COMSOL Multiphysics 隆重发布新版本新模块新功能

COMSOL Multiphysics V42a隆重发布新版本新模块新功能

COMSOL Multiphysics V4.2a亮点简介

COMSOL Multiphysics在多物理场仿真模拟和分析领域已经建立了快速革新的的良好信誉。最新的4.2a版本在COMSOL Multiphysics旗舰产品成功史上添加了新的一笔。通过引入工程师和科学家们感兴趣的新功能，COMSOL正在创造一个在广度和深度无与伦比的集成分析平台。在4.2a版本中主要的创新点如下：

粒子追踪模块在CFD，电磁，声学和其他应用领域，追踪粒子和物理场之间的相互作用。 Creo? Parametric实时链接与PTC?公司最新的设计软件进行无缝双向的CAD集成。 更快速和高效的参数化扫描对于大量的参数化扫描控制内存的使用，并能够快速建立响应图。

导入数字高程图(DEM)导入拓扑表面数据，并结合到固体区域中，用于诸如流体，结构、或电磁等各种物理场的分析。 导入图像基于照相数据或者扫描数据，以材料查找表的形式导入2D图像。 交互式切片图和等值面图绘制面图和切片图时进行快速交互式定位。

磁勘探是一种铁矿勘探中常用的地质学勘探方法。这幅图片显示了根据导入的地形数据模拟所表征的地下几何结构。被动式磁勘探于精确的区域性磁异常图形。本案例求解铁矿在地磁场作用下产生地表和空中的磁异常图形。

粒子追踪模块

粒子追踪模块扩展了COMSOL Multiphysics在流场或电磁场中的轨迹计算功能，包括粒子与物理场之间的相互作用。所有模块都可以和粒子追踪模块进行无缝结合，可以引入驱动粒子运动的额外的建模工具和物理场。

质谱仪用来分离和鉴别中的不同物质，广泛应用于材料本例模拟计算了石英粒子通过一个静态混合器的工程和环境科学。本图显示在一个四极透镜中不同分子轨迹。由于粒子具有质量，只有一定数量的粒子能量的离子的运动轨迹。电场中同时包含直流和交流部分，到达出口，这可以通过后处理来得到，还可以计算这是实现质谱仪功能的要素。

传递属性。

Creo? Parametric实时链接

新增与Creo Parametric的实时链接，COMSOL Multiphysics能够与来自PTC的最新设计软件进行无缝集成。通过建立两个应用程序之间的链接，在CAD模型中一个特征的改变会自动更新COMSOL Multiphysics的几何形状，同时保留物理设置。Creo Parametric中指定的所有参数能够与模拟的几何进行相互作用，从而实现CAD的参数扫描和优化设计的多物理场仿真。Creo Parametric的实时链接包括CAD导入模块的所有功能，能够实现来自所有主流的CAD软件的文件导入和削除。

SolidWorks实时链接

模型库，动画和图象

COMSOL Multiphysics自带丰富的模型库，可以通过与Solidworks实时链接的统一窗口界面进入。并且可以生成动画与图像，并且一系列性能的改善使大模型的同步速度更快。

SolidWorks实时链接可以在统一工作窗口中生成动画和图象。

MATLAB实时链接

MATLAB实时链接

对MATLAB的实时链接模块进行了大量优化，提高了性能和内存处理，并增加了更新的功能，包括一个用于浏览COMSOL案例库的用户界面。

通过HTML和PDF格式的逐步操作指南，MATLAB实时链接的新教程帮助用户快速掌握MATLAB实时链接功能。

新教程

五个新案例库教程演示了如何有效地结合COMSOL Multiphysics和MATLAB脚本。这些模型显示MATLAB LiveLink的独特功能，如在MATLAB中提取数据，在嵌套的MATLAB for循环中运行模型，在MATLAB中使用以前的结果数据，并从COMSOL桌面调用外部MATLAB函数：

