磁流體的案例
COMSOL磁流體動力學（MHD）案例
0 研究背景
磁流體又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。是由直徑為納米量級（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀液體。該流體在靜態時無磁性吸引力，當外加磁場作用時，才表現出磁性，正因如此，它才在實際中有著廣泛的應用，在理論上具有很高的學術價值。用納米金屬及合金粉末生產的磁流體性能優異，可廣泛應用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫療器械、聲音調節、光顯示、磁流體選礦等領域。（源自：百度百科）
1 模型介紹
模型如圖所示，在磁流體流動區域上端和下端分別具有一塊永磁體，剩磁為0.3T。永磁體形成的磁場強度作為磁流體的流動過程的背景磁場。磁流體的相關參數列表也如下表所示。
展開 磁流體攪拌仿真分析 ￥9.99
Fluent MHD磁流體模型可以仿真分析磁流體在磁場力驅動下運動規律以及導電氣體發熱、電弧仿真分析等：
1.利用MHD模型中電場模型，可以模擬電弧、等離子體過程的仿真
2.利用MHD模型中的磁場模型，可以模擬磁流體過程的仿真
3.電場模型和磁場模型，既可以手動設置邊界條件，又可以導入外部電場和磁場條件（.mag格式）
下面我們就利用MHD模型，模擬磁流體在磁場力驅動下運動規律的仿真分析，得到如下仿真結果：
基于Comsol的MHD磁流體驅動微通道散熱
</p><p> 另外也有海水磁流體推進器，磁場能對導電的海水產生電磁力作用，使之在通道內運動，若運動方向指向船艉，則反作用力便會推動船舶前進。</p><p><em> 簡化后磁流體動力系統如下圖所示，施加電流于兩個磁體之間通道中導電流體，在磁場作用下引起流動變化。</em></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202109/imgs/79db79d6ef0f412faf82862b1b1d0026.png"></p><p><br></p><p><em> 此次采用磁流體動力系統對微流體部件的散熱進行分析。通過控制磁場的大小和方向，可以看到微流道末端的溫度發生改變。</em></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/1b8640c3d499445a87ddca8a0def7eca.gif" title="Untitled.gif" alt="Untitled.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202109/1b8640c3d499445a87ddca8a0def7eca.gif?
展開 新磁流體發電機--用磁場中的“電子管”來發電的設備！
電子管陰極熱能轉化的“電”，以定向電子流的形式存在，電子流在電場驅動下，定向運動到陽極，又全部轉換為更多的熱能（其中還包含一部分外電源輸出的電能,P=UI）,這并非是可輸出的電能。怎么讓這些攜帶大量能量的定向電子流變為可輸出的電能呢？其實很簡單，利用霍爾效應就可以了（磁流體發電機的原理）。在電子流運動的方向上外加一個垂直的磁場，讓電子流垂直穿過磁場，再在電子流偏轉的一側加電子收集裝置，這樣,收集板和陰極之間就會產生電勢差，連接負載就可以輸出電功率了（系統結構見圖2）。由于定向電子流運動的速度很快（與磁場垂直運動的速度），因此可以產生很高的感應電動勢。理論上，如果按此原理制成直流發電機,只要外加電源電壓足夠高，收集板與陰極之間的電勢差可以比大型交流發電機的一萬多伏的電壓還要高。
由于電子流是從電勢較高的陰極運動到電勢較低的收集板的，所以整個過程中，是電子流克服外電場做功而不是外電場對電子流做功。或者可以這樣說，由于電子流在磁場作用下沒有到達陽極，外加高壓電源電路中并沒有電流流動，P=UI，所以電源輸出功率近似為零。外加高壓電源并沒有對整個系統做功（圖2為原理圖）。
下面就是一個按此原理改造的新磁流體發電機（高效熱能發電機,專利申請號：2009101759672）的原理圖，是一個不需要任何運動部件，直接把熱能高效轉變成電能的發電設備。其原理與磁流體發電機相似，但此發電機以電子流取代等離子流，工作溫度遠低于磁流體發電機（工作溫度只有700-900攝氏度），且沒有電極腐蝕的難題。整個系統閉環運作，效率遠高于磁流體發電機。其原理圖（圖2）：
新磁流體發電機--用磁場中的“電子管”來發電的設備！
這個原理圖很簡單，可以一目了然。金屬板A（陰極）與金屬板B（陽極）構成一個電子二極管的簡易結構。
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在 COMSOL? 中構建磁流體動力學多物理場模型
我們以構建磁流體動力學（MHD）模型為例介紹一下這個工作流程。
磁流體動力學的多物理場建模
MHD 現象的建模本質上是一個多物理場問題；必須用數值方法求解流體流動、電流和磁場之間的耦合問題。這些不同的場都是由偏微分方程描述的，可以通過有限元方法求解。
