多物理場建模的案例
轉貼：有限元的未來是多物理場耦合
有限元的未來是多物理場耦合
David Kan, Ph.D. COMSOL Inc.
Burlington, Mass.
Robert Repas 編輯
隨著計算機技術的迅速發展，在工程領域中，有限元分析（FEA）越來越多地用于仿真模擬，來求解真實的工程問題。這些年來，越來越多的工程師、應用數學家和物理學家已經證明這種采用求解偏微分方程（PDE）的方法可以求解許多物理現象，這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結構力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數學方程轉化為近似的數字式圖象。
早期的有限元主要關注于某個專業領域，比如應力或疲勞，但是，一般來說，物理現象都不是單獨存在的。例如，只要運動就會產生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性，如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統的耦合就是我們所說的多物理場，分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。很明顯，我們現在需要一個多物理場分析工具。
在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬。看起來有限元仿真的命運好像也就是對單個物理場的模擬。
現在這種情況已經開始改變。經過數十年的努力，計算科學的發展為我們提供了更靈巧簡潔而又快速的算法，更強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統的求解需要。有限元的未來在于多物理場求解。
千言萬語道不盡，下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應用。
壓電擴音器（Piezoacoustic transducer）可以將電流轉換為聲學壓力場，或者反過來，將聲場轉換為電流場。
展開 多物理場建模在生物制藥行業的應用
由于藥物的研發模式、功能和商業化階段復雜多樣，所以應用于生物制藥行業的各類建模和仿真工具需要同時具備廣泛的適用性和足夠的專業深度。
安進（Amgen）公司是市場領先的跨國生物制藥企業。為了確保藥物的有效性和安全性，公司的研發人員將多物理場仿真這一工具應用到了藥品加工的整個流程中。安進公司生產的各類藥物惠及全世界數百萬身患重疾的病人。一款藥品成功面世的背后離不開大量的研發及生產流程。安進公司正在通過構建多樣化的工藝模型組合來優化工作流程。在一個對工藝模型而非產品模型更為重視的行業中，這樣的工藝優化也成為了企業制勝的法寶。安進公司的工藝開發總監 Pablo Rolandi 負責使用 COMSOL Multiphysics? 軟件為公司的研究人員建立一個平臺化的建模環境。Rolandi 解釋道：“COMSOL 軟件是一個具有現代設計理念的成熟平臺。簡明、流暢、易用的接口和圖形用戶界面，以及強大的單物理場和多物理場仿真功能，讓我們能夠創建出豐富多樣的工具。”為應對各個研發階段出現的各類問題，Rolandi 和團隊成員將目光投向多物理場建模，希望在這里找到解決方案。在很多項目中，仿真解決方案也會伴隨著仿真 App 的開發。研發團隊利用軟件中的“App 開發器”，直接將模型轉換成仿真 App，通過定制化的用戶界面讓最終用戶無需掌握專業的建模知識，就能夠運行仿真，并利用仿真結果指導后續工作。在過去的一年半中，他們開發了許多簡單易用、交互性強且易于部署的仿真 App，讓企業在工藝開發、生產作業和研發等各個環節中受益于仿真帶來的優勢。
消除生產中的瓶頸
Rolandi的團隊通過開發定制化的仿真 App，解決了生產工藝中的諸多問題，對干燥工藝進行優化是其中最具代表性的案例之一。
展開 2025大賽優秀作品 | 電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
作品名稱：電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
作者：重慶大學 | 張高陽
