電場(chǎng)模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：龍蝦飯好吃 創(chuàng)建時(shí)間：2016-11-22
電場(chǎng)模擬的實(shí)例教程
三、模擬結(jié)果
在進(jìn)氣煙道及分布板前端添加導(dǎo)流后，經(jīng)模擬，本電除塵器內(nèi)煙氣流動(dòng)狀態(tài)如下所示：
關(guān)鍵詞：GROMACS；電場(chǎng)；水球; 分子動(dòng)力學(xué)；packmol
在材料科學(xué)、電氣工程以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水球行為在外加電場(chǎng)下的變化具有重要意義。電場(chǎng)對(duì)水分子的影響不僅關(guān)系到液體的表面張力，還與電介質(zhì)的性能、微流控技術(shù)的應(yīng)用及生物細(xì)胞的電場(chǎng)響應(yīng)等問(wèn)題密切相關(guān)。因此，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究電場(chǎng)下水球行為成為一種有效且精確的手段。而GROMACS作為一種高效的開(kāi)源MD模擬軟件，在模擬液體在外場(chǎng)影響下的行為方面具有強(qiáng)大的技術(shù)支持。本案例基于GROMACS，研究水分子在外加電場(chǎng)強(qiáng)度下的形狀演變。
初始模型的構(gòu)建
在本案例中，我們模擬對(duì)象為純水納米水球，水分子采用spce水模型。首先創(chuàng)建3*3*3nm的水盒子：
gmx solvate -box 3 3 3 -o waterbox.gro
增大盒子的尺寸，往外擴(kuò)展出真空區(qū)域
gmx editconf -f waterbox.gro -o newbox.gro -box 10 10 10
創(chuàng)建的初始納米水滴模型如圖1所示：
圖1 初始納米水球模型
添加外電場(chǎng)
添加電場(chǎng)設(shè)定electric-field-x=2.5 0 0 0, 代表在X正方向加2.5V/nm的電場(chǎng)強(qiáng)度，也可以在Y,Z方向設(shè)置（electric-field-y, electric-field-z）。
展開(kāi) Mhd電場(chǎng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)模擬
建立模型
根據(jù)我司常規(guī)電除塵器結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，選擇電除塵器電場(chǎng)中一個(gè)通道建立三維模型如下：
三維模型
極板間距400mm，極線間距400mm，極線直徑10mm，電場(chǎng)高度200mm。
邊界設(shè)置
進(jìn)口為速度進(jìn)口（velocity-inlet）0.2m/s；
出口為壓力出口（pressure-outlet）；
極線設(shè)置為wall，電勢(shì)48KV；
極板設(shè)置為wall，電勢(shì)0KV，粒子捕集（trap）；
粉塵粒徑50um，密度550kg/m3，導(dǎo)電率無(wú)限大，磁導(dǎo)率1.257e-6h/m，電荷密度0.03897C/m3。
計(jì)算結(jié)果
電勢(shì)云圖
電場(chǎng)強(qiáng)度
電場(chǎng)矢量
帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡
粒子數(shù)據(jù)如下：
在此邊界數(shù)據(jù)下，電除塵器的除塵效率為1-97/800=87.88%。
展開(kāi) CFD在風(fēng)能發(fā)展中的應(yīng)用
尾流模擬
隨著計(jì)算能力的發(fā)展，CFD 越來(lái)越多地用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模。這里必須區(qū)分轉(zhuǎn)子、近尾流和遠(yuǎn)尾流區(qū)域：近尾流通常指風(fēng)力發(fā)電機(jī)下風(fēng)處一個(gè)轉(zhuǎn)子直徑內(nèi)的區(qū)域，在此之外是遠(yuǎn)尾流區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機(jī)引起的渦旋結(jié)構(gòu)開(kāi)始分解，對(duì)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)的研究被歸為轉(zhuǎn)子模型。基于 N-S 方程，轉(zhuǎn)子和近尾流計(jì)算大約在 10 m/s 風(fēng)速閾值下可以得到較好的結(jié)果。與非定常 RANS 相比，LES 可模擬更高分辨率的湍流尺度，對(duì)分析非定常葉片載荷和風(fēng)力發(fā)電機(jī)尾流演化具有重要意義。
復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)模擬
近年來(lái) ，復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng) CFD 模擬得到快速發(fā)展。Murakami 等基于 CWE 發(fā)展了局地風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)選址，用新的線性 k-ε 湍流模型和冠層模型精確預(yù)測(cè)局地風(fēng)能分布，對(duì)二維山脊、山地以及草地下墊面的起伏地形的預(yù)測(cè)結(jié)果比 WAsP 好。
使用 CFD 模擬復(fù)雜地形大氣流動(dòng)通常非常耗時(shí)。對(duì)于目前的處理器，只有使用并行計(jì)算才足以使用 CFD 進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)，即代碼運(yùn)行速度比真實(shí)天氣演變更快。Castro 等用并行版本的 VENTOS CFD，成功進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率預(yù)報(bào)，并與中尺度模式結(jié)合，形成短期預(yù)測(cè)工具，對(duì)位于葡萄牙北部門(mén)多羅/布斯塔維德風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行模擬，顯示了并行效率對(duì)預(yù)測(cè)的影響。
參考文獻(xiàn)：程雪玲. 風(fēng)能模型的發(fā)展及CFD在風(fēng)資源開(kāi)發(fā)利用中的應(yīng)用[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2023, 41(6): 1-15.
