凉爽的微风还是冰冷的气流？

从我们身边掠过的空气是凉爽的微风，还是冰冷的气流？这要看你问的是谁了……

Mika Maaspuro 专门从事建筑环境模拟工作，他使用仿真软件开发的一个模型揭示了影响人们舒适度的温度和气流的空间变化，即使在相对较小的房间里，他的模拟结果建议对房间里的暖通空调系统设计进行调整，以节约能源并能更好地适应个体需求。

理想的办公室温度因人而异。照片由 kate.sade 拍摄，来源 Unsplash。

那么，这些需求是什么，首选的室内气候又怎样因人而异？我们认为理想的条件变化比我们想象的要多。“研究表明，大多数人认为最舒适的温度差异最高可达 6°C [10.8 °F]。”他解释道，“热感觉因人而异，男女不同，并且受一天中的时间以及我们身边空气运动的影响。”

例如，一个人在 22~23°C [71.6-73.4°F] 时感到温暖，实际上是不会注意到高达 0.4m/s 的空气速度，” Maaspuro 说道，”然而，在那个温度下已经感到寒冷的人对同样的微风会感到不适。”

智能建筑可以提供更精细的暖通空调系统设计

人体对空气温度和运动的高度敏感性使暖通空调系统设计成为一项永恒的挑战。通常，这些系统基于打开或关闭加热/冷却单元的单个温度传感器。“这种设计非常简单，但不太灵活或有效。” Maaspuro 说道。他的研究重点是开发能更好地调节室内环境的智能建筑系统。

虽然这些智能系统通常旨在提高建筑安全性、节约能源和降低成本，但它们也为室内气候的微调管理提供了潜力。“我们希望找到能让每个人都能在与他人共享的环境中感到舒适的技术解决方案。”Maaspuro 说道。

在 COMSOL Multiphysics ^® 中模拟共享办公空间

由于多种因素会影响人体感知气候条件，多物理场仿真可以帮助工程师精确定位对人类舒适度有很大影响的微小变化。在这个项目中，Maaspuro 使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟了一个他非常熟悉的小房间，房间结构是基于他在芬兰 Aalto 大学与他人共享的办公室设计的。

Mika Maaspuro 的 4mx5mx3.5m (高)办公室模型的剖视图。图像显示了模型的一半几何结构，由于对称性，在模拟中只考虑了一半。进风口和出风口安装在门上方左侧的墙上。加热装置安装在右边窗户下面的墙上。除了这里显示的桌子和椅子，实际的房间还包括靠近门的其他居住者的空间。房间由墙壁、地板和天花板包围，其热特性由典型的传热系数和热容量指定。

该模拟使用 COMSOL Multiphysics 中的事件 接口创建，将固体和流体中的热传递与层流进行了耦合。即使在这个小型空间里，温度和气流条件也可能变化很大，因此该模型在多个位置设置了恒温器，其中一个靠近门，另一个靠近窗户下方的散热器。24 小时瞬态仿真跟踪每个恒温器位置的温度，以及由此产生的加热单元的开/关操作周期。这样， Maaspuro 就能够比较恒温器的放置如何影响局部温度，以及它对加热单元运行时间的影响。

太热？太冷？还是两者都有？

模拟揭示了温度变化和气流的整体模式，这有助于解释由此产生的局部条件。

24 小时内房间内的模拟温度(°C )。样本取自 zy 平面上 x=房间宽度四分之一处的切面。房间恒温器设置为 23℃。通风空气为 18℃，流量每人 6l/s (由于对称，总共 12l/s)。

与上述相同位置和相同条件下的气流速度。

如上图所示，最高温度出现在散热器前面的地板上，而沿着天花板的气流速度最高。安装在高处的通风口产生的空气流动将较冷的空气沿着天花板和窗户及散热器所在的墙壁向下推动。然后，这些空气会“吸收”散热器的热量，沿着地板流动，逐渐将热量释放到房间的较高部分。

这种循环过程在散热方面相当有效，但它确实会造成空间不整齐，影响人们舒适度。房间的角落明显比散热器附近的空间冷，最靠近门的空间也是如此。所以，坐在散热器附近的人可能会出汗，即使门口的人脚会感到冷。局部的模拟结果定量地描述了这种影响，并提出了后续办公室模型一半几何体的剖视图。

由位于门附近的单个恒温器控制的平均室温(左)和 24 小时内加热器开/关循环模式(右)的比较。

在关于一个房间是太冷还是太热的争论中，两个人可能都是正确的。在恒温器安装在门附近的模拟中，房间的平均温度波动相当大。当恒温器放在散热器旁边时，温度波动会减小，但最终的平均温度会更低。还要注意，当恒温器靠近散热器时，加热系统的开/关周期较短。这种快速的循环可能会令人讨厌——尤其是当系统反复开关时，居住者试图集中精力工作的时候。

