2020 年 4 月 22 日是第 50 个世界地球日。本文我们整理了 8 个仿真案例，展示多物理场仿真如何帮助保护环境，让地球变得更加可持续发展。文章重点介绍了仿真在电动汽车、节能烤箱、生物燃料等生产中的重要性。
1. 设计电动汽车零部件
近年来，您可能已经注意到，电动汽车的充电桩数量正在激增——几乎每个停车场都有充电桩。随着电动汽车有望超越传统内燃机汽车成为人们首选的交通方式，这一趋势会继续增长。消费者对环境的关注度也在逐渐增加，他们希望购买有助于减少空气污染的车辆。
大众汽车是推动电动汽车发展的公司之一，其位于德国的卡塞尔工厂专门从事电动汽车的设计和生产。大众汽车使用 COMSOL Multiphysics® 软件分析了转子叠片的强度，转子是所有电动机中必不可少的关键部件。该团队还在整个组织内构建和分发仿真 App，用于：
- 自动化转子的测试过程
- 提高产品质量
- 帮助更快地开发商用电动汽车
转子的标准化应力结果。
点击此处阅读全文：“仿真 App 加速电动汽车电机的开发”
2. 保护湖泊水环境
全球的湖泊是地球淡水资源的一个重要组成部分。无论炎热或寒冷的环境，都存在这些水体。湖泊还是成千上万野生动物的家园，包括鱼类、乌龟、青蛙和短吻鳄鱼。
每年这些宁静的水域环境都是倍受人们欢迎的度假胜地。人类活动的增加导致湖泊中的含氧量降低，而缺氧的水中通常含有较高水平的有毒物质。处理湖泊和水坝中被污染水的一种环保的方法，是向水中注入充满氧气的微气泡。
一位来自立命馆大学（Ritsumeikan University）的研究人员借助仿真研究了将微气泡注入日本 Sounoseki 大坝的最优并且成本最低的方案。在找到解决方案之前，他们需要预测影响大坝行为的不同环境因素，包括：
- 水流
- 温度
- 化学反应
- 扩散作用
- 风
研究人员使用 COMSOL Multiphysics 确定了将微气泡引入大坝的位置、深度和速度。
模拟水库中的微气泡。图片由 Shuya Yoshioka 博士提供。
点击此处阅读全文：“湖泊水环境修复”
3. 提高建筑物的能源效率
加热和冷却系统
世界上很大一部分能源消耗来自建筑物的供暖和制冷。吸附式加热和冷却系统是加热和冷却建筑物时帮助节约能源的一种方法。该系统由热量而不是电力驱动。吸附式气候控制系统可以减少电力使用和相关的 CO2 排放。然而，开发这些系统具有挑战性，因为它们具有：
- 不连续的运行周期
- 变化的峰值能量通量
- 动态行为，由复杂的耦合传热传质现象决定
Fraunhofer ISE 的研究人员使用数值仿真和实验来分析和优化这些吸附式系统的热交换器设计。研究人员使用 COMSOL Multiphysics 对流过固体的水蒸气和热传递进行模拟，从而优化了交换器的几何结构。
模拟结果显示了空气、管道和电线（左）中的速度流线和温度分布以及空气中的速度大小（右）。版权所有 © Fraunhofer ISE。
点击此处阅读完整的用户案例：“制热与冷却建筑物的更好方法”
门窗系统
门窗或建筑物围护结构中的任何开口，涉及窗户、门和天窗的安装。门窗非常重要，它有助于提高居住者的舒适度，增强建筑物的整体美感，并提供了进出建筑物的场所。门窗系统的组件，例如框架、玻璃和遮阳附件，甚至可以提高建筑物的能源效率。例如，这些组件可以帮助控制阳光和热量的增加，从而有助于减少建筑物中对供暖、制冷和人造光的需求。
Eurac 研究中心的科学家使用传热和流体流动仿真来帮助优化门窗系统设计。研究人员发现 COMSOL Multiphysics 是分析通过复杂门窗系统热流的准确且有用的工具。他们对门窗系统的研究有助于提高建筑物的能源效率，以及居住者的视觉和热舒适度。
CFD 结果显示了对流如何影响标准门窗系统（左）和复杂门窗系统（右）中窗户的温度。
点击此处阅读全文：“提高能源效率的复杂门窗系统”
4. 保护核废料储存设施
