comsol多孔結構的案例
COMSOL多孔球結構模型
多孔球結構在催化、吸附及能源存儲等領域應用廣泛。通過對多孔球的建模可實現孔隙結構精準調控，揭示傳質-反應耦合機制，優化材料性能。仿真可預測流體動力學行為及反應效率，為實驗設計提供理論指導，推動多孔材料在環境、能源等領域的創新應用。本案例介紹在COMSOL內建立多孔球結構模型。
多孔球體結構模型采用CAD三維Voronoi劃分插件參數化建模生成。
建模的詳細操作步驟為：建立球體后采用插件實現Voronoi劃分，對生成的晶粒進行平滑處理，最后新建球體與平滑處理后的晶粒進行差集，實現多孔球結構模型。
將模型導出為stl格式文件，并導入COMSOL內。
可劃分網格并進行后續多孔球的仿真分析。
展開 COMSOL多孔結構傳熱模擬
多孔結構傳熱模擬涉及對多孔介質內部復雜的熱量傳遞過程進行建模和分析，這類模擬對于優化材料設計、提高能源效率以及解決環境問題等方面具有重要意義。本案例介紹在COMSOL內建立全連通多孔結構幾何模型，并將孔隙及基體劃分兩相材料，進行多孔結構的傳熱仿真模擬。
多孔結構幾何模型采用AbyssFish單連通周期邊界多孔結構2D軟件隨機生成png格式的圖片。
通過CAD圖像導入插件將模型導入到AutoCAD內建立多孔結構草圖，并另存為dxf格式文件。
將多孔結構草圖模型導入到COMSOL內，建立孔隙部件。
在COMSOL內新建與原模型尺寸一致的矩形，并通過布爾操作和分割中的差集建立多孔結構部件。
再次導入原孔隙模型，并構建聯合體。將孔隙部分材料屬性設置為空氣，完成多孔結構兩相材料模型構建。
添加固體傳熱瞬態研究，模型左側設置熱源，并進行網格劃分。
進行計算查看多孔結構傳熱模擬結果
展開 COMSOL多孔顆粒夾雜結構電流計算
在鋰離子電池研究中，利用COMSOL進行多孔顆粒夾雜電流計算模擬多孔顆粒中的電流分布情況，可以深入了解材料內部的電傳輸機制。這對于設計高性能電池、超級電容器等能量存儲設備至關重要。本案例中建立球形多孔結構（或顆粒夾雜）模型，并通過COMSOL研究在包含非導電顆粒夾雜的電解質中電流分布情況。
多孔/顆粒夾雜結構采用CAD球體密堆積3D插件 V2.0生成，插件建立的球體顆粒堆積模型可更好的模擬實際工程中絕緣顆粒在重力作用下在電解質中的分布情況，使得仿真結果更為準確。
在AutoCAD內將模型導出為sat格式后即可導入到COMSOL軟件內。模型向導中選擇三維鋰離子電池模塊瞬態研究。
對模型設置材料并劃分網格，并對模型左右兩側設置電位差。
進行研究計算并查看在絕緣顆粒夾雜電解質溶液中的電流模擬結果。
展開 COMSOL三維梯度多孔結構滲流模擬
三維梯度多孔結構（FGM）是一種孔隙率、孔徑等參數在三維空間內呈梯度分布的多孔材料。梯度孔隙結構的研究可優化傳熱傳質效率，調控流動路徑，提升能源存儲與材料性能，為復雜系統設計提供關鍵理論支持。本案例介紹在COMSOL內建立三維球體梯度孔隙結構模型，并進行滲流仿真模擬。
梯度多孔介質FGM模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型在AutoCAD內建立完成后導出為sat格式文件。通過插件可靈活控制孔隙率、梯度、孔徑分布及最小間距約束，生成符合實際工程需求的梯度孔隙結構。
將建立的三維梯度孔隙模型導入到COMSOL軟件，在COMSOL內定義流體屬性物理域后，需明確流體物性參數（如動力黏度、密度），為后續仿真提供基礎條件。
對模型添加滲流研究，設置邊界條件并劃分網格。網格劃分需兼顧計算效率與精度，并確保流動細節的捕捉能力。
提交計算查看流體在梯度多孔介質中的壓力及流速模擬結果。
展開 
comsol三維多孔結構 泡沫材料 孔隙介質模型
孔隙結構
在comsol內生成球體或立方體結構的多孔材料結構：
comsol泡沫結構，泡沫球體顆粒占比80%：
建模方法
采用陣列式隨機分布，生成符合規定比例的隨機孔洞。模型采用CAD隨機孔隙3D插件生成，然后將多孔結構3D模型導入到comsol軟件內。
