强化传递的空气电极层级结构 - Comsol
COMSOL强化课程训练
沿线计算积分，将结果投影到面或边
在域、边界、边或点上进行积分、平均、 最大/小值计算，得到全局的标量结果
自助练习：耦合变量 & 函数
模拟一个旋转的硅晶圆 一束激光在表面扫过，加热晶圆 使用函数来定义激光的运动 使用平均、最小/大耦合算子来计算结果
使用广义拉伸来分解模型
案例库：Structural Mechanics Module/Tutorial Models/rim_submodel
内壁
出口
边界层四边形网格 内部三角形网格
演示：自适应网格
不一定好
基于函数的自适应网格
1) 定义沿圆角的积分耦 合算子 2) 使用基于函数的网格 细化更加精确地预测 沿边界的应力分布
用户控制的网格剖分
动手练习
当已知解沿着一定方向变化缓慢（或很快）时， 尽量使用扫掠网格或边界层网格
加热器上的热应力
使用函数
• • • • 解析函数，可以包含周期性定义 内插/图像/高程从文件读取 逐节在不同的取值范围使用不同的函数表达式 高斯脉冲、斜坡、矩形阶跃、三角波、波形等用来设定各种预定义 函数
– 平滑用来将突变的尖角进行平滑过渡的圆角化 – 在瞬态模拟使用可以有效地避免过冲
探针监测瞬态、参数扫描和频域的求解过程
布尔运算：
并集 交集 差集 分割
其他一些有用的概念
• 删除可以删除对象中的域、边界或边
两个矩形对象
通过并集，保留内部 边界产生三个域
删除其中两条内部 边界
得到两个域
• 转换成实体可以通过封闭空间构建域
四条线
一个域
四个矩形，中间有 封闭空间
生成一个新域
让我们来练习一下…
其中一种解决方案…
一种基于COMSOL分子流仿真的电子源电极结构设计
0 引言电子源即可以获得电子束的装置。
电子源诸多重要应用领域，如高压整流管，X 射线源，显示器，高温电子设备等等。
电子源按照电子获得方式分为四类：热电子发射、光电子发射、二次电子发射、场致电子发射[1]。
早期电子器件中的电子源多采用热电子发射的方式，把物体加热到足够高的温度，当阴极温度升高，阴极材料内部电子获得足够大的能量后，便克服功函数从阴极表面溢出，实现热电子发射。
但是热电子发射存在固有缺陷，一是，电子源需要加热以使电子获得足够的能量进入真空；二是，热阴极的最大电流密度的极限值比较低。
克服上述不足，可利用场致发射取代热电子发射，构造新型的冷阴极电子源。
所谓场发射，是指在物体表面施加强电场来抑制其表面势垒，使物体内的电子穿过表面势垒并溢出。
即利用外部电场来压抑阴极的表面势垒，使其势垒高度降低、宽度变窄，当其势垒宽体与电子波长相当时，由于电子的隧道效应，阴极内大量电子穿过阴极表面势垒逸出，即在真空中形成场致电子发射[2]。
场发射电子源作为新型电子源，具有发射电流密度大，单色幸好，稳定性好，零时间延迟的特点，在平板显示器、微波放大器、X 射线管、离子推进器等电子器件中有很好的应用前景，因此场发射电子源极具研究应用价值[3-4]。
但是场发射电子源对真空度有比较严格的要求，需要超高真空度，例如利用场发射电子源作Abstract:The degree of vacuum in a vacuum system is an important indicator of the performance of a vacuum system� In an electron source vacuum system, electron beam bombardment of the electrode structure causes outgassing, which may cause the degree of vacuum in the vacuum chamber to decrease, affecting the emission performance of the electron source�In this dissertation, the comsol molecular flow simulation was used to design the structure of the gate electrode in the vacuum system of the electron source so that the electron emission was minimized when the electron beam was bombarded� In this paper, three-dimensional molecular flow modeling was performed on the four types of control electrode (V-shape, one-line shape, cone-shaped electrode, and one-line updraft), and the pressures at the electron source after the different control electrode structures exited were calculated and normalized� The data simulation results show that the normalized pressure near electron source of the one-line structure is stronger than the normalized pressure value of