24 小时内平均室温和开/关加热器循环模式的比较，外部空气流量增加到每人 12l/s(总计 24l/s)。左边的两个图是放置在门附近的恒温器，右边的图显示了散热器放置的结果。

以上结果显示了增加气流速度如何影响两个恒温器位置的整体温度和加热器循环。移动更大体积的空气使平均温度更接近，同时在整体趋势中产生更陡的波峰和波谷。无论恒温器位于何处，循环增加也会导致加热单元更快和更不整齐的开/关循环。

更多恒温器可能意味着更快乐的工作场所

从这些分析中可以得出什么结论？也许最明显的发现是，正如 Maaspuro 所说:“恒温器通常放置在散热器附近，但这可能是最糟糕的位置。” 如果传感器靠近加热器，则平均室温可能会更低。此外，简单地移动恒温器并不能完全解决问题，增加气流也不能。

解决方案是什么？“最好的方法不是非此即彼，而是两者兼而有之，”马斯波说道，“最有效的控制系统会采样两个位置的温度，然后计算平均温度。即通过减少整个房间的变化，使整体气候更加舒适。”

下一步

通过阅读 2020 年 COMSOL 用户年会上 Maaspuro 的演讲，了解更多关于此处讨论的研究的更多信息:

Florian Klunker 讨论将仿真作为服务提供给客户

通过增强流程理解来达到产品质量标准

Huntsman 公司生产各种特殊化学品，公司有四个不同的部门（聚氨酯、高性能产品、纺织染化和先进材料），在全球拥有一万多名员工。

Florian Klunker 来自 Huntsman Advanced Materials 公司。为了支持汽车、航空航天、复合材料等行业，他们一直在推进研发。虽然这些行业存在不同的挑战，但这些行业有一个共同点，即工艺流程仿真是提供支持的有用工具。

Huntsman Advanced Materials 公司的工艺流程仿真有三个主要步骤：

1. 实验，如动态扫描量热法（DSC）分析和流变学分析
2. 通过数据拟合进行材料建模
3. 有限元（FEA）分析，如固化和流动仿真

Florian Klunker 表示，他们的研究人员使用树脂浇铸的过程仿真已经有很长一段历史了，例如，树脂浇铸通常用作电力应用的绝缘体。仿真有助于确定最佳树脂系统，从而帮助他的团队为客户和产品开发提供支持。

App 对同事、客户和仿真专业人士的好处

Florian Klunker 说，他和他的团队不是着眼于建立一个完美的模型，而是将仿真作为“GPS”，作为尽快实现目标的指导方针。之后，他们会与客户一起在现场找出更具体的细节。通过采用这种方法，他们可以优化生产，最大限度地缩短树脂固化时间，确定加工问题并提出替代方案。

更重要的是，COMSOL Server 有助于 Huntsman 公司扩大其仿真团队工作的影响。Florian Klunker 说：“我做的任何模型，都可以转变为 [App] 并与我的同事分享”。他给出了一个 App 的示例，该 App 中只包含两个按钮：一个标记为“比较树脂”，另一个标记为“计算”。该 App 的用户只需在三种树脂中进行比较，输入反应的温度和时间，然后单击计算，即可获得不同树脂的反应曲线随时间变化的情况。Klunker 表示，这些“只需点击几下”的仿真 App 对新用户来说是简单的仿真入门方法，集成数据库有助于 App 保持更新。

增强同事的权能

在这样一家大公司部署仿真 App 的一个优势是能够最大限度地减少 IT 的维护工作量。通过赋予员工在浏览器中使用此工具的权利，使他们无需在本地计算机安装任何软件和工具，即可进行 Web 访问。如今，Florian Klunker 部门的 75 名员工都可以使用这些工具，他们能够直接看到仿真的好处。例如，它可以帮助用户了解更多关于工艺流程的信息并加以改进。通过使用 App，Florian Klunker 的同事可以识别关键参数并将其影响可视化，这有助于他们确定最佳材料并为客户提供工艺流程解决方案。

解决方案越来越受到客户的青睐，同时同事们可以看到提高效率等好处。比如说，有了这个虚拟实验平台，他们做试验的次数减少了。此外，App 设计为具有模板化输出，支持快速、统一的报告。更重要的是，这些仿真 App 使同事能够在短时间内得到所需的答案，这意味着他们可以简化工作流程，而无需等待仿真专业人士的反馈。