關鍵詞：電池熱失控機理，熱失控產氣速率計算，氣體爆炸極限，電池系統泄壓閥
作者說
利用Ansys SpaceClaim可以快速對電池包STP模型進行前處理，該軟件的操作流程比較清晰適合初學者進行三維數模設計，并且其共享拓撲和抽取流體的功能也十分好用，與Fluent Meshing相配合能夠快速劃分流體網格。另外，Fluent提供的UDF功能也給使用者提供了二次開發的接口，能夠自定義模型的物理反應過程，從而解決工程中出現的新問題。
目前，100Ah以上的三元鋰電池在電動汽車上得到了廣泛應用，而大容量三元鋰離電池發生熱失控后可能會誘發更為嚴重的火災事故。為此本案例針對117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負極與電解液反應、正極分解反應、電解質分解等過程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數關系得到內短路產熱的表達式。在此基礎上，結合AEC實驗數據擬合得到產熱/產氣速率方程，構建了CTP電池系統熱失控多物理場仿真模型，揭示了熱量的傳播與氣體擴散規律，發現在Pack尾部布置3個50mm泄壓閥時，系統內部的可燃氣體濃度能夠在17.3s內降至爆炸下限（LEL）以下，從而降低爆炸風險。
挑戰/需求
作者所在機構希望通過仿真工具建立高精度的電池熱失控產熱和產氣模型，并在此基礎上模擬CTP電池系統中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴散過程，以此評估隔熱設計的合理性并優化系統泄壓閥的布局與數量。
展開 多物理場仿真服務
多物理場仿真建模+分析+報告撰寫服務#發布技能來賺錢 本人畢業于985高校，有5年的多物理場仿真建模經驗，擅長變壓器“電磁-流體-溫度”多場仿真分析、套管\電纜“電-熱-流”多場仿真分析、電力裝備聲場仿真分析、絕緣介質電樹枝仿真分析、風機電場仿真分析、絕緣介質空間電荷分布仿真
多物理場仿真助力加快摩擦潤滑研究進程
Lohner 解釋道，“我們不僅能夠根據實際情況靈活地修正雷諾方程，還能耦合其他物理場，從而成功創建了熱彈流潤滑數學模型。各種方程的自由組合與多物理場耦合是 COMSOL 軟件的核心優勢。”
軟件的主要優勢體現在支持用戶選擇不同的物理場、添加自定義方程，并使用強大的全耦合功能得到精確的求解結果[2]。在整個工作流程中，用戶無需了解具體的數值求解的技術細節，從而將精力集中在建模上。“我們研究中心主要研究機械零件，尤其是齒輪的設計和優化。”Lohner 解釋說，“COMSOL 內置的各種接口和多物理場方法使我們能夠專注研究工程問題，而不必糾結于求解的數值算法。除此之外，軟件的持續開發和更新也讓我們不斷從中受益。”在計算壓力和膜厚時，研究人員使用“弱形式邊界偏微分方程”接口來輸入廣義雷諾方程[1]，并主要依靠軟件提供的預定義接口來計算溫度[2]。
Lohner 和他的團隊借助軟件中的“App開發器”工具創建了一款名為“Tribo Mesh”的仿真 App（圖 2），并在整個研究中心與同事分享他們的仿真工具。其他同事能夠通過仿真 App 尋求更多新的解決方案，極大地提高了團隊的整體工作效率。
圖 2. 定制的仿真 App，將復雜的熱彈流潤滑多物理場耦合求解結果封裝到一個簡單易用的工具中，可供研究中心的所有人員訪問使用。
團隊將仿真 App 部署到了本地工作站，并授予一部分同事訪問權限。在不久的將來，他們還計劃利用 COMSOL Server? 產品將仿真 App 分享給更多同事和項目合作伙伴，用戶通過網頁瀏覽器即可運行這些仿真 App。
這個仿真 App 的用途之一是分析類金剛石碳（diamond-likecarbon，簡稱DLC）涂層可以在多大程度上提升齒輪的效率性能。“我們的試驗臺實驗表明，與無涂層齒輪相比，DLC 涂層大大降低了齒輪的摩擦系數。”
展開 在 COMSOL? 中構建磁流體動力學多物理場模型
軟件中的模型都是從零開始構建的，軟件支持多物理場，因此用戶可以按照自己的意愿輕松地組合代表不同物理場現象的模型。有時這可以通過使用軟件的內置功能來實現，但有些情況下，用戶需要做一些額外的工作。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。