cone-shapedstructure, followed by the normalized pressure value of the upper one-shaped structure, and the normalized pressure nearelectron sourceof the V-shaped structure has the minimum value� The conclusion can be obtained is that, compared to changing the structure of the control electrode (a fontstructure becomes a cone or a V-shapestructure), the effect of the distance between Lead-out electrodeand the control electrode on the effect of gas outlet is more obvious� The preliminary results of this study can provide a reference for the structural design of vacuum systems such as electron sources�Key words :Vacuum;comsol molecular flow simulation; vacuum system;gas outlet;electrode基金项目：本研究受到国家自然科学基金青年基金项目的资助，项目编号：51505440。
基于comsol的仿真实验
一、实验目的熟悉掌握COMSOL Multiphysics软件，通过3D有限元建模方法，建立铂电极-玻璃体-视网膜的分层电刺激模型。
深入研究电极如何影响电刺激效果，系统的分析了电极尺寸、电极到视网膜表面的距离等参数对视网膜电刺激的影响，为视网膜视觉假体刺激电极的刺激效果提供指导意义，进一步优化电刺激效果，达到提高人工视觉的修复效果。
二、实验仪器设备计算机，COMSOL Multiphysics软件三、实验原理影响视网膜电刺激效果的因素有许多：电极尺寸、电极距视网膜距离、电极形状、电极排列等，这里主要从电极尺寸，电极距视网膜距离来探讨。
视网膜电刺激模型通过参考视网膜解剖结构构建，电刺激的有效响应区域取决于神经节细胞层（GCL）电场强度是否大于1000V/m，当大于该值时认为该区域神经节细胞能够兴奋，进而指导电极尺寸、电极距视网膜距离的参数。
四、实验内容根据视网膜的解剖结构来构建相应的视网膜分层模型，模型总共分为8层：玻璃体层，神经节细胞层，内网状层，内核层，外网状层，外核层，视网膜下区域，色素上皮层，脉络膜及巩膜。
根据视网膜各层的导电特性来设定相应的导电率，模型构建，设置边界条件。
在电极处施加相应电流刺激，规定神经节细胞层（GCL）电场强度（>1000V/m）时认为能够引起视神经细胞兴奋，在确定的电流强度下，神经节细胞层（GCL）层电场强度大于1000V/m的区域认为有效响应区域，进而判断电极刺激的有效响应区域，指导电极尺寸r和电极距视网膜距离h等参数设置。
其具体实验步骤如下所示：1、根据视网膜的解剖特性构建视网膜分层模型。
模型在三维模式下电磁场子目录下的传导介质DC场下建立。
进入建模窗口后，在绘图栏下设置模型为圆柱体，输入各部分的长宽高数值，轴基准点为圆柱体的圆心坐标。
模型分为9层（11个求解域），其示图如下：图1 视网膜分层模型2、模型建好后，在菜单栏下的物理量里面选择求解域设定，对示图的11个求解域进行设定传导率，如图2所示，其中每一层的电导率情况参考于视网膜导电特性。
COMSOL工程应用系列手册-多物理场仿真在电子设备热管理中的应用说明书
COMSOL APPLICATION NOTES | 1COMSOL 工程应用系列手册多物理场仿真在电子设备热管理中的应用多物理场仿真在电子设备热管理中的应用目 录简介 3工程目标 4电子设备的热管理 4传热的应用领域 4传热机理 5数值仿真 6电子设计中的数值仿真 6传热建模的物理场接口 7单物理场接口 8多物理场接口 9扩展接口 10建模案例 10平板上方的非等温湍流 10圆管中的非等温层流 11一种热光型硅光子开关的优化 11平板热管的传热与流体动力学 12大型强子对撞机中的超导磁体 12植入式医疗设备的温度适应性 13仿真 App 案例 14使用仿真 App 进行传热与流体动力学教学 14使用仿真 App 模拟定制化电容器 15使用仿真 App 比较石墨箔传热性能 16结语 17参考文献 18更多资源 19© 版权所有 2019 COMSOL。
《多物理场仿真在电子设备热管理中的应用》由 COMSOL,公司及其关联公司发布。
COMSOL、COMSOL 徽标、COMSOL Multiphysics、COMSOL Desktop、COMSOL Server 和 LiveLink 均为 COMSOL AB 公司的注册商标。
所有其他商标均为其各自所有者的财产， COMSOL AB 公司及其子公司和产品与上述非 COMSOL 商标所有者无关，亦不由其担保、赞助或支持。
相关商标所有者的列表请参见 /trademarks。
2 | COMSOL 工程应用系列手册COMSOL 工程应用系列手册 | 3简介简 介通常，在设计电子设备时，需要充分考虑热管理因素。
随着设备性能的提升和市场竞争的加剧，为了实现可靠性更高、能耗和成本更低、安全性更强以及用户体验更好的设计目标，越来越多的研究人员开始使用数值仿真技术进行设计工作。