插件鏈接
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1890691
COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
首先獲取一張多孔介質圖片，這里就以COMSOL官網教程圖片為例了。
通過軟件將png格式的圖片轉換為DXF格式文件，也就是AutoCAD支持的文件：
下一步打開COMSOL軟件建立二維模型，導入事先準備好的dxf模型，需要注意導入選項選擇【不接合】
然后通過轉換為實體命令將圖形的外側輪廓及內部孔隙分兩步轉換為實體，這里在選擇內部孔隙時可采用全選的方式更快速的選擇。
通過布爾操作與分割中的差集做差，將孔隙部位挖空。
網格劃分等后續操作：
本教程用到的CAD文件下載：
AbyssFish.rar
隨機孔隙建模軟件：
隨機微觀孔隙2D軟件
COMSOL多孔金屬結構泡沫鋁泡沫鎳連通孔模型
泡沫金屬，亦稱多孔金屬，涵蓋了如泡沫鋁、泡沫鎳及泡沫鈦等多種類型，是一種具備三維連通孔隙結構的先進工程材料。該材料融合了金屬與泡沫材料的特性優勢，形成了獨特的物理和力學性能，因而被廣泛應用于眾多領域。本案例旨在描述如何在COMSOL軟件中構建具有連通孔隙結構特征的三維泡沫金屬模型。
泡沫金屬的建模可通過CAD球體密堆積3D插件V2.0版本實現，其中為確保生成模型中孔隙的連通性，球體間的最小間距參數應設定為負值。截取模型的內部區域作為泡沫金屬模型。
在AutoCAD中將模型導出為SAT文件格式后，可導入COMSOL軟件中，以建立具有連通孔隙結構的泡沫金屬部件。
根據模擬需求，可對多孔結構部件設定相應的材料屬性。
此外，還需根據模擬要求完成網格劃分，以確保分析的精確性與計算效率。
展開 COMSOL三維多孔結構骨架力學分析基于Voronoi泰森多邊形三維幾何
幾何生成
采用CAD Voronoi3D插件在AutoCAD內直接生成三維Voronoi，其計算參數如下：
模型生成后刪除晶格部件，并對晶粒進行一步平滑處理：
新建外部圓柱體部件，并與晶粒進行差集操作，形成多孔骨架支撐結構，同時可查看各部分的體積（MASS命令），方便進行孔隙率的計算。這里的晶粒也可用作卵石形狀集料的堆積模型。
導入COMSOL
在CAD內將Voronoi骨架模型導出為.iges格式，并導入到COMSOL有限元軟件內。
模型賦值簡單的均質材料，并通過指定位移的方式進行最基本的單軸受壓計算，應力計算結果如圖。
CAD Voronoi3D下載
建模采用了CAD Voronoi3D插件，可用于生成更為復雜的幾何模型。
插件下載鏈接：
CAD Voronoi3D
展開 Comsol-裂隙多孔介質流固耦合-損傷模型 ￥650
針對裂隙多孔介質流體注入引起天然裂隙的激活，巖石產生新損傷形成水力裂縫，本案例建立了裂隙多孔介質流固耦合-損傷模型，實現如下功能：
（1）采用comsol with matlab建立隨機天然裂隙網絡幾何模型；
（2）針對天然裂隙，建立裂隙模型，考慮其變形過程對裂縫寬度和滲透率的影響，可得到裂隙寬度分布；
（3）考慮損傷演化過程和流固耦合作用，巖石孔隙度和滲透率隨著損傷和應力大小變化；
（4）可用于分析水力裂隙擴展以及壓后滲透率改變等。
部分結果圖：
幾何模型
Mises stress分布
Pressure分布
Damage分布
Fracture width分布
參考文獻：
Qinghua Lei. Modelling fluid injection-induced fracture activation, damage growth, seismicity occurrence and connectivity change in naturally fractured rocks. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 138 (2021) 104598.