展開 Comsol Multiphysics多物理場耦合單機與集群配置探討1（20190521）
COMSOL公司是全球多物理場建模與仿真解決方案的提倡者和領導者，Comsol Multiphysics是采用有限元方法求解偏微分方程的大型仿真軟件.借助這個軟件工具，使工程師和科學家們可以通過模擬，賦予設計理念以生命。它有無與倫比的能力，使所有的物理現象可以在計算機上完美重現。
一期一會 | 什么是多物理場？
航空航天：流固耦合分析，以確定飛機機翼的最佳重量、形狀和結構
汽車：對車燈中的熱膨脹和變形進行仿真，以預測光學性能
醫療：對人體組織和醫療設備結構（如植入物和支架）之間的相互作用進行建模
工業：通過磁、結構和聲學分析識別振動源，減少電機的磨損
多物理場仿真
由于成本、時間或安全等約束條件，對多個物理域之間同時發生的復雜相互作用進行實驗研究不是一件容易的事，而通過多物理場仿真，可以對這些相互作用進行建模。通過跨工程學科傳遞和轉換數據信息，借助仿真人們可以更深入地了解產品性能。
計算機運算能力的最新發展、求解器速度和性能的提升以及工作流程構建方法的改進，加速了從單物理場仿真到綜合多物理場仿真的轉變。這種演變使工程師能夠更好地預測其設計在現實世界中的運行情況。
多物理場仿真的優勢
逼真的建模：準確捕獲多個物理域同時相互作用的真實場景
系統級分析：深入了解物理耦合如何影響整體系統性能
時間效率：同時分析整個系統，而不是僅僅對單個物理域進行分析
多物理場仿真的挑戰
數據一致性：不同的物理域具有不同的時間尺度、空間尺度和網格分辨率
用戶專業知識：多物理場仿真需要跨學科專家的知識
計算成本：多物理場仿真的處理強度需要大量的資源和時間
多物理場分析工具
通常，單個求解器側重于特定的物理領域，如結構力學、流體力學或電磁學。但有些求解器包含獨立的多物理場模型。例如，除了流體力學分析之外，Ansys Fluent?流體仿真軟件還可以對聲學、運動、固體傳熱和熱應力進行建模。
展開 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！
多物理場仿真提升飛機的雷電防護性能
拓展多物理場仿真在雷電防護領域的應用
借助多物理場仿真的強大分析能力，愛邦電磁不僅可以快速為客戶提供雷電測試服務，同時開發出了一系列雷電防護產品，例如新型雷電導流條、雷電防護金屬網、雷電抑制器等。其中新型片段式雷電導流條以其重量輕、對雷達天線信號影響小等優點受到用戶的好評。愛邦電磁還將多物理場仿真技術應用到了風力發電機等更多領域，用于提升不同設備的雷電防護性能。
“界面友好、結果準確、功能強大”是西安愛邦電磁的段雁超工程師對 COMSOL Multiphysics 的評價，“COMSOL Multiphysics 在試驗、研發和方案設計等方面幫助我們解決了很多問題，不僅有效減少了試驗次數、縮短了研發周期，還讓我們可以更深入地理解和優化防雷方案的設計。”愛邦電磁希望在未來，可以開發出性能更加完善的雷電防護系統，為客戶抵御雷電帶來的危害。
本文內容來自《COMSOL News》中國用戶特輯
展開 Ansys 將 Rocky DEM 添加到組合中，擴展和增強多物理場仿真以包括粒子動力學
Fluent 耦合使您能夠執行多物理場建模以模擬流體如何影響粒子流，和/或粒子如何影響流體的流動。Rocky DEM 可以與 Mechanical 結合使用來模擬破損或模擬結構應力如何受多體動力學運動的影響。Rocky 還與 Ansys Motion 耦合，當與 CFD 和/或 FEA 耦合結合時，可以對涉及散裝材料運動的完整機械系統進行靈活和全面的仿真。
該集成使您能夠模擬咖啡研磨機中研磨的豆子、糖果殼包裹的巧克力、粘在擋風玻璃上的雨滴、雪地摩托在新鮮粉末上行駛或灰塵和紅雀可能影響電器等現象。例如，Sub-Zero 使用 Rocky來定義和表示相關的空氣傳播材料，以模擬它們如何影響冰箱的熱交換器效率。Rocky 具有內置功能，可以使用通過虛擬鍵連接的球柱體元素對纖維材料進行逼真建模。
換熱器的 Ansys Fluent 速度仿真結果。底部：Ansys Rocky 預測的粒子沉積。
Rocky 還結合Ansys Maxwell和 Ansys EMA3D Charge 來研究受電磁 (EM) 場影響的帶電粒子。EM 求解器計算的磁場作為點云導入 Rocky。