本手册介绍的仿真案例涉及多种系统，这些系统各不相同，但均有电流存在。
在这些案例以及大多数工程应用案例中，对系统中引起温度变化的传热机制和因素进行研究，可以帮助工程师更好地理解设计对产品性能产生的影响。
锂离子电池教程-COMSOL中国
锂离子电池教程下面介绍锂离子电池二维模型。
电池的几何可以是一个实验电池的一小部分，本节只演示如何建立二维模型。
实际的二维几何结构请参见绕带式锂离子电池的边效应案例，可以在电池和燃料电池App 库中找到。
模型定义下图显示了电池的几何结构。
由于沿着电池高度方向的对称性，因此三维几何可以使用二维横截面进行建模。
图中显示了正极和负极的位置，以及在放电过程中正负极集流体接触的位置。
在放电过程中，负集流体与电池外部的面接触(红色面，中下图)，而正集流体则位于该折叠结构的内部(蓝色面，中上图)。
建模的二维横截面以绿色显正极电解质负极 横截面负集流体 （放电）正集流体（放电）示(右图)。
下图显示二维电池几何结构。
放电过程中，正极为阴极，而与之接触的金属作为负集流体。
负极为阳极，与之接触的金属则作为正集流体。
模型定义并求解了锂离子电池中的电流和物质守恒。
使用粒子半径作为第四个因变量（x 、y 和 t 是其他三个变量)求解正极和负极的颗粒中的锂嵌入。
反应动力学和嵌入耦合到颗粒表面的质量守恒和电流守恒。
模型方程可以在电池和燃料电池用户指南 中找到。
本模型最初为加州大学伯克利分校的John Newman 及其合作者建立的一维仿真。
结果与讨论二维仿真的目的是表征在电极的不同位置放电深度的分布，以及放电深度随时间的演化。
放电深度的分布与正负集流体、电极与电解质的厚度，以及电极反应和传递属性等相关。
下图显示了正集流体经过200 A/m 2放电120 s 以后，电极中的颗粒表面上的锂浓度。
正极上的高浓度与电极上这些部分的局部放电深度成正比。
相反，负极上低浓度锂与电极局部放电深度成正比。
图中还显示了在相对正集流体的电极背面区域，放电过程中利用率较少。
不过，随着放电过程的延续，这些部分也负集流体正集流体正极负极1.3 mm会参与放电。
然而，对于电池的重复循环过程(充电和放电)，如果在循环使用过程中电极仅以中等程度放电，则电极的不同部分会发生非均匀老化。
COMSOL Multiphysics CFD模块介绍
COMSOL Multiphysics CFD模块介绍
计算流体力学(CFD)模块是COMSOL产品套件中对于复杂流体模拟的首选工具。
利用先进的湍流模型我们可以仿真可压缩流体和不可压缩流体的自然对流或强迫对流。
CFD模块的一个重要特性便是它能够精确地模拟多物理场流，比如非等温流的共轭热传，流构耦合，伴有粘性加热的非牛顿流，和粘度伴随浓度变化的流体。
多孔介质流接口能够实现各向同性，各向异性介质，以及自动结合自由流和多孔区域的模拟。
此外还可以实现对搅拌容器的旋转构件的二维和三维流体模拟。
针对均质两相流的模块接口包括了一个由细悬浮颗粒流和宏观尺寸气泡流的泡状流组成的混合模型。
对于跟踪两相流界面，我们提供了水平集和相场两种解决方法。
CFD模块中有针对先进传输和反应流体模拟提供了结合化学反应工程模块时自动扩展的工具。
对于流构耦合，可以利用结合结构力学模块和CFD模块来解决弹性固液耦合，以及流润滑和流体弹性力学。
应用领域：
•共轭传热
•旋风分离器,过滤器和分离装置
•电子冷却
•风扇，格栅和泵
•车辆和结构的外部绕流
•管道，阀门，接口和喷嘴内的流体
•流化床和喷剂
•流构耦合(FSI)
•气泡流
•热交换和散热凸缘
•润滑和流体弹性力学
•医药/生物物理应用，如血管血流问题
•混合器和搅拌容器
•非等温流
•非牛顿流
•聚合物流和粘弹性流
•多孔介质流
•沉淀，乳液和悬浮液
•湍流。
COMSOL_CFD_流体分析技术介绍
Advantages
Disadvantages
•
Low Re k-e turbulence model
– Equations are modified to damp turbulent viscosity close to the wall – Solves for flow right up to the wall; all layers resolved
Simulating inspires innovation
流固耦合（FSI）
• 流体流动与固体力学耦合分析 – 支持层流和湍流 – 精确分析边界应力 – 全耦合FSI分析（大变形） – 单向耦合FSI
2013年5月14日流固耦合专题Webinar 仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
• 有限体积法（FVM）
– – – – 继承了FEM离散格式丰富的优点 比有限元简单的多 守恒性好 被大多CFD商软所采用
应用于COMSOL的 等离子体模块和半导体模块(V4.3b)
我们将在未来的版本中将FVM拓展至CFD模块
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
反应流分析
• 多组分溶质运移 – Fickean和混合物平均公式 – 可考虑电场作用下极化物质的 迁移 – 支持自由流动或者多孔介质中 的物质运移 – 支持湍流混合
• 流体的密度和粘度可与组份浓度 分布相关
Turbulent reacting flow in a multi-jet reactor in a polymerization process.