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启用和禁用求解域本案例是一个与时间相关的传热问题，通过启用和禁用求解域来模拟了交替变化的热源。

化学反应器中的同化反应本案例演示了在一个化学反应器模型中，如何模拟一个周期性的同化反应过程。在设定的时间内，同化作用去除了浓度梯度。

? 伪周期性的对流传热本案例模拟了在一个充满水的通道内的对流传热。为了减少内存开销，将通道假设为伪周期性结构，反复进行计算。每一次解对应于不同的通道段，并且在每一个求解步开始之前，前一步的出口温度被映射到当前入口处。

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热水瓶内的温度分布本案例模拟了盛有热咖啡的热水瓶内的温度分布，主要目的是展示如何用MATLAB函数定义材料属性和边界条件。

通过Solidworks实时链接进行几何参数化设计本案例展示了采用Solidworks和MATLAB的实时链接来实现几何参数化设计。MATLAB用来建立一个能改变几何参数的嵌套循环，然后利用与Solidworks的实时链接来更新几何。同样的建模机理适用于与AutoCAD，Creo Parametric，Pro/Engineer, Inventor和SpaceClaim的实时链接。

SpaceClaim实时链接

SpaceClaim?实时链接

在一个高度集成的环境中，与SpaceClaim的实时链接能够将直接建模和多物理场模拟融合，能够实现最理想的设计和促进CAD和CAE团队间的合作。

与SpaceClaim的实时链接允许用户能够直接从SpaceClaim里导入一个三维几何图形到COMSOL Multiphysics中。在COMSOL模型中同步的几何与SpaceClaim的几何保持关联，这意味着在几何上的设定，例如物理或者网格设定，在随后的同步中仍然被保留。实时链接界面是双向的，这样就可以让用户能够在COMSOL的模型中修改SpaceClaim中的几何。 最新版本提高了同步大型CAD模型的能力。

最新的SpaceClaim实时链接提高了同步大型CAD模型的能力。

CAD导入模块

CAD导入模块

现在Siemens PLM的Parasolid?几何内核是下列产品的缺省几何内核：CAD导入模块、AutoCAD实时链接、Inventor实时链接、Pro/ENGINEER实时链接、Creo Parametric实时链接、SolidWorks实时链接，以及SpaceClaim实时链接。

Parasolid内核能够实现更高级的几何操作，在COMSOL Multiphysics自身的几何建模环境下，允许创建和处理复杂的CAD模型。即使是在没有任何模块的情况下，用户仍然可以在COMSOL Multiphysics的环境中利用COMSOL的几何建模内核功能来创建自己的几何模型。

自动缩放功能可以在CAD建模中处理从微纳米器件到山河或者更大的尺度差异。

本结构模拟教程使用了子建模功能来精确解析轮毂中的应力分布，首先求解一个全局模型来得到位移，然后将结果用作发生应力分布的局部区域模型的边界条件。CAD导入模块和其他实时链接模块导入结构并进行修整。通过这些产品，几何由Siemens PLM的Parasolid内核来表征，还可以用于从草图中创建几何。从而可以处理复杂的几何对象。

几何与网格

插值曲线

2D的x,y或者3D的x,y,z的表数据可以创建插值函数。在用户定义的容差基础上，利用三次样条插值或逼近给定的点。数据可以从文件导入或者直接在插值曲线的设定窗口中输入。曲线可以是开放，闭合，或者转化为一个实体对象。此对象可以用在2D分析或者被拉伸，旋转，并组合实现3D对象。在3D中的插值曲线能够被用来作为几何参数化扫描的脊轴或者去引导和控制网格密度，或者进行后处理。

本截屏显示沿着一个从文件中导入x,y,z数据创建的插值函数进行几何扫掠得到的铜导线中的电阻计算结果。

剪切-粘贴几何对象

现在可以在模型树的几何节点中的不同几何对象之间进行剪切-粘贴操作，这可以避免产生重复创建复杂的几何对象的乏味的操作或序列指令，从而可以提高几何创建和参数化操作速度。