現有集成還使您能夠通過Ansys optiSLang過程集成和設計優化軟件執行設計優化分析。
充滿可能性的世界
從農田到工廠，從礦山到制藥和醫學實驗室，Ansys Rocky 的機會似乎無窮無盡。我們期待與 Rocky 團隊更緊密地合作，將粒子動力學應用擴展到 DEM 的傳統范圍之外。
文章來源：ansys博客
展開 
顆粒動力學 | Ansys Rocky 助力擴展和增強多物理場仿真
離散單元法（DEM）是一種計算建模方法，可用于仿真顆粒和不連續/非均勻顆粒的行為。Rocky是一款領先的DEM軟件包，它結合了多個圖形處理單元（GPU）卡的強大處理功能，以加速顆粒動力學仿真，這有助于用戶在更短的時間內處理更大容量的數據。
Oracle云架構（OCI）和NVIDIA近期使用Ansys Rocky DEM軟件在OCI裸機圖形處理單元（GPU）模型上，對2億個顆粒分析進行了以前難以想象的仿真，這便是良好例證。
與顆粒、流體和結構進行組合
通過收購由南美長期渠道合作伙伴工程仿真和科學軟件（ESSS）運營的工程仿真和科學軟件Rocky DEM，S.L.，Ansys產品組合中再添一員——Rocky DEM。在此前的近兩年時間里，Rocky作為Ansys的合作伙伴產品（即Ansys Rocky），已經集成到Ansys旗艦軟件中。但是，此次收購將推動更深層次的集成。例如，將Rocky整合到Ansys產品組合中，將促進在Ansys技術產品組合中形成長期協同效應，而這在其它情況下難以實現，比如可以把Rocky納入PyAnsys框架。
目前，Rocky已被集成到Ansys Workbench環境中，使其能夠與Ansys Fluent和Ansys Mechanical進行耦合，以便分別用于計算流體動力學（CFD）仿真和有限元分析（FEA）仿真。Fluent耦合能夠執行多物理場建模，以仿真流體流動與顆粒流動之間如何相互作用。
展開 comsol電磁場與多物理場耦合專題線上培訓班
基礎的都會想解決自己的模型問題 （4）想系統性培訓學習comsol軟件
四、培訓講師
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
五、 COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真課表內容
一、多物理場耦合仿真及COMSOL軟件介紹
1、多物理場仿真的發展簡況。
2、操作界面介紹及操作技巧。
3、多物理場耦合的預定模式與耦合操作。
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。
展開 COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真專題線上培訓班
基礎的都會想解決自己的模型問題 （4）想系統性培訓學習comsol軟件
四、培訓講師
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
五、 COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真課表內容
一、多物理場耦合仿真及COMSOL軟件介紹
1、多物理場仿真的發展簡況。
2、操作界面介紹及操作技巧。
3、多物理場耦合的預定模式與耦合操作。
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。
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四、培訓講師
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五、 COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真課表內容
一、多物理場耦合仿真及COMSOL軟件介紹
1、多物理場仿真的發展簡況。
2、操作界面介紹及操作技巧。
3、多物理場耦合的預定模式與耦合操作。
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。
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