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CAE/模拟仿真 |
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基于COMSOL Multiphysics的二次燃烧炉设计 |
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newmaker |
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“有限元的未来是多物理场耦合”，因为多物理场耦合能最大程度地体现分析对象的真实工况，在真实环境下，研究对象往往同时受多个场的作用，越是逼近真实的也就越是合理和可靠的。COMSOL Multiphysics通过耦合变量来求解各个物理场的反演方程和积分方程，耦合变量作为各个独立场的公用变量，进行同时求解，形成一个完整的总刚矩阵，从而实现与这类直接推导耦合方程类似的求解过程。
COMSOL Multiphysics在当今科学及工程领域已得到了大量成功的应用，赢得了广泛的好评。荷兰Hi End线材名厂Siltech在25周年庆典上推出39对限量Pantheon喇叭庆祝，为了得到最优化的音响效果，特意采用COMSOL Multiphysics模拟设计出独有的内部构造。瑞典Outokumpu Copper R&D (Västerås, Sweden)的工程师Jonas Fjellstedt通过COMSOL Multiphysics来获得提高生产金属棒效率的方法。借助COMSOL Multiphysics的帮助，Jonas Fjell stedt成功的将原来的加工速度提高40%，这意味着公司无需新建生产线就可以增加产量，从而节约大量成本。欧洲空中客车公司采购了100多套COMSOL Multiphysics用于先进飞机的设计，确保新研制的飞机在技术上的竞争力。而在高校里，COMSOL Multiphysics则作为优秀的教学辅助工具，以其强大的开放性，得到了日益广泛的应用和好评。
Rowan大学K.K.Bhatia教授正在指导学生使用COMSOL Multiphysics对汽车引擎进行模拟
意大利Catania大学工业与机械工程系Giuliano C.博士等人的一个研究成果向工程界展示了COMSOL Multiphysics在计算化学燃烧，设计燃烧炉等方面的优异性能。
首先，让我们来看看这样一个应用于热回收蒸汽发电机的二次燃烧炉，如下图所示，左图为内部结构示意图，右图为2D截面图。其中TEG指湍流废气，在这个燃烧炉中，由于油料的燃烧，产生大量的热和废气，除了出现高温气体的湍流，还有多达五种物质的化学反应：CO，H2，O2，CO2和H2O。对于数值模拟而言，需要解决的问题是气体的流动，温度的传导及对流，以及化学反应。很明显，这个过程是一个完全耦合的多物理场问题：由于气体的流动，使得温度的对流加剧，温度的不同则影响到气体的流动属性的变化(密度和粘度等);化学反应热成为温度的热源，而其反应常数却又受温度的极大影响，反应速率则依赖于反应物的浓度，后者是通过气流进行扩散和对流。
二次燃烧炉示意图
COMSOL Multiphysics除了提供自定义的偏微分方程(PDE)应用模式用于求解用户自己建立的数值模型，还预置了大量的可完全进行相互耦合的物理应用模式。Giuliano C.博士采用k-ε湍流应用模式来模拟气流，用广义传热模式来模拟温度扩散及对流，其中的热源可以通过化学反应速率方程来描述。
经过计算，可以模拟各种不同条件下，燃烧炉中的温度、流速、物质分布等，并分析各种条件的影响，从而设计出最佳的炉体和生产条件。当加注燃料的速度接近设计值时，燃烧炉中的各种参数的分布如下：
从左到右依次为流线图，温度等势面图，水分的浓度分布图
通过计算机模拟得到的只是理论上这种二次燃烧炉所能达到的效率，实际生产中，由于装配上的问题，整个燃烧炉中常常会出现气体等的泄漏，特别是在靠近喷嘴的位置，当高温反应气体泄漏到再循环炉体后，容易导致炉体的熔融(如下图)。
左图为高温气体泄漏示意图，右图为水分的浓度分布
通过模拟，结果表明可以通过在整个装配体中添加一些耐高温挡板，减少这种高温气体的泄漏，因此经过仿真设计后，最终得到如下图所示的二次燃烧炉的炉体结构。
经过仿真设计后的二次燃烧炉的炉体结构
利用COMSOL Multiphysics强大的耦合计算能力，实现了对这样一个二次燃烧炉的仿真计算和优化设计，充分表现出COMSOL Multiphysics有足够的实力成为广大工程师手中的设计利器。
为了帮助使用者能快速地掌握使用软件的技巧与发展自身的模型，透过COMSOL Multiphysics提供的模型案例数据库，只需要开启模型案例，再利用操作步骤的说明文件与详细的理论背景，模拟工作将更具效率。例如，通过在多孔介质流动中耦合化学反应，模拟了在反应器中反应物和产物的流动、温度及浓度分布，并结合产物的分布，提出了如何进行优化设计。
COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多物理场双向直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，以高度的开放性受到了科研工作者的极大欢迎，其独特的设计理念使其在数值领域得到了广泛应用，技术上已处于世界领先地位，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，曾多次被NASA技术杂志评选为“本年度最佳上榜产品”，NASA技术杂志主编点评到，“当选为NASA科学家所选出的年度最佳CAE产品的优胜者，表明COMSOL Multiphysics是对工程领域最有价值和意义的产品”。
COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL
COMSOL公司 在 1986 年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目前已在比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。
更详细的信息请参考http://www.comsol.com(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/28/2009) |
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| COMSOL, Inc.联系方式：
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http://www.femlab.com
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电话：-781-273-3322 |
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