增强仿真专业人士的权能

由于 App 使其他人能够自己找到答案和解决方案，因此仿真团队能够更专注于创新，例如提供新工艺流程或专业模型。Florian Klunker 举例说，他们开发了一种流动仿真，以适应注入过程中树脂的反应性，从而加快固化速度。在第二个例子中，他展示了动态流体压模工艺的仿真。这里的挑战是将工艺流程推向物理极限（主要是传热），建模有助于了解这些极限的程度。

视频中：Klunker 讨论了仿真 App 如何帮助促进创新。

仿真专业人士也可以专注于新材料的开发。例如，Huntsman 公司现在生产 MIRALON 材料，这是一种新型先进碳基高性能材料。材料结构有四种不同的形式：片材、胶带、纱线和分散体。仿真帮助他们了解材料的使用方式。

通过部署和分发用于过程仿真的工具，Huntsman Advanced Materials 公司能够预测制造变异性，解决加工缺陷，回答常见的客户问题，并加快创新和产品开发。

通过观看本文顶部的视频，你可以了解更多有关 Huntsman Advanced Materials 公司如何使用 COMSOL Server 为客户提供仿真服务的信息。

Miralon 是 Nanocomp Technologies，Inc. 的注册商标。

Adrien Charmetant 讨论利用多物理场建模改进电缆设计

在全球范围内提供电缆解决方案

Nexans 是全球电缆解决方案供应商，致力于为数百万人传输电力和信息。该公司生产的电缆和配件用于水电大坝、矿山、海上风电场、数据中心、城市摩天大楼以及交通运输。Nexans 数值仿真部门负责人 Adrien Charmetant 说，特定运输方式的电缆长度取决于平均乘客量——每位乘客约 1 公里（km）。例如，汽车使用约 5 公里的电缆，而游轮使用约 5000 公里的电缆。

在为这些用例以及其他用例设计电缆时，工程技术人员必须考虑多个因素。例如，Charmetant 提到电缆的电力传输不是一种固有属性，而是取决于环境。因此，如果你在空中安装一根电缆，它的传输功率可能是地下电缆的两倍。

设计电缆时必须考虑多种物理现象，包括：

1. 传热，原因是，设计电缆时考虑了最高工作温度
2. 电磁，特别是焦耳热
3. CFD，原因是，对流（自然和强制）是主要的冷却现象

多物理场仿真对电缆设计的好处

为了解释电缆的耦合性能，Charmetant 和他的团队使用仿真“作为对标准的补充”。他指出，COMSOL Multiphysics® 软件帮助他们用更少的近似解决复杂的物理问题。“它可以缩短产品上市时间，降低新电缆和新配件的开发成本，”Charmetant 说。此外，建模可实现成本优化和更安全的电缆安装，并有助于防止过热。其他好处还包括多物理场仿真的多功能性，并且能够通过仿真 App 将复杂的设计方法带给更广泛的受众。

Charmetant 接着讨论了 Nexans 使用建模来改进电缆及其配件开发过程的两种方式：简化这些设备设计的虚拟样机技术，以及有助于使电缆安装更具成本效益的动态分析。

电缆和配件的虚拟样机技术

通过虚拟样机技术，Nexans 公司能够缩短研发项目的上市时间。举例来说，Charmetant 分享了他的团队如何使用仿真来设计标准的海底电缆插头。为了确保最高工作温度符合材料的寿命，他们解决了强耦合（和非线性）热磁问题。由此产生的仿真使得团队能够将温度分布可视化，从而帮助他们发现潜在的过热问题。通过在设计过程的早期发现这个问题，工程技术人员无需创建一个“制造和测试成本高昂”的原型，而是直接进入重新设计阶段。

视频中：Adrien Charmetant 讨论了在海底电缆插头设计中使用仿真来检测过热问题。

Charmetant 讨论的另一个例子是使用三个电缆托架安装电缆的影响。通过考虑损耗以及对流和辐射传热，以确保电缆能够正常运行并达到预期寿命。在计算了托盘的相互加热之后，Charmetant 注意到最低的托盘使得空气垂直运动的同时也升高了空气的温度。这些现象的最终结果降低了较高电缆托盘的温度，这是工程技术人员们没有预料到的。

动态电缆评级方法

Nexans 还使用仿真进行动态分析，这有助于提高电缆安装的成本效益。这个想法是从电力负载随时间变化的事实中获益，在某些情况下，热惯性有助于过滤这些负载。对于每次负载变化，变化缓慢且惯性较低的电缆会达到稳定的温度，变化快且热惯性高的电缆也是如此。然而，对于介于这两个极端之间的电缆，负载可能会发生变化，使得温度永远不会达到稳定状态。Charmetant 说，在这些情况下，动态（或瞬态）分析可能会有所帮助。