展開 COMSOL生成多孔材料的教程
在COMSOL生成多孔材料可以采用CAD圖形導入的方式，在CAD內生成多孔幾何模型后導入到COMSOL中進行差集操作即可。
CAD多孔模型的建立—以曲邊泰森多邊形為例
1、設置好模型參數后運行CAD_Voronoi圖 V2.1.exe可直接生成CAD圖，將無用的圖層刪除后，僅保留曲邊泰森多邊形圖像，并將CAD文件另存為.dxf格式文件備用。
2、打開COMSOL新建模型選擇“二維”，并選擇合適的“物理場”。在模型開發器的 “幾何”上右擊選擇“導入”。找到先前保持的dxf文件構建選定對象。
3、選擇“幾何”菜單點擊“繪圖”-“矩形”，建立矩形實體。
4、選擇“幾何”菜單“布爾操作與分割”-“差集”。分別選擇矩形與導入的實體。構建選定對象。
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
在膜片變形的作用下，與膜片非對稱相連的桿狀物使十字結構旋轉。如果外部的靜水壓力大于內部的壓力，那么單個旋轉就會轉化為結構的各向同性膨脹，導致負的等效壓縮性。
零壓力下（左）和壓力增大后（右）的晶胞，圖片描述了負壓縮性的原理。圖片來自 Jingyuan Qu 和 Muamer Kadic 。
這種負壓縮性看似違反了物理定律，但等效的體積增加與材料內看不到的體積減少是相對應的。這樣可以保證結構穩定。
使用 COMSOL Multiphysics? 分析新穎的多孔彈性超材料
為了研究新穎的多孔彈性超材料的結構細節，研究人員選擇使用 COMSOL Multiphysics? 軟件。當被問及數值建模方法的優勢時，研究小組的成員 Jingyuan Qu 提到了求解方程的便利性。
超材料模型是一個單晶胞。為了觀察當材料內外存在壓力差時所發生什么情況，他們在模型的所有外表面上施加了壓力增量作為法向力。此外，該模型是在周期性邊界條件下進行模擬的，這使得研究人員能夠成功地找到等效的材料參數。
請注意，“結構力學”和“MEMS 模塊”內置了可用的周期性邊界條件。
在研究中，小組進行了兩項主要的數值實驗：
末端為自然邊界條件（自由）的有限尺寸研究（一個晶胞）
使用了周期性條件（假設）的無限擴展的情況
在實驗中，研究小組使用標準的線彈性方程：
現在，讓我們研究一下第二個數值實驗。
利用周期邊界條件
當模擬無限材料時，我們需要應用周期性條件，使晶胞的每一個邊都以各向同性的方式收縮或膨脹。首先，創建并根據方向 x+、x-、y+、y-、z+ 及 z– 來命名結構的每一側。
展開 
COMSOL多孔介質兩相流水驅油模型
本COMSOL案例介紹在重力作用下多孔介質中的水油兩相流模型。
多孔介質采用AbyssFish單連通周期性邊界多孔結構2D軟件生成，軟件可設置孔隙率、孔喉尺寸、顆粒尺寸等信息，以生成多種多孔介質模型，適應不同的工程地質條件。
采用CAD圖像導入插件，將生成的多孔介質模型導入到AutoCAD內，并保存為.dxf文件。
在COMSOL內選擇流體流動-兩相流-相場-層流，并添加包含相初始化的瞬態研究。
在幾何下選擇導入，將保存的多孔介質CAD文件導入到COMSOL內，并通過后續幾何操作形成所需要的聯合體模型。
對模型添加兩種材料，其中紅色部分為油，藍色部分為水。設置為包含重力，并將上部邊界設置為出口。
對模型進行網格劃分。
計算并完成后續的分析模擬，以下為流速結果。
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
在膜片變形的作用下，與膜片非對稱相連的桿狀物使十字結構旋轉。如果外部的靜水壓力大于內部的壓力，那么單個旋轉就會轉化為結構的各向同性膨脹，導致負的等效壓縮性。
零壓力下（左）和壓力增大后（右）的晶胞，圖片描述了負壓縮性的原理。圖片來自 Jingyuan Qu 和 Muamer Kadic 。