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展開(kāi) (a)-(d)常見(jiàn)鋰箔負(fù)極和鋰/碳管骨架復(fù)合電極鋰沉積的仿真電場(chǎng)模擬及示意圖，具有高比表面積的3D-CSC導(dǎo)電骨架能有效避免電勢(shì)集中，促進(jìn)均勻沉積。(e)-(g)不同幾何結(jié)構(gòu)碳納米管骨架在鋰金屬沉積量增大時(shí)的應(yīng)力分析模擬。
在該體系中，取向碳納米管能形成高比表面積(424.2 m2/g)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在鋰金屬沉積/剝離過(guò)程中能有效分散實(shí)際電流密度，緩解鋰枝晶的生成，防止枝晶刺穿隔膜引起短路等安全問(wèn)題。研究人員通過(guò)層層交錯(cuò)組裝三維取向碳納米管骨架，得到初始厚度僅為1 μm左右的碳納米管骨架，可直接作為集流體進(jìn)行電池組裝；其厚度隨著鋰金屬沉積量的增加而增大，始終保持電極整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，緩解了鋰金屬負(fù)極因充放電過(guò)程中產(chǎn)生巨大體積變化導(dǎo)致SEI膜破裂加劇電解液副反應(yīng)等問(wèn)題；得益于該三維骨架輕質(zhì)(~0.07 mg/cm2)的特點(diǎn)，在引入骨架解決鋰負(fù)極枝晶問(wèn)題的同時(shí)，所得到的復(fù)合電極展現(xiàn)出3656 mAh/g的比容量，達(dá)到了鋰金屬理論容量的94.7%。將該復(fù)合鋰金屬負(fù)極構(gòu)建鋰氧全電池表現(xiàn)出大幅提升的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖2. 交錯(cuò)碳納米管復(fù)合鋰金屬負(fù)極(Li/3D-CSC)與其他應(yīng)用于鋰氧電池中的負(fù)極性能對(duì)比(左)及與其他典型鋰電極的性能對(duì)比(右)。
該研究中提出的通過(guò)一維納米材料構(gòu)筑層層交錯(cuò)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)化鋰負(fù)極及相關(guān)電池構(gòu)建中具備普適性。未來(lái)研究課進(jìn)一步優(yōu)化鋰金屬骨架的幾何微結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)成及設(shè)計(jì)界面，繼續(xù)提升鋰負(fù)極的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，從而得到更高性能的鋰氧電池助力電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的發(fā)展。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201814324?af=R
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電場(chǎng)模擬的最新內(nèi)容
激發(fā)太赫茲波的TE電場(chǎng)沿y方向模擬沿激發(fā)場(chǎng)方向傳播的偏振平面波。每個(gè)方向的網(wǎng)格尺寸都小于最小構(gòu)造尺寸，以保證收斂結(jié)果的精度。具體設(shè)置如圖2-4所示。
因此，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究電場(chǎng)下水球行為成為一種有效且精確的手段。而GROMACS作為一種高效的開(kāi)源MD模擬軟件，在模擬液體在外場(chǎng)影響下的行為方面具有強(qiáng)大的技術(shù)支持。本案例基于GROMACS，研究水分子在外加電場(chǎng)強(qiáng)度下的形狀演變。
初始模型的構(gòu)建
在本案例中，我們模擬對(duì)象為純水納米水球，水分子采用spce水模型。