Charmetant 分享了一个真实的火车电机电缆示例，他提到，与其他计算温度的方法相比，动态电缆评级方法有多个优点，即 EN 标准和稳态仿真。动态分析从热惯性中获益更多。因此，电缆的尺寸、重量和成本都“大幅降低”。

视频中：Adrien Charmetant 讨论了在 COMSOL Multiphysics 中使用动态电缆评级方法的好处。

Nexans 使用仿真来改进电缆和电缆配件的开发和安装过程，这有助于节省时间和金钱。要了解有关如何使用多物理场建模的更多信息，请观看本文顶部的主题演讲视频。

EPFLoop 团队讨论仿真在超级高铁设计中的作用

超级高铁概念简介

超级高铁的基本理念是一种用于高速洲际运输的车舱，可以自行以极低的损耗实现长距离运输。这个想法听起来很前卫，但实际上自 19 世纪以来它已在某种程度上存在。

超级高铁的一些关键性能指标（KPI）包括：

• 高速（高达 1200 公里/小时）
• 安全
• 全电动操作
• 自主运作
• 高效率（例如，与传统列车能耗相同）

最近，Elon Musk 在 SpaceX 竞赛中推广了超级高铁概念。SpaceX 在加利福尼亚州洛杉矶有一个测试管道，向来自世界各地的学生团队开放，这样他们就可以在真空条件下展开超级高铁舱设计的竞争。

EPFLoop 团队的成员在舞台上展示他们的车舱设计。

EPFLoop 是洛桑联邦理工学院（EPFL）的超级高铁设计团队，使用 COMSOL Multiphysics® 软件为 SpaceX 2018 设计了超级高铁，他们的设计名列第一，最终样品在瑞士赛区排名第一，在世界排名前三。

利用仿真优化超级高铁舱设计的组件

EPFLoop 团队的不同成员讨论了车舱设计的各个方面，以及多物理场仿真如何发挥作用。

气层设计

为了设计超级高铁舱的气层（外层），该团队执行了空气动力学，CFD 和结构分析。他们使用了 COMSOL Multiphysics® 中的高马赫数流动 接口，以及附加的“优化模块” 和 LiveLink for MATLAB® 接口产品 。通过执行仿真分析，团队成员确信他们的超级高铁设计已准备好进行测试、生产、验证；最后，运到加利福尼亚参加比赛。

“通过有限元仿真，您可以真正依赖您的系统，”Riva 说，“在这方面，COMSOL® 发挥了非常大的作用。”

压力容器

由于容器部件直接暴露在 SpaceX 试管的真空中可能会导致系统毁坏，因此压力容器部件对于超级高铁设计非常重要。EPFLoop 团队利用 COMSOL® 软件中的固体传热 和壳传热 接口分析压力容器的结构和温度分布，以预测车舱的特性，并针对这些特殊条件优化其设计。

超级高铁舱设计的内部结构。

制动系统

超级高铁的制动系统使其能够安全地加速和减速（您应该记得，安全是超级高铁概念的五个 KPI 之一）。EPFLoop 团队尝试使用 COMSOL Multiphysics 中的固体传热 和平移运动 接口来分析制动系统的温度分布。

我和我的同事 Edmund 很幸运，在 EPFLoop 团队的主题演讲之后有机会与他们进行了详细的交流。仔细看看下面的超级高铁舱的内部运作情况：

Benedetti 说，设计超级高铁不仅为教育学生提供了有用的产品，也是“交通领域创新”的一种方式。该团队已经开始为 SpaceX 2019 进行设计。请观看本篇博客文章顶部的完整主题演讲，获得更多有关 EPFLoop 项目的详细信息。

MATLAB 是 The MathWorks, Inc. 的注册商标。

Ivana Milanovic 谈仿真技术在 STEM 课程中的应用

STEM 教育面临的挑战

Ivana Milanovic 教授表示，克服教育方面的挑战历来都是“对教学方法和课程进行微小改动”。例如，工程课程（特别是本科生）通常以讲座和问题为基础，实验室提供实践经验。有一种称为 IBL 的学习方式，以课外活动为主，帮助学生在现实世界中发展实践和智力技能。Milanovic 发现这种情况不太理想，原因是，只有最积极的学生倾向于利用这些 IBL 机会。

那么，教师如何才能向所有学生推行 IBL 呢？一种可能的方法是利用仿真来研究各种现象。（正如 Milanovic 所说：“亲眼看到一些您原本看不到的东西是件好事。”）那么问题就变成了如何将建模融入内容充实的课程中。Milanovic 称这是她的“三体问题”，其目标是：