扩展扫掠式网格功能

扫掠网格现在可以被用在分离的表面。一个包含N部分的表面能够被扫掠到一个含有M部分的表面，N>=M。通常情况下，源面（被分为多个面）是对目标面的细化。 虚拟几何功能可用于向虚拟面进行网格的扫掠。

图示为包含五部分的源面向包含两个部分的目标面的扫掠式网格。这个新功能可以在不同分块的面之间生成六面体和棱柱形网格。

在2D和3D中都可以创建插值曲线，可以是开放、闭合以及自动转换成固体对象。这些对象可用于2D模拟，或者拉伸、旋转以及组合生成3D对象。

重用参数化几何对象

从另外一个模型文件中通过拷贝来插入一个几何序列到当前模型。在模型创建树的几何序列定义了几何对象和用于组合形成复合形状的操作序列。如果几何序列里涉及到函数或者参数，这些方程和函数也可以被插入到模型中。

扩展网格拷贝功能

扩展网格复制功能通过自动的刚性体转换可以从一个分块的面复制网格到另外一个相似的面。对于一些有高精度要求的周期性边界条件，例如结构分析中的循环对称，电磁波传导中的Floquet边界条件等，这个功能非常重要。新功能体现在复制域，复制面和复制边网格。

图示为将一个面三角形网格拷贝到对面。这种实体的面网格拷贝是得到周期性对称结构和电磁场Floquet边界的高精度结果的最佳手段。

3D工作面上的草图

在3D中的工作面上可以进行交互式的绘制2D图形，这样更容易进行几何对象定位。通过勾选3D工作面上绘图来启用这个功能，它要求显卡支持纹理渲染。缺省的仍然是2D工作面草图，但是可以通过改变选项来永久性的使用新功能。两个新的工具栏按钮提供工作面剪裁和利用工作面进行简单建模的工作面功能的中心定位。

数据导入

图像导入

用户可以使用图像数据来表征2D材料分布或通过不同的颜色或灰度来分辨不同的区域。这些图像可以是以下格式：扫描电镜图（SEM）、计算机断层照相（CT），或磁共振成像（MRI）。

图像导入的重要应用之一是容易计算高非均质或多孔介质的等效体积平均材料属性，包括电导率、介电常数、弹性或多孔性，还可以将空间分布值转换成单一的平均值。这些等效材料属性可用于模拟大型结构，无需详细的微尺度信息。这种方法有很多优点，例如避免经常遇到的图像片断和图像转换成几何的困难。还可以极大地简化网格，节省内存，以及节约计算时间，特别是当对不同图像进行相同类型的分析需要重复很多次的情况。

导入的图像在COMSOL中作为插值函数，可用于各种模拟的需求。还可以通过导入getg3D结构的多层图像来进行3D分析。

通过导入McKinley山的DEM数据生成的3D实体结构及其四面体网格。这样的几何可用于OMSOL Multiphysics中的各种物理场分析。

本图显示了通过灰度图导入生成的多孔结构，构建网格后计算了其中的流场。这样的网格可以快速完成，无需人机交互。本例还采用自适应网格提高计算精度。模拟结果的细节水平可以很轻松地通过加粗或细化网格来控制，从而在精度和速度的不同需求之间进行取舍。

导入数字高程图(DEM)

基于地理信息系统（GIS）的拓扑图数据可以通过新增的数字高程图插值函数导入，它直接支持美国地质勘探局（USGS）的DEM文件格式。导入的DEM面可以与其他面和实体组合成几何，并剖分网格。可以组合多个DEM面，相交、嵌入到其他几何对象，构建组合几何体。这个函数使用参数化面几何原型通过改变底层近似面的节点数来控制解析度。因此，可以先基于粗糙的DEM数据进行快速的计算，得到令人满意的结果后，再调整细节水平直到得到所需的精度。其优点在于精确控制内存用量和计算时间。