COMSOL软件在流体、结构、传热等多物理场耦合领域的应用.docx
Subsurface Flow Module基于地下水流动分析地球物理现象2 000 years在建的核废料储存库,用于在接下来的10万年内储存乏燃料棒。
该模型模拟的情形是: 燃料束套筒发生破裂,导致核废料通过周闌的岩石裂隙发生渗漏,并回充到上方的隧道中。
饱和与变饱和渗流地卜水流动模块面向需要仿真地卞或其他多孔介质中的流体流动的工程师和科学家们，并且还可以将这种流动过程与其他现象建立联系，例如多孔弹性、传热、化学反应和电磁场等。
它可以用于模拟地下水流动、废料与污染物在土壤中的扩散、油与气体的流动，以及由于地下水开采而引发的土地沉陷等现彖。
地下水流动模块可以模拟管道流、饱和与变饱和多孔介质或裂隙中的地下水，并可与传质、传热、地球化学反应和多孔弹性等模型相耦合。
许多不同的行业需要面对岩土物理和水力领域的挑战。
民事、采矿、石油、农业、化工、核能和坏境工程等领域的工程师经常需要考虑这些现象，因为他们从事的行业会直接或间接（通过环境因素）影响我们生存的地球环境。
地下水渗流影响许多地球物理属性地卜•水流动模块内包含了许多专用的接11,用于模拟地卞环境中的流动及其他现彖。
作为物理接II,它们可以与地下水流动模块内的其他任意物理接11组合并直接耦合，或与COMSOL模块套件中任何其他模块的物理接II组合并直接耦合。
例如，地下水流动模块的多孔弹性模型与左土力学模块中的描述土壤和岩石的非线性固体力学模型相耦合。
融合地球化学反应速率和动力场COMSOL使您可以在地卞水流动模块物理接I I中的编辑区域内灵活地输入任意公式，这对于在质量传递接II中定义地球化学反应速率和动力场非常有用。
但是，将这些物理接II 与化学反应工程模块耦合将意味着,您可以通过该模块易用的物理接II定义化学反应，模拟多个多物质反应。
对于模拟核废料数T•年间在其储存库中的扩散及多步反应过程，这两种模块的组合会很有用。
更多图片Time =86400 Surfge■: Effecth/e saturation (1) Contour: Pressure heotf (m> 0O1 -0.2 0304 0506 0.708 09•1•1.14.2•1.3095690-85.0.80-7 &0.7▼ 0.6843地下水流动的仿真物理接口地下水流动模块用于仿真多孔介质流动及其相关过程：多孔介质流动地卜水流动模块的核心功能是模拟变饱和与完全饱和多孔介质中的流动。
COMOSOL声学模块简介
控制方程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 数值方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 长度和时间尺度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 边界条件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 弹性波 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 损耗模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 几何声学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 示例：吸波消音器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 模型定义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 域方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 边界条件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 结果和讨论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 App 库中的其他示例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 高斯爆炸波 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 消声器的特征模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 压电声学换能器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 倒相孔音响中的扬声器驱动单元. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Brüel & Kjær 4134 电容式麦克风 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
等离子体技术专家——COMSOL Multiphysics平台
等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在於宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。
等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。
现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域。
例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。
更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。
高温等离子体只有在温度足够高时发生的。
太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99％。
低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。
低温等离子体体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。
等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。
其实，人们对等离子体现象并不生疏。
在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。
对于整个宇宙来讲，几乎99．9％以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。
用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。
分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。
在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。
普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。
等离子体主要用于以下四方面：1、等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。
COMSOL使用技巧_V1.0_2013-02
