力并倾听一个感兴趣的声音，比如一个语言信号。

为此，你需要克服两个挑战：

1. 分析混合的声音并挑选出感兴趣的特定声音，以便于理解；
2. 将注意力转移到感兴趣的声音上，而忽略其他声音
   • 这可能涉及当倾听两个对话时转移注意力；

当聚会规模更大且有更多竞争的声源时，这些挑战将更为困难。最终，你将很难确定你所感兴趣的语言信号，从周围的混音中分辨出来，然后加以注意。尽管面临着诸多挑战，但许多人能够自然地解决这个问题而无需多想。

那么，应该怎么做呢？下面，我们来看看…

人体如何解决“鸡尾酒会问题”？

根据此问题的来源，这里发挥主要作用的是我们的大脑能够使用分组提示来确定哪些声音会一起出现。例如，单个声音在不同频率上通常具有相同的振幅变化。这意味着当我们遇到同时停止和开始的多个频率的声音时，我们的大脑会将这些声音解释为属于同一声源。另外，当混音中的频率具有谐波关系时，由于它们很可能相互关联，因此经常被听成一种声音。

自然声音的波动也能使声音区分变得更加容易。尽管不同的声音有时会相互掩盖，但当它们波动时，我们可以在嘈杂的环境中听到潜在声音。我们的听觉系统可以通过对模糊的声音精确分组来填充其空白。

按下播放键，我们将会被带到嘈杂的鸡尾酒会上。起初，我们只能听到混杂的声音。然后，你遇到一个老朋友，他开始与您交谈。当你专注于朋友说的话时，就可以过滤掉聚会中的其他声音，有效地将它们变成背景噪音。

我们的大脑解决此问题的另一种方式是利用我们对各种声音的理解。回到鸡尾酒会的例子，如果你的朋友正在说话，并且他们的语言是连贯的句子而不是胡言乱语，你将会更容易听到他们说话。此外，如果你熟悉朋友的口音，那你对声音的感知就会更加准确。

定位和视觉线索也有助于我们将注意力转移到正确的听觉来源上。例如，如果目标声音与不想要的声音位于不同的位置，我们就可以更容易地利用空间听觉来区分它们，从而使其余声音变成背景噪音。

应对“鸡尾酒会问题”遇到的挑战

虽然一般的人能够自行化解“鸡尾酒会”问题，但是听力受损的人可能会在嘈杂的环境中挣扎。为了了解更多信息，我们联系了丹麦技术大学的 Abigail Kressner。Kressner 提到一个被普遍接受的理论：听力受损的人常挣扎于嘈杂的环境，这是由于“可听性信号混合（即，信号是否足够大以至于听力受损的人能够听到）和低时间分辨率导致的。”

Kressner 详细地阐述，这些问题可能“会影响听力受损的听众在复杂的声学场景（如鸡尾酒会）中分离不同声音流的能力，并且它们也可能会减少注意力隔离”。那些听力受损的人也不太可能在相互的干扰声源波动中“倾听”。正如我们前面所提到的，这些声波使听力正常的人感受到了目标语音，因此，它们为理解会话提供了线索。在助听器的机器算法中复制这种能力对于助听器设计者来说是一个挑战。

设计会考虑“鸡尾酒会效应”的高级助听器

当然，设计助听器的首要目标是使助听器用户能够听到声音。但是在满足该要求之后，我们还可以添加很多其他功能，包括：

• 定向麦克风或波束形成器，以减弱来自特定角度（例如在用户身后）的声音的影响
• 计算语音隔离系统可自动区分目标语音和干扰的背景噪声，并有助于抑制背景噪声

Kressner 指出，这些方法都面临着区分声音信号和找到听众想要听到的声音的挑战。例如，你可能想听一个朋友在你面前讲话，或者在房间另一侧的一个刚叫你名字的人说话。

助听器。图片由 Udo Schröter 提供自己的作品。通过 Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。

助听器如何知道用户想要听哪个信号？COCOHA 项目认为答案是大脑信号（EEG 信号）。但是，这个解决方案还有很多工作要做，包括进行更多的研究解码认知注意力，然后使用此信息调整设备并抑制不需要的信号。

寻找设计更好的助听器的灵感

现在，让我们远离想象中的鸡尾酒会，在茂密的森林里散散步吧。在一个温暖的春天的夜晚，您可能会听到 Cope 灰色树蛙的合唱。虽然每个个体的叫声相似，但更健康的雄性树蛙发出的叫声更快、更长。雌性树蛙通过倾听这些叫声，排除掉额外的噪声来收听感兴趣的叫声。研究这些青蛙是如何实现这一壮举，以及它们的耳朵与人耳之间的差异，可以帮助工程师改善助听器和语音识别系统的设计。

在自然界中寻找灵感来改善助听器的设计；Cope 灰色树蛙的照片。图片由Fredlyfish4 提供自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 4.0下获得许可。