本次模擬對(duì)象為電除塵器改造項(xiàng)目，本除塵器共三電場(chǎng)，進(jìn)口為下部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，但不同于以往常規(guī)漸擴(kuò)型下進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，而是豎直向上的進(jìn)氣煙道直插于水平進(jìn)氣口的下底板上，該結(jié)構(gòu)相對(duì)于以往常規(guī)漸擴(kuò)型下進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的擴(kuò)散性更差，如果進(jìn)氣口內(nèi)不增加任何導(dǎo)流措施時(shí)，該電除塵器電場(chǎng)前斷面的氣流均布性很難達(dá)到要求，針對(duì)目前電除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維軟件及CFD流體仿真技術(shù)對(duì)本電除塵器進(jìn)行建模并計(jì)算除塵器內(nèi)部的煙氣流場(chǎng)分布狀態(tài)
原因在于它采用標(biāo)量衍射理論在空間中模擬電場(chǎng)的傳播，從而對(duì)菲涅耳傳播過(guò)程非常敏感。這個(gè)過(guò)程必須在實(shí)現(xiàn)高光束分辨率與捕獲所有空間頻率的寬網(wǎng)格寬度之間取得平衡。因此，用戶每次都必須徹底檢查 POP 運(yùn)行的設(shè)置和結(jié)果。
本系列將介紹使用 POP 設(shè)置和評(píng)估簡(jiǎn)單系統(tǒng)的正確方法。在本文中，我們將討論示例系統(tǒng)并研究評(píng)估 POP 結(jié)果的方法。
通過(guò)施加電場(chǎng)，可以模擬材料在電場(chǎng)作用下的行為和性質(zhì)變化，為科研人員提供重要的數(shù)據(jù)支持。
力場(chǎng)在科研中的應(yīng)用：力場(chǎng)是描述原子和分子間相互作用的重要工具，廣泛應(yīng)用于分子動(dòng)力學(xué)模擬、蒙特卡洛模擬等方法中。通過(guò)選擇合適的力場(chǎng)模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和行為，為科研人員提供可靠的理論依據(jù)。
電場(chǎng)與力場(chǎng)的結(jié)合：在科研計(jì)算中，電場(chǎng)和力場(chǎng)往往需要結(jié)合使用。
第 1 步：模擬電場(chǎng)和暗發(fā)生率
此步驟是使用Ansys Lumerical CHARGE進(jìn)行的給定了摻雜曲線、材料和幾何形狀的典型半導(dǎo)體器件仿真。該步驟尚不支持 3D模擬，因此仿真以 2D 形式進(jìn)行，仿真時(shí)需要關(guān)閉沖擊電離模型，器件偏置掃描至擊穿電壓以上。
本案例建立了一微通道屏障結(jié)構(gòu)，模擬了電場(chǎng)作用下液體在微通道內(nèi)受到屏障邊界作用后的流動(dòng)。仿真模型及模擬結(jié)果如下圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)模擬
近年來(lái) ，復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng) CFD 模擬得到快速發(fā)展。Murakami 等基于 CWE 發(fā)展了局地風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)選址，用新的線性 k-ε 湍流模型和冠層模型精確預(yù)測(cè)局地風(fēng)能分布，對(duì)二維山脊、山地以及草地下墊面的起伏地形的預(yù)測(cè)結(jié)果比 WAsP 好。
使用 CFD 模擬復(fù)雜地形大氣流動(dòng)通常非常耗時(shí)。
因此，通過(guò)改變電纜絕緣介電常數(shù)的方法模擬老化后的電纜進(jìn)行電場(chǎng)與溫度場(chǎng)模擬。分別設(shè)定絕緣介電常數(shù)為正常狀態(tài)下的90%、75%、60%，仿真結(jié)果如圖2所示。
模擬電場(chǎng)
完成實(shí)驗(yàn)后，研究人員開(kāi)始進(jìn)行仿真研究。他們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件進(jìn)行了有限元分析（FEA），并在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的樹(shù)木和電場(chǎng)周?chē)⒘?APF 的有限元模型。
“通過(guò)在不穩(wěn)定的天氣中以 1 kV·m-1 或 4 kV·m-1 的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì) APG 進(jìn)行建模生成APG-樹(shù)相互作用的模型。