COMSOL 使用技巧中仿科技公司CnTech Co.,Ltd目录一、1.11.21.31.41.51.6二、2.12.22.32.4三、3.13.23.33.43.5四、4.14.24.34.44.5五、5.15.25.3六、6.16.26.36.46.5七、几何建模................................................................................................................................. - 1 -组合体和装配体................................................................................................................. - 1 -隐藏部分几何..................................................................................................................... - 2 -工作面................................................................................................................................. - 3 -修整导入的几何结构......................................................................................................... - 4 -端盖面............................................................................................................................... - 11 -虚拟几何........................................................................................................................... - 12 -网格剖分............................................................................................................................... - 14 -交互式网格剖分............................................................................................................... - 14 -角细化............................................................................................................................... - 16 -自适应网格....................................................................................................................... - 16 -自动重新剖分网格........................................................................................................... - 18 -模型设定............................................................................................................................... - 19 -循序渐进地建模............................................................................................................... - 19 -开启物理符号................................................................................................................... - 19 -利用装配体....................................................................................................................... - 21 -调整方程形式................................................................................................................... - 22 -修改底层方程................................................................................................................... - 23 -求解器设定........................................................................................................................... - 25 -调整非线性求解器........................................................................................................... - 25 -确定瞬态求解的步长....................................................................................................... - 26 -停止条件........................................................................................................................... - 27 -边求解边绘图................................................................................................................... - 28 -绘制探针图....................................................................................................................... - 29 -弱约束的应用技巧............................................................................................................... - 31 -一个边界上多个约束....................................................................................................... - 31 -约束总量不变................................................................................................................... - 32 -自定义本构方程............................................................................................................... - 34 -后处理技巧........................................................................................................................... - 36 -组合图形........................................................................................................................... - 36 -显示内部结果................................................................................................................... - 37 -绘制变形图....................................................................................................................... - 38 -数据集组合....................................................................................................................... - 39 -导出数据........................................................................................................................... - 39 -函数使用技巧....................................................................................................................... - 43 -7.17.27.37.4八、8.18.2九、9.19.2十、10.110.210.310.4十一、11.111.211.311.411.511.6随机函数........................................................................................................................... - 43 -周期性函数....................................................................................................................... - 44 -高程函数........................................................................................................................... - 45 -内插函数........................................................................................................................... - 46 -耦合变量的使用技巧........................................................................................................... - 48 -积分耦合变量................................................................................................................... - 48 -拉伸耦合变量................................................................................................................... - 49 -ODE 的使用技巧................................................................................................................... - 50 -模拟不可逆形态变化....................................................................................................... - 50 -反向工程约束................................................................................................................... - 51 -MATLAB 实时链接................................................................................................................ - 52 -同时打开两种程序GUI................................................................................................. - 52 -在COMSOL 中使用MATLAB 脚本................................................................................ - 52 -在MATLAB 中编写GUI ................................................................................................. - 53 -常用脚本指令................................................................................................................ - 54 -其他................................................................................................................................... - 56 -局部坐标系.................................................................................................................... - 56 -应力集中问题................................................................................................................ - 56 -灵活应用案例库............................................................................................................ - 57 -经常看看在线帮助........................................................................................................ - 57 -临时文件........................................................................................................................ - 58 -物理场开发器................................................................................................................ - 59 -一、几何建模COMSOL Multiphysics 提供丰富的工具，供用户在图形化界面中构建自己的几何模型，例如1D 中通过点、线，2D 中可以通过点、线、矩形、圆/椭圆、贝塞尔曲线等，3D 中通过球/椭球、立方体、台、点、线等构建几何结构，另外，通过镜像、复制、移动、比例缩放等工具对几何对象进行高级操作，还可以通过布尔运算方式进行几何结构之间的切割、粘合等操作。