1. 保持课程材料的相同覆盖范围（例如深度和花费的时间）
2. 使用生动有趣的沉浸式视觉效果来持续吸引学生
3. 结合数学建模和仿真

为了保持适度平衡，Milanovic 开发了一种基于仿真的方法……

提高学生学习效率的四步策略

Milanovic 的策略侧重于“课外学习”，其中包含四个关键部分。

首先是在课堂内外大量地使用有趣的图像和动画，这可以帮助学生保持专注，使他们能够想象出难以描绘的效果（如多普勒效应）。

视频内容：Ivana Milanovic 讨论了在本科 STEM 课程中使用生动有趣的视觉效果的好处。

其次是创建一个增强型在线环境，其中包括上面提到的视觉效果及博客文章和视频等外部资源。Milanovic 表示，“如果你能让[在线环境]更加生动有趣，那么你就能提供更多的课程之外的信息。”这些改进还为学生提供途径获取更好（和更多）的信息，有助于减轻教授们的工作负担。

Milanovic 策略的第三步是将仿真和应用作为“新的课外作业”。仿真开始时很简单，但随着学生对 COMSOL Multiphysics® 软件越来越熟悉，仿真变得越来越复杂。例如，在 Milanovic 的传热课程中，最初的问题可能是模拟二维传导。一个月后，学生们能够使用仿真软件来理解“他们正在做的任何项目背后的物理现象，还能够构建 [App]”（例如瞬态传导）。Milanovic 还创建了自己的评分标准，其中包括一个针对 IBL 的部分，随着课程的进行，难度也会增加。

第四步是促进更多的研究，包括 PBL 和 IBL 问题。一个简单的例子是让学生想象通过圆柱体的流动，以便更好地理解如何以及何时使用阻力曲线。Milanovic 说，她以前不得不使用各种不同来源的视觉效果，但现在，学生可以通过创建仿真 App 获得一致的效果。在构建 App 后，学生可以研究不同雷诺数如何影响流动。

Milanovic 通过这四个步骤将仿真融入课程中，将 IBL 和 PBL 推向每个学生。然后，学生们可以利用他们在仿真和应用方面的经验来解决实际问题。有关她的方法的更多详细信息以及该方法对 STEM 教育的好处，请查看本文开头的视频。

Nicholas Goldring 讨论用于同步加速器设计的仿真 App

优化 APS 同步加速器的电子束亮度

RadiaSoft LLC 公司对粒子加速器和 X 射线光束线进行建模和设计，目前正在与阿贡国家实验室合作改进真空室模拟。APS 升级的目标是提高 X 射线光束的亮度，根据 Goldring 的说法，这是“同步辐射光源的品质因数”。增强光束强度需要弯曲的磁极尖更靠近电子束轴，这反过来又需要更小的真空室。为了适应新的设计，真空室必须从 190 mm 缩小到 22 mm，这使同步辐射的行为更加复杂。正如 Goldring 所说。“我们不仅有更明亮的光束和更高强度的 X 射线，真空室也需要更小，从而导致复杂和耦合的物理现象，包括高热应力、光子激发解吸和电磁波场。”

来自视频：Nicholas Goldring 讨论了升级前后的光束亮度(右上)和真空室(右下)。

为了准确模拟 APS 同步加速器和其他加速器的行为，RadiaSoft 构建了仿真模型，并将它们转换为仿真 App，然后分发给项目利益相关者。

使用仿真 App 和 COMSOL Server 升级加速器设计

同步加速器真空室是一个真正的多物理场问题，但在典型的加速器模拟中，Goldring 解释说，“有许多不同的代码[…]，而且它们非常专业”——通常是针对一个物理过程。这是有问题的，因为在仿真之间来回切换容易出错，而且很耗时。

作为这个问题的解决方案，RadiaSoft 的工程师使用 COMSOL Multiphysics^® 软件进行射线追踪、热分析、分子流模型等。构建好模型后，他们将其转换为仿真 App，并使用 COMSOL Server 部署产品进行分发。这使不熟悉代码或 COMSOL Multiphysics 的科学家和工程师能够运行自己的仿真。

Goldring 说，App 开发器的界面使他能够“将许多不同的模型对象拖放到画布上”，这使事情变得简单。还可以通过内置的 Java^® 开发环境将更复杂的功能，例如通过实现自定义算法，添加到仿真 App 中。此外，Goldring 说：“COMSOL^® 有一个广泛的 [应用程序界面]，但它们可以通过记录方法轻松访问。”同事们可以通过 COMSOL Server 轻松访问 RadiaSoft 基于云的服务器上的仿真 App。“效果非常好”，Goldring 表示。