這種負壓縮性看似違反了物理定律，但等效的體積增加與材料內看不到的體積減少是相對應的。這樣可以保證結構穩定。
使用 COMSOL Multiphysics? 分析新穎的多孔彈性超材料
為了研究新穎的多孔彈性超材料的結構細節，研究人員選擇使用 COMSOL Multiphysics? 軟件。當被問及數值建模方法的優勢時，研究小組的成員 Jingyuan Qu 提到了求解方程的便利性。
超材料模型是一個單晶胞。為了觀察當材料內外存在壓力差時所發生什么情況，他們在模型的所有外表面上施加了壓力增量作為法向力。此外，該模型是在周期性邊界條件下進行模擬的，這使得研究人員能夠成功地找到等效的材料參數。
請注意，“結構力學”和“MEMS 模塊”內置了可用的周期性邊界條件。
在研究中，小組進行了兩項主要的數值實驗：
末端為自然邊界條件（自由）的有限尺寸研究（一個晶胞）
使用了周期性條件（假設）的無限擴展的情況
在實驗中，研究小組使用標準的線彈性方程：
現在，讓我們研究一下第二個數值實驗。
利用周期邊界條件
當模擬無限材料時，我們需要應用周期性條件，使晶胞的每一個邊都以各向同性的方式收縮或膨脹。首先，創建并根據方向 x+、x-、y+、y-、z+ 及 z– 來命名結構的每一側。
展開 COMSOL多孔介質自然流動與傳熱現象的仿真研究
多孔介質中的自然對流和傳熱研究在地熱系統、隔熱材料、食品加工以及化學反應器設計等領域具有重要意義。本文介紹了一種基于COMSOL Multiphysics軟件建立多孔介質幾何模型并模擬其內部自然對流與傳熱過程的方法。
采用CAD Voronoi V2.1插件生成多孔介質幾何結構，并在AutoCAD中僅保留含曲邊孔隙圖層的內容后導出為dxf格式文件。并將此文件導入至COMSOL Multiphysics軟件中。
在COMSOL中，通過構建矩形區域并與導入的CAD圖形執行差集操作來完成多孔介質幾何模型的建立。
選擇“多孔介質傳熱”物理場，并設置相應的溫度邊界條件以匹配具體應用場景。完成設置后，對模型實施網格劃分。
通過對模型進行仿真計算，分析多孔介質內的流速分布及溫度場變化情況。
研究結果提供了關于多孔介質內部復雜對流與傳熱機制的深刻見解。
展開 COMSOL 多孔介質毛細現象仿真（含講解視頻）
背景介紹
多孔介質的微小空隙中的任何兩種非互溶流體分界面的兩側存在的壓力差，即非浸潤相的壓力與浸潤相的壓力之差。毛細管壓力取決于流體的表面張力、浸潤角和界面的曲率。在流體互相驅替過程中，毛細管壓力可以是驅動力，也可以是流動的阻力。浸潤相在毛細管壓力作用下，可以自發地驅替非浸潤相，即滲汲作用。毛細管壓力的存在影響多孔介質內的流體運動規律，因此是滲流力學及有關的工程技術必須考慮的問題。例如，在油田開發中，毛細管壓力影響油層的有效滲透率和油層的采收率；利用毛細管壓力曲線可確定多孔介質內的孔隙分布和流體分布，計算多孔介質的相滲透率以及油層的采收率等。
圖 1 多孔介質電鏡掃描示意圖
注：以上內容引自百度百科
2. 模型介紹
如圖2所示，建立矩形（2mm×5mm）隨機圓形的多孔區域，圓形孔隙率為0.6，圓形隨機分布服從正態分布。底部為液體區域，兩邊作為入口壓力邊界，入口壓力為液體重力所帶來的靜壓力。出口壓力靜壓力為0Pa。
圖 2 多孔介質毛細示意圖
3. 物理場選擇及邊界條件設置
本模型主要是采用comsol6.2版本中的湍流流動、水平集兩相流等多物理場模塊，詳細的物理場及邊界條件設置如圖3所示。
圖 3 詳細的物理場設置以及邊界條件
4. 網格繪制
由于本模型形狀不規則，采用自由三角形網格繪制方式進行繪制，如圖4所示。
圖 4 網格繪制
3. 結果展示
圖 5 多孔介質內部速度分布
圖 6 速度矢量分布
圖 7 流體2體積分數
圖 8 流體2體積分數動態變化
源文件及視頻獲取方式
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