comsolMEA参数
MEA结构尺寸长、宽、高； 阴阳极电势约定阳极为接地，阴极电势为电池电压。
阳极电极电势与电解质电势均为0V 。
阴极电极电势为电池电压V_cell ，电解质电势为0V 。
电导率（如何考虑接触电阻）膜电导率11(0.51930.326)exp 1268303.15σλ⎛⎫⎛⎫=--⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭m T其中，λ为膜内水含量，受水活度a 的影响：()230.04317.1839.8536.00114 1.411316.83a a a a a a a λ⎧+-+<≤⎪=+-<≤⎨⎪>⎩__2____```====22H O i iH O i i H O i i sat isat isat ic RT x p p a p p p其中，i 表示阴阳极，2H Oi c 为水的浓度，单位为mol/m 3，2H Oi x 为水的摩尔分数；_sat i p 为水蒸气的饱和压力，该压力与温度有关，单位为Pa ，通过经验式计算：()()()232572.194 2.95310273.159.183710273.15 1.445410273.1510132510T T T sat p ----+⨯--⨯-+⨯-=⨯由于膜内水含量不同导致膜内各部位电导率不同。
电渗拖曳水由于Nafion 中的电导率依赖水含量，所以知道Nafion 膜内水含量如何变化很关键。
Nafion 膜内水含量的变化由于以下几个因素：（1）电拖曳作用；（2）反扩散作用；（3）对流作用。
其中最重要的是穿过Nafion 空隙的质子会拖曳一个或多个水分子。
这个现象被称为电渗拖曳。
质子移动影像水移动的成都利用电渗拖曳系数（drag n ）来衡量，它定义为伴随每个质子而移动的水分子的数目（2/drag n nH O H +=）。
显然，每个质子拖曳多少水取决于Nafion 膜中存在有多少水。
实验测量得到在完全水和的Nafion 中（当22λ=）drag n 为2.50.2±（在30℃和50℃之间）。
空气电极结构
空气电极结构随着能源危机的日益严重，人们对新能源的需求越来越迫切。
太阳能、风能、水能等已经成为了研究的热点，而其中最为重要的一种新能源就是燃料电池。
燃料电池可以将氢气、甲烷等燃料与空气反应，产生电能，同时排放的是水和二氧化碳，是一种非常环保的能源。
而在燃料电池中，空气电极结构的设计是至关重要的。
空气电极结构是燃料电池中的一个重要组成部分，它的作用是将空气中的氧气与燃料反应，产生电能。
空气电极结构通常由三部分组成：电极催化剂层、电极承载层和电极导电层。
这三个部分的设计和制备对于燃料电池的性能有着至关重要的影响。
电极催化剂层是空气电极结构中最为重要的部分。
它的作用是将氧气分子分解成氧离子，并促进氧离子与燃料之间的反应。
为了提高电极催化剂层的催化活性，研究人员通常采用贵金属催化剂，如铂、钯、铑等。
这些贵金属催化剂具有高的催化活性和稳定性，但是制备成本较高，限制了燃料电池的商业化应用。
因此，研究人员正在寻找替代催化剂，如非贵金属催化剂、过渡金属催化剂等，以降低制备成本。
电极承载层是空气电极结构中的第二个部分。
它的作用是支撑电极催化剂层，同时提供通道，使氧气能够流过电极催化剂层并与燃料反应。
为了提高电极承载层的导电性和气体通透性，研究人员通常采用多孔材料制备电极承载层，如碳纤维、碳黑、氧化铝等。
这些多孔材料具有良好的导电性和气体通透性，同时具有较高的比表面积，有利于催化剂的承载和反应。
电极导电层是空气电极结构中的第三个部分。
它的作用是将电流从电极催化剂层传输到电池的外部电路中。
为了提高电极导电层的导电性和稳定性，研究人员通常采用碳材料制备电极导电层，如碳纤维布、碳纳米管等。
这些碳材料具有良好的导电性和稳定性，同时具有良好的化学稳定性和机械强度，有利于电极结构的稳定运行。
总之，空气电极结构的设计和制备是燃料电池研究的重点之一。
电极催化剂层、电极承载层和电极导电层的设计和制备对于燃料电池的性能有着至关重要的影响。
离子风效应的研究与应用综述
存在问题的相关研究，提出了解决方案并对其未来的发展前景 进行了展望。
1 离子风效应理论研究
随着离子风在除尘、强化散热、干燥控制及空气推进器等
领域的应用越来越广泛，如何充分发挥离子风性能成为科研工 作者们研究的热点。1899年，Warburg[2]提出“单针-板”电极结
构下，得到两个电极之间形成离子风时的电流密度分布经验公
2 离子风的应用和发展前景 离子风发生装置能将电能直接转换成空气的动能，无须机
械旋转部件，消除了机械振动噪声，便于构造灵活多变的电极 结构，适用于不同环境场合。目前，离子风的潜在应用十分广 泛，主要涉及设备散热、空气除尘和飞行器推进等方面。
近年来，许多学者对离子风在设备散热方面的应用进行了 研究。冯杰等[17]提出一种针-平行板电极的板式离子风发生器， 讨论了针的位置、板间距和板厚等参数对风速和对流换热系数 的影响；孔令剑等[18]利用COMSOL Multiphysics软件建立了基于 线-板电极结构离子风发生器的计算模型，对离子风发生器强化 通道内对流换热的能力开展了数值模拟研究；李小华等[19]设计 一种"线-网"式离子风散热器，研究了不同放电间隙、过电压、 线电极直径、线-线间距下散热器性能的变化；翁建华等[20]研究 了EHD离子风在电子产品散热装置中的应用，以此提高电子产 品的寿命和可靠性。
西安交通大学邱伟、郑程等[9-12]研究发现改变电极的参数 时，离子风的速度和方向会相应的发生变化，通过实验得到， 给电极施加16kV的直流电时，可以得到风速高达6.08m/s的离子 风；相同的电压下，电极曲率半径越小，得到的离子风风速越 高；同时，通过实验论证发现，相比于泊松方程，拉普拉斯方 程对等离子体的优化计算与实际更加符合准确；另外，他们发 现在电极附近的电离区内存在着高能量的电子。
COMSOL在微纳光学领域中的应用
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COMSOL Multiphysics
基于偏微分方程或常微分方程通过 有限元算法实现多场耦合
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Matlab PDE Toolbox 1.0 Femlab 1.0 ~ Femlab 3.1（2003年，v3.0具备独立求解器） COMSOL Multiphysics 3.2a (2005年) COMSOL Multiphysics 3.5a COMSOL Multiphysics v4.2a COMSOL Multiphysics 4.3a(现在)
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• 选择物理场 -告诉软件分析问题中包含哪些物理现象 • CAD绘图
-软件自带CAD绘图、导入CAD模型
建 模 流 程
• 指定分析条件 -指定材料、输入、输出选项 -指定边界条件 • 网格 -结构化或非结构化网格 • 求解
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COMSOL Multiphysics
模块简介
喷气发动机涡轮叶片温度场和应力分布