示例：真空室中的射线

Goldring 讨论的第一个仿真 App 是用于新真空室设计中的射线。App 用户可以定义许多参数，包括：

• 电子束源
• 束弧长
• 弯曲半径
• 电子束能量
• 偶极磁铁的强度

基于这些（和其他）输入，仿真App可以显示腔室中的温度以及射线的能量和功率分布。Goldring 说：“同步辐射功率分布相当复杂，尤其是当它沿着电子轨迹前进时，因此绘制不同点的分布情况通常很好。”

来自视频：Nicholas Goldring 正在展示真空室应用。

通过使用 COMSOL Server 部署仿真 App，RadiaSoft 让科学家和工程师能够更轻松地测试和优化加速器设计。

本材料基于美国能源部科学办公室基础能源科学办公室支持的工作，资助编号为 DE-SC0015209。

要了解有关 RadiaSoft 如何使用多物理场仿真和仿真App改进 APS 同步加速器的更多信息，请观看本文开头的主题演讲视频并访问 RadiaSoft 网站。

Freddy Hansen 讨论如何改进供心力衰竭患者使用的心脏泵的设计

设计更好的左心室辅助装置

“有史以来植入人体的最复杂的机器”—— Freddy Hansen 这样描述 HeartMate 3 左心室辅助装置（LVAD），这是一种由雅培公司开发的心脏泵，配备有一个磁悬浮转子，适用于心力衰竭患者。在雅培公司，Hansen 的团队致力于改进 LVAD 设计，以弥补心脏左侧肌肉衰弱，从而避免血液在心脏淤积，血液淤积可能是致命的。其他电子植入物（如起搏器）只使用数微瓦的功率，但 LVAD 必须泵送整个血流，因此需要大量功率，约为 10 瓦左右。设计这些装置还面临着其他挑战，比如，其体积必须足够小才能植入患者胸腔，另外还要具有生物相容性和血液相容性。为了解决这些问题，Hansen 和他的团队成员使用了仿真技术。

使用 COMSOL Multiphysics® 优化 LVAD 系统

Hansen 说他使用 COMSOL Multiphysics® 软件来模拟 LVAD 系统设计的所有组件，包括装有磁悬浮轴承（使转子悬浮在装置内部）的电动机、传感器和其他电子设备，如电动机控制。由于该系统的每个部分都是维持生命的，雅培的工程技术人员需要确保每个组件都按照设计运行。HeartMate 3 LVAD 是该系统唯一位于人体内的部分，该装置的电源来自电池，并通过穿透患者皮肤的电缆传输。控制器是一个患者接口设备，其中设有按钮，可帮助监测 LVAD 的性能（还包含应急电池）。

来自视频：LVAD 系统。LVAD 被植入胸腔，而系统的其他组件则位于体外。

Hansen 举了几个例子，说明了他和他的团队成员如何使用各种建模技术来精确分析 LVAD 系统设计的所有组件和多物理场相互作用。例如，在设计 HeartMate 3 LVAD 时，他们创建了一个电动机模型，该模型的旋转部分包含磁场，磁芯周围的多个线圈使转子悬浮和旋转。下面我们再看一些模型示例。

模拟控制器和植入物的传热

Hansen 在研究 LVAD 设计时，提出了一个重要的问题：靠近控制器的皮肤温度是多少？正如他所指出的，确定 控制器装置接触皮肤时的温度，非常重要，原因在于，即使在温度过高的情况下患者也不能直接取下装置——因为患者靠它来维持生命！为了找到答案，雅培公司的研究人员设计了一个生物传热模型，控制器的一侧是皮肤、脂肪、肌肉和内脏层，另一侧是服装层，从而模拟热效应。该模型考虑长距离的血流冷却，并且采用自定义的传热系数来模拟服装层表面的对流换热。

第二个热模型示例模拟这样一个问题：靠近植入物的组织有多热？为了回答这个问题，研究团队成员通过逆向工程分析了已发表的数据，这是一项评估活体组织导热性能的实验。接下来，他们模拟将 LVAD 放入水浴中，并将结果与基准测试进行比较（您可以观看视频，了解更多关于 Hansen 如何追踪电池和其他热元件温度的细节）。

模拟无线能量传输

雅培团队还研究了用无线能量传输代替电缆传输的方法——Hansen 称之为业界的“圣杯”。如果能实现这种替代方案，无线能量传输将降低插入部位的感染风险。改进后的装置不仅可以挽救患者的生命，植入这种装置的患者还可以洗澡和游泳，从而大大提高生活质量。为了探索这种可能性，该团队开发了一个包含三维磁场和零维电路的模型来评估效率及损耗。在这种情况下，提高电路性能非常重要，这是因为电路和磁线圈具有很强的相互作用。