核废料会对地球上的生命造成危害。高水平的核废料暴露尤其危险，因为它可能导致出生缺陷、癌症甚至死亡。放射性废物的危害可以持续数千年，这就是为什么必须安全储存核废料。核废料储存设施通常将这种危险材料封闭在用混凝土包裹的紧密钢桶中。然而，这些钢桶不可避免地会被腐蚀，因此保护这些设施免受腐蚀非常重要。
Sogin S.p.A. 是一家意大利公司，其主要业务是管理核退役和放射性废物，它们借助仿真来设计节能除湿系统。该系统用于防止低放射性废物储存桶的腐蚀。该公司使用 COMSOL Multiphysics 软件及其附加的传热模块设计开发了两种除湿机，用于
- 减少停滞的气穴
- 使设备以最高效率运行
- 帮助降低筒腐蚀的风险
模拟结果显示存储区域的气流速度。
点击此处阅读全文：“与核废料储存设施中的腐蚀作斗争”
5. 减少食品行业的能源消耗
食品运输车辆
在全球范围内，食品行业是五大能源消耗行业之一，其能源消耗占温室气体排放量的 37%。食品运输车辆，如冷藏卡车拖车是食品行业不断增长的能源消耗的主要因素之一。冷藏车的能效通常较低，并且依赖于传统的柴油发动机驱动的制冷装置。最大程度地减少食品运输对环境的影响的一种方法是，设计使用清洁能源技术运行的冷藏系统。
Sunwell 公司是全球领先的食品保鲜和冷却先进技术供应商，它开发了使用 Deepchill™ 热电池运行的制冷系统。Deepchill™ 热电池是一种可充电且比传统方法更环保的方法。为了帮助他们优化热电池设计，Sunwell 公司与麻省大学达特茅斯分校（University of Massachusetts Dartmouth）的计算多相流小组进行了合作。
计算多相流小组使用多物理场仿真帮助 Sunwell 公司完成了涉及热电池技术的实验工作。该小组使用 COMSOL Multiphysics 对制冷系统中的传热和流体动力学进行了模拟。在他们的模型可以研究：
- 特定的设计标准
- 特定领域的平均和最高温度
- 绝缘性能和自然对流
使用 Deepchill™ 热电池冷却制冷装置期间的自然对流和温度分布。
点击此处阅读全文：“制冷系统的集群仿真”
高能效的烤箱
烘焙饼干必需使用的是什么？一些支架，以及消耗大量的能量？如果你猜出是传统烤箱，恭喜你答对了！这种厨房用具仅10%-12%的输入功率被用来加热食物。幸运的是，我们还可以选择越来越多能效更高的烤箱。
世界上最大的家电制造商惠而浦（Whirlpool Corporation）是一家致力于提高家用烤箱能效的公司。Whirlpool 的研发人员通过研究以下传热过程来研究烤箱的能耗：
- 对流
- 传导
- 辐射
研发人员使用 COMSOL Multiphysics 能够观察到家用烤箱内部发生的传热过程，并测试提高烤箱设计能效的新策略。
Whirlpool 的 Minerva 烤箱模型显示了烤箱表面的预测温度分布。
点击此处阅读全文：“惠而浦公司利用仿真改进热量和能量利用效率”
6. 加速生物燃料生产
化石燃料的潜在替代品是一种可再生能源：生物燃料。这种可再生能源产生的污染较少，同时还能为建筑物供暖、发电和为运输业提供燃料。由植物基材料（也称为生物质）生产的生物燃料的特点是：
- 可再生
- 清洁燃烧
- 碳中和
然而，生物燃料的广泛使用因其复杂的生产过程等因素而部分停止。为了加速生物燃料的生产过程，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员转向了多物理场仿真。通过仿真，研究人员能够分析热解——一种用于将生物质颗粒转化为液体生物燃料的热化学过程。
NREL 的主要工作包括研究生物质颗粒的大小、形状和内部微观结构。研究人员使用 COMSOL Multiphysics 创建了一个模型来表示生物质颗粒的内部微观结构，从而深入了解生物质中的传热和传质。
包含周围流体域的硬木生物质颗粒的模型几何结构(左)。共轭传热瞬态模拟的温度分布(右)。
点击此处阅读全文：“将生物燃料变为低成本的可再生能源”
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