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AC/DC模块
AC/DC模块的功能涵盖了静电场、静磁场、 直流交流电磁，以及与其它物理场的无限制耦合。 • 电容器 • 电感器
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COMSOL Multiphysics等离子体模块
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当开始一个新模型时总是先使用氩！
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PLASMA MODULE
计算流体力学
CFD MODULE
CAD IMPORT MODULE
优化
OPTIMIZATION MODULE
材料库
MATERIAL LIBRARY
LIVELINK™ FOR MATLAB®
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为什么等离子体模拟困难？
• 等离子体模拟就像一个洋葱。它包含了一层又一 层的复杂物理：
物理动力学 电磁学 反应工程 流体力学 传热 表面化学
• 洋葱剥得越多 – 你就越想哭！
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COMSOL MULTIPHYSICS®
低频电磁场
COMOSOL声学模块简介
压力声学分支 ( ) 提供的接口中，声场通过压力 p 进行描述和求解。其中压 力 p 表示在环境压力上的声音变化，环境压力表示无流体流动时的压力。
这个物理场接口既可以用压力声学，频域接口 ( ) 求解 Helmholt接口 ( ) 用 来求解波导和管道中的传输模式 ( 给定频率时仅限有限波模式，且该模式能传 输较长距离 )。
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简介
声学模块由一系列物理场接口组成，用于模拟流体和固体中的声音传播。在声 学模块中，可用的物理场接口包括压力声学接口，声 - 固耦合接口 , 气动声学 接口，热粘性声学接口和几何声学接口。
图 1：一个消声器系统 COMSOL 模型中的声压级分布 。 使用声学模块可以很轻松地求解一些经典的声学问题，例如，声散射场、声衍 射、声激发、声辐射，以及声传输，等等。这些问题关系到消声器设计、扬声 器结构、吸声器和扩音器的隔声问题，声音方向性评价，例如指向性，噪声辐 射问题，等等。声固多物理场耦合可以模拟包含固体和流体产生的声固耦合作 用问题。例如，声固耦合模式可以应用于精确的消声器设计、超声压电换能 器、声呐技术、汽车制造行业的噪音和机械振动分析。利用 COMSOL Multiphysics 的强大功能，可以精确分析和设计诸如扬声器、传感器、麦克风 和助听器接收器等电声换能器。 在声学模块中，可以通过求解线性化势流方程，线性化欧拉方程或线性 Navier-Stokes 方程来实现气动声学的分析和模拟。这些接口都是用来模拟外部 流动和声场的单向耦合问题。主要应用领域包括喷气式引擎的噪音分析、流量 传感器，以及包含流动的消声器等。
版本：COMSOL 5.2a
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COMSOL官方实例解析
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外加声源
• 湍流
–K-eps使涡流变得模糊不清 => 不适合 –气动声学方程需要势流 –低Re模型使用LES或可能的偶极子源
• 白(粉、黑、机械…)噪声
–模拟为（可能随机）振幅vs.频率
• 点源、单极子、偶极子、线源…
–没问题
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声源
• 入射波辐射条件 –开边界问题 • 法向加速度 –已知结构振动 • 驱动力 –未知结构振动 • 背景声压 –远处声源
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无源 – 特征频率分析
• 无声源
COMSOL实例分析
中仿科技技术部
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模型定义
• 本模型使用波动方程（wave equation）描述声音在空气 中的传播情形： • 其中p表示压力，c是声音的速度。假如空气被简谐振动 的来源引起运动（例如喇叭），而仅仅只有一种频率可 在房间中存在。由此原因借由下式找寻时间谐波（timeharmonic）是有意义的。 • 波动方程此时以声音扰动的振幅p简 化为Helmholtz方程： • 本模型假设所有边界——墙、地板、 天花板以及家具都是完美刚体（硬声 场边界），相当于法向速率为0。
利用COMSOL对气体扩散层及燃料电池进行仿真模拟的研究进展
利用COMSOL对气体扩散层及燃料电池进行仿真模拟的研究
进展
李重超;赵浩轩;黄依可;黄良宇;郭大亮
【期刊名称】《中国造纸》
【年(卷),期】2024(43)2
【摘要】本文综述了利用COMSOL软件进行质子交换膜燃料电池相关结构仿真模拟的研究进展,分析基材层(碳纸层)和整个气体扩散层特性(几何参数、孔隙率等)及操作条件(压力等)对电池性能的影响,并且回顾了利用COMSOL仿真模拟在燃料电池运行条件(温度、电压等)、水管理、电池流场结构设计及性能优劣评估等方面的研究,以期为气体扩散层的结构设计和电池的性能优化提供参考。
【总页数】12页(P100-111)
【作者】李重超;赵浩轩;黄依可;黄良宇;郭大亮
【作者单位】浙江科技大学环境与资源学院
【正文语种】中文
【中图分类】TS7
【相关文献】
1.H2/空气质子交换膜燃料电池气体扩散层表面水滴行为的rVOF模拟研究
2.基于COMSOL的质子交换膜燃料电池梯度扩散层的数值模拟
3.一种新型流道对燃料电池气体扩散层除水性能的模拟研究
4.质子交换膜燃料电池气体扩散层制备过程材料表征和孔尺度模拟计算
5.燃料电池气体扩散层中微孔层用炭材料研究进展
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强化传递的空气电极层级结构
周川冀越1
1四川大学
Abstract
锂空电池中空气电极是阴极反应的重要场所，空气电极结构设计的好坏极大地影响了锂空气电池的能量效率、倍率性能和循环寿命。
为了强化氧气在空气电极中的传递过程，本文对一种层级结构空气电极进行研究：由泡沫铝制成的氧气分布板承载排列有序的碳纳米管阵列，氧气在阵列管中有规律传输、排布、反应。
经计算得模拟计算所需的阵列管规格为外径1200、1400、1600nm;管长35000、43000、49000nm。
然后绘制出9组数据的空气电极层级结构三维图纸，导入comsol multiphysics 5.2a中，运用多孔介质稀物质接口，定义材料后编译域和边界条件，完成网格划分后进行后处理，最终模拟出氧气在空气电极内部传递过程与达到稳态后的氧气分布结果。
接着用得到的数据在origin绘图软件上绘制二维与三维柱状图，比较九组数据，发现规格为内径1300nm ,管长35000nm ,长径比为21.88 时候的阵列管内氧气浓度最高，在距离氧气分布板10000nm 和20000nm 处分别检测到浓度为8.45mol/m3 和7.60mol/m3 ,此时氧气传递效果最佳。
以此得到了较好的阵列管规格数据。
本文研究的空气电极层级结构在强化氧气传输与阴极氧化产物处理方面有着丰富的创新。
此外本文运用comsol multiphysics 5.2a对这个模型进行数值模拟，为这个模型注入了新鲜的血液，并最终将模拟计算所得较好数据运用于实验室里锂空电池模具的制造。
Figures used in the abstract
Figure 1: 该模型采用“多孔介质稀物质传递”接口，对锂空电池有层级结构的空气电极上的氧气传Figure 1
递进行三维建模分析。
比较了在不同阵列管长径比下氧气传递的效果。