来自视频：无线能量传输模型设计。

通过仿真评估血细胞的流动

Hansen 继续他的主题演讲，讨论 CFD 建模如何帮助团队追踪流经装置的血流路径。通过 LVAD 的流场就其交互性和周期性而言被视为一个真正的多物理场问题。在研究血细胞浓度时，需要考虑剪切应力，这是因为血细胞远离较高的剪切应力位置。这种运动影响血液的粘度，从而影响流场，进而影响剪切应力。

研究人员在对 LVAD 设计进行流量定性评估时，要确保没有血液从转子流回入口，否则会导致效率降低并增加血液损害的风险。Hansen 还谈到使用粒子追踪来计算“灌注”，即血细胞在心脏泵中停留的时间。他们发现，可以根据逃逸时间对粒子进行分类，并通过仿真计算高级血液破坏。

Hansen 总结道，他和雅培团队在这项设计中使用了 300 多个模型以及数十种产品和原型。他们可以通过仿真来创建优化的 LVAD 系统，并开发出适合实际应用的 HeartMate 3 LVAD。

到目前为止，HeartMate LVAD 已累计挽救超过 35,000 名心力衰竭患者的生命，有些患者可以继续参加马拉松，以及许多其他运动和活动。但这些系统真正令人印象深刻的是什么呢？那就是它们使患者的心脏持续跳动，让患者健康地活着。

想要了解更多关于雅培心脏泵仿真和 LVAD 系统设计的信息吗？请观看本篇博客文章顶部的视频。

HeartMate 3 是雅培公司集团的商标。

Pablo Rolandi 讨论生物制药工业中的建模和仿真

生物和合成药物的仿真 App

Rolandi 在开始他的主题演讲时解释说，就 Amgen 所做的建模而言，生物制药行业存在多样性。他们的项目既有广度也有深度，需要对生物系统进行高级建模。Rolandi 说，他所在团队的目标之一是通过开发和部署建模 App 来“超越”仿真。

Pablo Rolandi 将他的主题演讲归类为 Amgen 的生物和合成医学项目。他讨论的第一个合成应用是搅拌式干燥过滤器（ADF），用于通过执行三个关键的分离步骤（而不是像早期的方法那样需要五个步骤）来避开药物制造干燥阶段的瓶颈。Amgen 研究人员使用仿真来确定生产现场的压力、温度和搅拌操作条件，还构建了一个仿真 App，以便其他团队成员能够定量评估仅带加热板的 ADF 与带加热板和附加搅拌装置的 ADF 之间的差异。

接下来，Rolandi 讨论了环氧乙烷灭菌仿真模型，在 Amgen，他们称之为 ETHOSS。其背景是用于小瓶灭菌的新型容器不符合标准，因此该团队建立了一个仿真 App 来测试环氧乙烷传递扩散过程的参数。他们确定了浓度、时间分布以及点浓度的数值，避免了缺乏借鉴信息的实验，从而将 ETHOSS 的开发速度加快了几个月。

视频内容：Pablo Rolandi 讨论用于研究小瓶灭菌过程的模型 ETHOSS。

演讲中的第三个应用涉及通过抛光阳离子交换层析步骤纯化生物制剂。这种单元操作在生物制药工业中用于从引起副作用的材料中分离药物，但是模拟这一过程需要估计许多材料属性和传递/等温线参数。Amgen 构建、校准并验证了层析模型，然后将其转换为最终用户可用于测试各种设计参数的 App。

Rolandi 转向谈论 Amgen 的组合产品（即药物和设备）应用的仿真。首先，他向大家展示了一个名为 PIT 的柱塞位置模型。通过构建和部署仿真 App，整个组织的团队成员能够评估柱塞位置制造操作的过程能力指标，以满足质量要求。

Rolandi 讨论的最后一个模型是成分注入时间模型，称为 KIT。在生物制药领域，药物输送系统的注射时间必须精确，但容器、药品和注射器装置等因素会导致差异。Amgen 对系统参数进行了全局敏感性分析或“因子分析”；例如粘度、平衡长度和针半径。他们发现只有针和弹簧的参数会影响结果，从而简化了问题。Amgen 为团队成员构建了一个 KIT 仿真 App，使用他们自己的组合产品参数进行不确定性和敏感性分析。