施加電流時兩個磁體之間通道中導電流體的 MHD 問題。
我們看看如何在一個相對簡單的問題背景下進行建模：如上所述，絕緣的矩形通道內為不可壓縮導電流體，這個通道連接兩個流體靜壓相等的無限大容器（未建模）。有兩個電極穿過流動通道在兩側伸出，通過施加電勢差驅動電流通過流體。此外，在上方和下方分別放置一個圓形磁鐵。磁體產生靜磁場，使得具有導電性 以一定速度 移動通過該磁場，從而產生感應電流。。除了這些感應電流之外，由于電勢場的邊界條件，還會產生電流 ，因此流體中的總電流變為：
流經磁場的電流將對流體產生體積力 ，并將流體從一個容器泵送到另一個容器。我們假設系統在穩定狀態下運行。
耦合電場、磁場和流場
對于這個問題，我們需要求解流體中的偏微分方程組來描述電場和磁場。方程式為：
和
這組方程通過磁場和電場 接口（AC/DC模塊的一部），使用安培定律和電流守恒 特征以及單獨的速度（洛倫茲項） 特征求解。
在移動流體周圍的空間中，沒有電流，所以我們只需求解單矢量方程：
其中是剩余磁通密度，它僅在磁域中非零。當單獨求解上述方程時，請使用磁場和電場 接口中的安培定律 特征。
我們假設通道壁的屬性不影響場，因此在模型中忽略它們。使用一組材料屬性和邊界條件來給出說明性結果。任何位置的磁場邊界條件都是磁絕緣 條件， xy 平面除外，該平面采用理想磁導體 條件來利用系統的對稱性。表示電極的域必須一直延伸到建模域的邊界，接觸磁絕緣 邊界，以提供電流返回路徑。
展開 地球上最神奇的10種物質，你見過幾個？
磁流體
磁流體是一種膠態懸浮液體，又稱磁流體或磁液。它是由平均直徑為10nm的鐵磁性超微粒子，表面吸附一層表面活性劑，穩定地分散于油、水等基液中而形成的。作為一種新型的液體功能材料，磁流體兼有固體材料的磁性與液體材料的流動性，有很多新奇的性質與應用。
9. 超材料
超材料是一類人造材料的統稱，它的結構類似于由晶胞構成的晶體，不過超材料中的“晶胞”是比原子或分子更大的基本單元，整體結構更是完全人造的。因此它的性質并不簡單地取決于其化學成分，構成它的基本單元以及排列結構都至關重要。
10. 非牛頓流體
非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，它廣泛存在于生產生活和大自然之中。圖中的玉米淀粉糊便是最常見的非牛頓流體之一，它“遇強則強”，施加的外力越大，它便會表現得越“堅硬”。
溫馨提示：部分實驗具有危險性，請勿嘗試！
玻璃瓶里的磁流體
磁化了的橡皮泥整吞了一塊金屬
磁流體變成了圣誕樹
“法老之蛇”《哈利波特》里面的怪物
硫氰化汞白色粉末受熱易分解
體積膨脹很大 像彎曲生長的蛇
碘鐘反應，突然都變顏色了
鋰被點燃后
金屬鎵做的勺子在熱水中就變成液態了
油墨投進煤油后
誰說水墨畫一定要用紙筆展現
展開 fluent磁流體仿真來交流，自己也是學習
磁場強度轉化為磁場力，并通過udf寫入fluent
液態金屬3D打印
圖5
結論
根據仿真結果，維德系統開發的磁流體動力液態金屬3D打印機能夠打印任意形狀的3D固體金屬結構。這些結構是通過亞毫米級液滴的逐層圖案化沉積而成功打印的。一個孔口可以實現超過540克/小時的材料沉積率。
這項技術的商業化進展順利，但在實現最佳打印性能方面仍存在許多挑戰，包括產量、效率、分辨率和材料選擇。
COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真
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授課老師閻老師，來自國內知名科研院校，國家重點實驗室成員，有將近十年的comsol仿真經驗，主要擅長電磁、電磁熱、電磁熱流、磁流體、電磁結構、等離子體、激光、聲場等多物理場耦合建模仿真，歡迎廣大學員帶著自己的科研問題一起探討解決
祝各位在科研的道路上勇于探索，攻堅克難 實現科研夢！
comsol電磁場使用者福利
4、多物理場仿真軟件的關鍵特性
5、COMSOL軟件介紹
二，COMSOL軟件基礎操作
1、幾何建模：
COMSOL自帶幾何文件創建詳解， 幾何建模注意事項和建議，特殊幾何體建模，組合體和裝配體的異同
2、網格剖分：
網格劃分及各項功能詳解，網格剖分注意事項和網格收斂性判定，不同物理場的網格選擇與優化，網格質量判定與估計，自適應網格用法詳解。
3、后處理：
數據集處理以及求解數據的選擇，數據的二次處理繪圖
4、求解器：
直接求解器和迭代求解器的使用，從方程上求解上展示全耦合求解和分離式求解的異同，針對物理場如何選取和優化求解器。
5、參數、變量、函數、探針的作用及其使用方法，參數化掃描和助掃描的作用和使用。
三、低頻電磁場（ACDC）物理場技術詳解 1、麥克斯韋方程組微分形式講解和推導
2、電容、電感、電阻的控制方程和邊界條件設置，提取集總參數得到電容值，電感值。
電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
集總端口設置、薄層設置、線圈電容提取、不同頻率下線圈條件選擇
4、電磁—聲—壓相互作用
建立靜電電路接口+聲學+幾何結構