Kressner 指出，到目前为止，有关解释鸡尾酒会问题的助听器设计的大量研究“已经通过非常可控但不符合实际的实验获得。”因为“我们在实验室中看到的东西与在现实世界中看到的东西之间存在脱节”， 所以这不是理想的。为了进一步缩小这一差距，Kressner 建议，可以使用数值模型或更实际的心理声学再现技术来更好地了解现实世界中发生的事情。

在仿真中寻找灵感；使用 COMSOL Multiphysics^® 软件模拟一种可与助听器结合使用的探管麦克风。

了解有关鸡尾酒会问题和声学的更多信息

• 在本期 当前生物学文章中了解有关鸡尾酒会问题的最新研究。
• AW Bronkhorst，“鸡尾酒会现象：多方谈话条件下语音清晰度的研究综述”，Acta Acustica 与 Acustica 联合出版，2000年。
• 使用集总参数模型分析助听接收器
• 使用声学仿真分析探管麦克风设计

保温瓶材料特性研究

首先，我们先将 90°C 的咖啡倒入保温瓶中，然后考虑模型的材料属性。

涉及到的材料有：

• 咖啡用水的材料属性来表示
• 螺丝瓶盖和绝缘环均由尼龙材料制成
• 该保温瓶由两个不锈钢壁组成，中间有塑料泡沫填充物（真空保温瓶的内部空隙通常充满了抽过真空的空气，但其中也可能包含泡沫）

在 COMSOL Multiphysics® 软件中，除了泡沫填充剂之外的所有材料属性都可以直接从材料库中提取。同样地，你可以手动将特殊的材料属性添加到软件中。对于本例中的泡沫，可以输入以下值：

• 热导率：0.03 W/(m·K)
• 密度：60 kg/m³
• 热容： 200 J/(kg·K)

提示：此处所提到的建模方法都在保温瓶自然对流冷却教程模型中进行了介绍。请参考教程 MPH 文件和随附的文档，以确切了解如何设置和求解该模型。

快速方法：使用预定义的传热系数

对于一个快速且简单的模型，可以使用预定义的传热系数来描述热耗散。这种方法可以帮助我们确定咖啡在保温瓶中随着时间的流逝如何冷却。它不会告诉我们有关保温瓶周围的空气流动行为，不过它会告诉我们随着时间的流逝咖啡的冷却情况。

使用这种方法无需计算流体域中的传热和流速，只需模拟保温瓶外边界上的热通量。导热系数、表面温度和环境温度（25°C；略高于标准室温）的关系式有：

q = h(T_∞-T)

在许多预定义的情况下，h是已知的，且具有很高的精度。传热模块（COMSOL Multiphysics 的附加模块）包括一个传热系数库，可轻松访问。

使用此方法还有另一个好处就是节省时间，用这种方法无需预测该流体是湍流还是层流，因为许多关联关系在大多数流动状态下都可以获得。只要使用适当的 h 关联关系，使用此方法通常就可以以非常低的计算成本获得较准确的结果。

那第二种方法是什么呢？首先，有一个值得思考的问题：当咖啡冷却后，保温瓶表面的冷却能力如何分布。为此，需要在模型中包含周围的流体流动。

使用方法：计算对流速度场

为了更全面地了解我们珍贵的咖啡中到底发生了什么（说真的，什么时候可以喝它？），我们可以创建一个更详细的模型来描述保温瓶外部的对流气流。

采用第二种方法时，需要将 单相流 接口中的 重力 特征与传热模块或 CFD 模块结合使用，这可以在模型中包括浮力。通常，在遵循此模拟方法之前，您首先需要确定流体是层流还是湍流。我们先从简单的看起，让我们先跳过从 模型案例 中了解到的内容，这种情况下的流体是层流。

详细的模型显示，保温瓶驱动沿其壁面的垂直气流。气流最终在保温瓶上方的热柱中汇合，周围区域的空气被拉向保温瓶，进入垂直气流。（此流动足够弱，以至动压没有明显变化。）

保温瓶盖上形成的涡流会减少该区域的冷却，这是第一种方法无法分辨的。从本质上讲，与具有近似传热系数的简单方法相比，流体模型更适合描述局部冷却能力。

比较（结合）两种方法

咖啡在保温瓶中能保温多长时间呢？许多咖啡爱好者喜欢将温度保持在 50–60°C（大约120–140°F）的温度范围内，因为据说这是“ 咖啡香气发散 ”的时候。这两种方法都表明，在保温瓶中放置 10 个小时后，咖啡的温度将达到约 54°C 左右，这仍是一个保留咖啡香气的范围。当然，如果我们将保温瓶放在比设想的 25°C 低的温度下，则咖啡的冷却速度会更快。

在两种模拟方法下的咖啡温度随时间变化的曲线图。蓝线表示第一种方法，绿线表示第二种方法。

尽管就咖啡温度随时间的变化而言，两种模拟方法都得出了非常相似的结果。然而，当探究保温瓶表面的冷却能力时，情况就不同了:

两种建模方法的传热系数图。蓝线表示第一种方法，绿线表示第二种方法。

为了在长期内获得快速且准确的结果，你可以将这两种方法结合起来。在建立了更详细的模型后，可以通过更简单的方法来求解大规模且与时间有关的模型，从而创建并校准传热系数的函数，以供以后使用。

下一步：自己尝试一下

我们看到用两种不同的方法来模拟保温瓶中的咖啡随时间的对流冷却过程。更详细的方法在计算方面要求更高，因为它结合了传热和流体流动，但它也更准确，因为考虑了局部影响。通过结合使用这两种方法，你可以节省很多时间。

通过从在线案例库或 COMSOL Multiphysics 软件内部的案例库中下载教程模型来自己尝试一下。如果您对此模型或 COMSOL Multiphysics 软件有任何疑问，请与我们联系。

COMSOL Multiphysics® 与 COMSOL Server 5.3 版本正式发布

性能提升是 COMSOL® 软件 5.3 版本最引人瞩目的更新亮点，这尤其体现在求解大型模型方面。相比于 5.2a 版本，新版本软件对大型模型的处理和加载速度可提升至十倍以上。

通用功能更新

若您曾使用过“App 开发器”，一定会对那些用于记录、编辑以及运行方法的功能感到熟悉。现在，“模型开发器”也添加了方法功能，方便您顺利地执行复杂的建模任务，例如，您可以编写一个从文本文件导入数据来创建几何模型的方法。

通过模型方法更新模型。

“App 开发器”优化了图形 表单对象，为其添加了数据采集功能，让您能在开发 App 时设计出交互性更佳的仿真工具。COMSOL Server 产品是部署和管理仿真 App 的平台，管理员现在可以更加灵活地管理用户日志文件和集中式集群设置。

在 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中，另一个令人期待的改进是您可以通过局部坐标系来创建几何模型和定义物理场操作。通过金字塔单元过渡层，您还可以组合使用扫掠网格和四面体网格。

在这个示例中，金字塔单元（青色）在扫掠网格的六面体单元（绿色）周围自动生成，剩余空间则填充四面体单元（灰色）。

其他通用更新包括：基于快速选择过滤并查看多参数结果；在一维图中引入了双 y 轴，支持在一张图中绘制不同尺度的不同结果。

在此示例中，天线发出的辐射在汽车线束的外表面产生了感应电流。我们使用“选择”功能非常方便地指定了此组件的电场模绘图。

各物理场模块的更新

在 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中，我们添加了多个全新的教学模型和重要的演示 App，同时还对许多原有的教学模型进行了更新。您可以在“发布亮点”页面中找到“案例库”路径和“案例下载”链接。

在 5.3 版本中，“CFD 模块”发布了多个重大升级。例如，借助新增的 v2-f 湍流模型，您可以对具有强湍流各向异性的流场进行高精度的模拟，这项功能在模拟流过曲面的流动时非常实用。此外，“CFD 模块”新增了代数多重网格（AMG）求解器，让大型流体仿真的运行难度大大降低。请前往“发布亮点”页面中查看全部更新内容。

新增的 v2-f 湍流模型十分实用：流过旋风分离器的弯曲表面的湍流。

将全新的 AMG 求解器应用于太阳能电池板的 CFD 仿真中。

在结构力学模块的众多更新内容中，最引人瞩目的是新增了应力线性化计算技术，这项后处理技术在模拟压力容器时尤为实用。此外，新版软件还提供了多个用于分析材料线弹性的安全系数，让用户能够迅速判断是否需要在模型中添加弹塑性分析。另一个新增的实用功能是，可在模型中为自平衡载荷自动添加约束。在最新版本的 COMSOL® 软件中，您还在时域和瞬态热声学分析中使用完美匹配层（PML）功能。

使用应力线性化功能执行计算。

“变速箱中的噪声和振动”教学模型，可在“声学模块”中找到。

对于电磁学领域的用户来说，全新的静电，边界元 接口大幅简化了电介质中电势分布的计算过程。借助新增的研究类型，用户可以快速执行集总矩阵计算。除此之外，新版本软件还带来了全新的“RF零件库”、用于射线光学的射线终止 特征，以及一个可通过求解薛定谔方程来处理量子力学问题的接口。

使用边界元模拟电容器。

传热模块方面，软件包含了可进一步扩展空气中热湿传递建模的多个特征。化工模块新增了一系列接口，可以对多孔介质反应流，以及裂隙中的流动与传递进行模拟。对于那些需要模拟粒子追踪的用户来说，他们可以借助全新的周期性条件 对带扇区对称的几何模型和周期性结构执行分析。

了解 COMSOL®软件 5.3 版本

上文简要地对 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中全新的特征和功能进行了介绍。在未来的几个月中，我们将继续推出更多博客文章，深度探索 5.3 版本的更新内容，敬请关注！

欢迎访问“发布亮点”页面，观看介绍视频，更加全面地了解软件的更新内容。