通过创建像 Rolandi 主题演讲中的五个例子那样的仿真 App，并通过 COMSOL Server 产品在整个组织范围内部署，Amgen 已经能够“超越”传统仿真。Rolandi 甚至说，在 Amgen，他们认为 COMSOL® 软件是他们的“计算内核”，并致力于为每个人找到一种方法来访问他们正在生成的大量仿真数据。通过 App 进一步推进仿真，Rolandi 看到了新的挑战和新的机遇。

要了解更多关于 Pablo Rolandi 和 Amgen 如何在生物制药应用中使用多物理场建模和仿真 App 的信息，请观看本博客文章顶部的视频。

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。

超过 70 件仿真作品在 COMSOL 用户年会 2017 北京站进行了展示

本次年会共有超过 70 件仿真作品进行了展示，参与海报展示的作品共有 54 件。这些作品内容涵盖了 COMSOL Multiphysics® 产品在各工业、学术领域的应用。

参会嘉宾在年会海报作品前热烈讨论。

在众多优秀的展示作品中评选出“最佳”作品绝非易事，经过激烈的角逐，来自清华大学摩擦学国家重点实验室、浙江中科电声研发中心和中国科学院电工研究所的研究团队，得票数分列前三，最终荣获本届年会的“最佳海报奖”。让我们恭喜这些获奖者！

从左至右依次为：Svante Littmarck，COMSOL 集团 CEO；史李春，清华大学摩擦学国家重点实验室；陆晓，浙江中科电声研发中心；孙文秀，中国科学院电工研究所。

三张海报作品摘得 COMSOL 用户年会 2017 北京站最佳海报奖桂冠

《液滴动态润湿过程的模拟》

来自清华大学摩擦学国家重点实验室的研究团队的海报作品《Simulation of the Dynamic Wetting Process of Droplets》赢得了众多参会嘉宾的关注，斩获了最佳海报奖的殊荣。

液滴在刚性平面上的扩散是非常常见的物理现象，通常在几秒或几毫秒的时间内便可完成扩散。为了解释粘度对液滴初始扩散的影响，清华大学的研究小组建立了一个二维的轴对称模型，对扩散前的液滴的剪切速率分布进行了仿真，并利用水平集方法模拟了动态湿润过程。

不同粘度液体的剪切速率曲线随传播时间的变化。图片由清华大学摩擦学国家重点实验室提供。

仿真结果表明，由于在扩散前沿的高局部剪切速率，粘滞力在低粘度液体的扩散过程中起着极为重要的作用。

《扬声器数值仿真分析》

来自浙江中科电声研发中心的扬声器研发团队凭借海报作品《扬声器数值仿真分析》获得了本届年会的“最佳海报奖”，他们在海报作品中展示了针对扬声器的多物理场仿真分析。

扬声器等电声器件的应用已深入人们的日常生活。扬声器的结构虽然看似简单，然而其工作原理却涉及力学、电磁学、振动、声学及传热等多个物理领域，因此，针对扬声器的数值仿真分析是一个涉及了多个物理场的耦合问题。

扬声器声波的传递过程。图片由浙江中科电声研发中心提供。

中科电声的研发团队通过使用 COMSOL® 软件对扬声器进行多物理场耦合分析，不仅得到了扬声器声压级和阻抗，还得到了有关磁路、振动系统和声场的所有物理特性，进而建立起了针对整个扬声器系统特性的仿真分析方法。

Svante Littmarck（左）为来自浙江中科电声研发中心的资深工程师陆晓（右）颁发奖状和奖杯。

《基于 COMSOL 的电磁超声数值模拟在无损检测中的应用》

本届年会的第三个最佳海报奖授予了来自中国科学院电工研究所和河北工业大学的联合研究团队，表彰他们在海报作品《基于 COMSOL 的电磁超声数值模拟在无损检测中的应用》中有关无损检测的研究成果。

研究团队针对非铁磁金属板的缺陷检测问题，建立了超声发射、电磁超声换能器接收的有限元模型，对被测体缺陷位置不同时线圈接收到的仿真信号进行分析。由于在固体介质中，纵波声速最大，横波声速较小，表面波声速最低。

离声源点最远的为纵波，其次为横波，最后为表面波，根据不同类型声波速度传播的差异，便可判断出缺陷的位置。从图中能够明显区分出纵波、横波和表面波。

t = 1.58 µs 时表面波位移云图。图片由中国科学院电工研究所提供。

随后研究团队根据各波峰的时间和接收点间距计算出了波速，并将其与理论速度进行了对比，验证了该检测方法的可行性。

明年上海再见

如果您已经准备好展示您的仿真作品，我们相信 COMSOL 用户年会是最佳的展示平台，或许明年获得最佳海报奖的将会是您的作品。COMSOL 用户年会 2018 上海站将于 2018 年 11月1—2日在上海举办，年会征稿即将开始。

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