5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
（1）人體頭顱腫瘤MIT電磁探測
（2）人體頭顱幾何畫法。
（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
展開 基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真分析模擬
磁場主要機制
磁現象的起源來自于電荷的運動。原子是所有宏觀物質的基本單位，由原子核和核外電子組成。所有的原子都因其電子運動而具有磁矩。因此，磁性是所有材料的固有屬性，并可根據其磁特性進一步分為二磁、順磁、鐵磁和反鐵磁。
磁場在鋰電池中的應用可以追溯到近二十年前。基于上述磁學理論，考慮到電池環境中磁場的影響，結合最近的報道，磁場的作用可以歸結為五大機制：磁力、磁化、磁流體力學（MHD）效應、自旋效應和核磁共振。
磁場作用對象有鋰離子傳輸通道、鋰離子本身、電荷等等，磁場作為一種非接觸式能量傳遞方法，合理使用磁場可以對制備電極材料、促進循環性能、幫助監測電池健康和幫助LIB的回收產生積極影響。
圖4. a) 磁場磁化的簡略概貌。鋅鐵氧體納米顆粒在磁場中被磁化成有序排列。b) MHD效應示意圖。Li+在磁場中受到洛倫茲力的作用，產生MHD效應。c) 自旋效應示意圖。MoS2催化劑在磁場下降低了電子自旋能壘，提高了催化效率。d) 核磁共振模型圖。
一、適當的磁場將幫助鋰電池容量提升
磁場可以誘導晶體的成核和生長，提高結構的穩定性。這種特殊的方法可以提高電子和離子的導電性。其次，通道的方向可以由磁場誘導，以促進Li+的運輸。磁場可以使電池的滲透更加均勻，從而導致LIB的快速充電。模擬和實驗結果表明，磁場對鋰離子電池的放電/充電過程有很大影響。
麻省理工學院（MIT）的研究者利用外部磁場將電極材料中的電荷運輸孔道有序排列，制造出了區域容量比普通電極材料高3倍的電極材料，使得鋰離子電池更符合電動汽車的需求。
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COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真專題線上培訓班
電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
集總端口設置、薄層設置、線圈電容提取、不同頻率下線圈條件選擇
4、電磁—聲—壓相互作用
建立靜電電路接口+聲學+幾何結構
5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
（1）人體頭顱腫瘤MIT電磁探測
（2）人體頭顱幾何畫法。
（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
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電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
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5、磁流體建模
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四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
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（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
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3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
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4、電磁—聲—壓相互作用
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5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
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（3）正向問題求解探討
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流體力學理論教程（全英PDF） ￥5
流體力學理論教程（全英PDF）
前言
流體力學中的歐拉和朗格朗描述
連續介質的變形
流體的流變行為
流體力學中的表面張力
流動可視化
壓力場和流體加速
低雷諾數流動
可壓縮流體的通道流動
渦度
邊界層的基礎知識
湍流
邊界層控制
二次流
流體中的波
流動不穩定性
空化現象
稀薄氣體動力學
分層流
旋轉流
空氣動力學產生的聲音
磁流體動力學
空化現象.pdf