通过DEM导入创建的几何结构类属于COMSOL环境，与机械CAD的处理方法类似。这表明COMSOL Multiphysics的全部功能都可用于DEM结构表征，进行单场或多物理场模拟，例如地下水流动，电磁场，声学，以及结构力学等。

求解器

参数化扫描：累积探测表和响应面

参数化扫描可用于累积探测表，启用一个探针将多参数数据写入一个表中。例如，两个独立嵌套参数扫描的结果等。通过数据表，可以创建表图，绘制2D响应表，，结果随参数变化的1D图等。

新增的参数化扫描的节约内存的用户接口，可以更容易地跑大型参数化扫描，它用于在每个参数步中只需要保存少量的标量，而不是全部解的情况。

瞬态自适应和自动重剖分网格

提升了瞬态自适应和自动重剖分网格的功能，前者的算法可以在粗糙的网格中经过预解来预测网格细化程度。对于两相流模拟，这使得自适应的网格更贴近相界面，提高计算精度。

本例演示如何模拟喷墨打印机喷嘴的两相流，一个墨滴从喷嘴中喷出，穿过空气，直到击中目标。流体的流动通过不可压缩Havier-Stokes方程和表面张力来模拟，使用了水平集方法和瞬态自适应网格。

新增的表图功能轻松地绘制多参数扫描的结果，本图显示了微带贴片天线的电磁场，其中包含设定窗口，S11随几何和频度变化的响应面图。

组合稳态和瞬态求解

新增了一个求解类型，通过组合稳态和瞬态求解来完全控制涉及多种不同物理现象的模拟。在每个瞬态步中，可以自动地使用不同求解和物理场的稳态解。这对于粒子追踪特别重要，其中的粒子轨迹模拟是瞬态的，而粒子作用力却是由稳态场决定。新的工具在瞬态求解步设定窗口的底部来勾选，称为未求解变量值，可用于物理选择的组合，即在同一个设定窗口。

结果和图形化

通过连接数据集比较不同网格的结果

新增的连接数据集用来比较不同网格、瞬态步或参数值对应的结果。可以使用差、和、乘、除以及其他一些常用的计算。例如一种主要应用是绘制两个不同网格收敛求解的结果之间的差异。

复合片图

复合片图可以快捷地创建多种不同方向的片图的组合结果图，缺省的选项是创建与x,y,z平面平行的三个方向的组合片图。复合片图是一种快速分析3D计算域内部结果图的方法，它属于3D绘图组的更多图中的选项由。

外部数据导入表

外部数据可以导入到数据表中，导入的数据可以是电子表格，也可以是文本文件，可用于分析和绘制实验数据与模拟结果的差异。

现在可以通过一个滑动条来交互地控制等表面图水平，还可以同时定位多个等表面。

定制图象标题

现在绘图的标题部分，提供一个定制设定来创建定制的标题。当选择定制时，可以填入下列各种类型的选项：数据集及其相位和解，类型、描述、表达式，单位等。也可以添加用户定义的前缀和后缀。

这个结果图显示了在两个不同的网格密度情况下的热应力计算结果之间的差异。新增的连接数据集用来比较不同网格、瞬态时间步、或参数化解之间的差异。

交互式片图和等表面图

所有的标量都可以显示成片图或等表面图，既可以预定义的表达式，也可以是用户定义的表达式。V4.2a里面新增的功能是片图和等表面图可以通过一个滑动条来交互式的定位。可以通过指定分布数量或准确定位片图，同样，也可以这样来定位等表面图。等表面图还可以用另一个物理量来显示颜色。只需要简单地选择一个复选框就能从交互式或非交互式相互切换。

对结果进行数据操作

后处理中新增了一些操作，对于瞬态模拟，timeint() 可用来对已有的瞬态解进行时间积分。timeavg() 则用来对已有的瞬态解进行时间平均。

对于小信号和预应力分析，lintotalavg() 计算线性化解的所有相位的平均值，lintotalrms() 计算线性化解的所有相位的均方根（RMS），lintotalpeak() 计算所有相位的最大值。

COMSOL桌面

模型创建树

可以在模型创建树中同时选择多个节点，删除整个模型分支。新增向前节点和向后节点箭头按钮可以帮助在模型步骤之间快速的浏览。

缺省节点

V4.2a的模型创建树清楚的表明所有物理接口的缺省节点，在模型树中，左上角的D表明这个节点是一个缺省节点。

插值数据自动求逆

插值表新增了一个自动求函数的逆函数的功能。此功能在1D的插值表的设定窗口中可用。如果原始函数的名字为int1(x), 它的逆函数缺省就为int1_inv(x)，这两个函数名字都是可以进行编辑的。插值表函数和逆函数在大多数的可编辑域中，如初始条件，材料设定，边界条件和结果，都是可用的。

材料库

基于方程建模时的单位和材料属性

对于偏微分方程，常微分方程和微分代数方程的基于方程的接口支持单位的输入。通过声明因变量和源项的量，方程接口定义和显示所有方程项和量的单位。这使得可以混合使用基于方程的建模和其他物理接口，充分利用模型的单位系统。当处理无量纲的数据和结果时，也可以选择关闭单位。

对于基于方程的建模，当用户定义自己的表达式或方程式，能够使用材料库的材料属性变量。一个新材料容器变量root.material简化了访问材料数据。例如，root.material.rho是密度rho，和几何中定义在每一个域中的材料的密度是一样的。后处理时，可以输入表达式material.rho创建一个展示所有材料密度的图。

单位操作可用于偏微分方程建模，本例中，nitf.Cp*nitf.rho将自动得到正确的单位 J/(m^3*K) 。如果表达式得到错误的单位，就会显示橙色。

CFD模块

新增k-ω湍流模型

V4.2a的CFD模块中新增了著名的k-ω湍流模型，对应于所谓的改进Wilcox模型。尽管这个模型比标准的k-ε模型要求更高，但是它能给出更精确的解。CFD模块的湍流模型的用户接口采用平均雷诺数的NS方程（RANS），求解平均的流速场和平均压力。除了新的k-ω湍流模型，从之前的版本中，不同的湍流粘度模型可用：标准k-ε模型、低Reynolds数k-ε模型和Spalart-Allmaras模型。

90度弯管中的水流模拟，采用新增的k-omega湍流模型，结果与工程结果进行比较。本案例可通过COMSOL更新案例库功能通过网络更新。

层流 Euler-Euler 两相流

新增两相流的Euler-Euler模型能够处理和气泡流、混合物模型类似的模拟，但是它不仅限于低浓度分散相。此外，Euler-Euler模型能够处理两相之间在密度上有较大差异的情况，例如空气中固体颗粒的情况，适用于做流化床的模拟。

两相流化床中固体相体积分数的截图，分别对应于四个不同时刻：t = 10s, 13s, 16s, 和 19s。空气从床底部注入，然后与固相一固体入口质量流率用来保持床顶部出口流率。

内部壁条件

对于单相流来说，新增的内壁边界条件更容易定义一个在两种流体域上的薄壁条件。不再需要在两边定义实体域和壁的边界条件，这样会产生一个密集的网格。这个新的边界条件出现CFD模块和传热模块，可以和结构力学模块和MEMS模块中的流固耦合一起应用。

传热模块

外部辐射源

外部辐射源能够在传热模块中被定义为一个在无限远处的源或者是一个有限距离处的点源。在热传和任何支持面-面辐射的接口中可用。当定义一个在无限远处的源，每单位面积上的功率作为输入。这通常用于入射太阳辐射。当定义一个在有限距离的点源，给出的输入量是总输入功率。

传热模块的另外一个重要的新功能是，当采用面-面辐射模式时，用户可以在边界的两侧定义自己的辐射。这个新功能在传热模块和任何支持面-面辐射模式中可用。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jk52.html