COMSOL Multiphysics 在材料科学领域的应用案例集.pdf-资料库

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案例中仿科技公司 CnTech Co., Ltd 铁矿床的磁勘探磁性探测是用于特定铁矿石脉的地质勘探的一种方法，对于是由磁铁矿和赤铁矿组成的矿脉。估算富铁层的质心位置和空间区域有助于减少开发的成本。被动磁性探测依赖于对局部地磁分布异常的精确绘图——即该区域的自然静磁场对基于地球磁偶极子模型的预测值的偏离大小。本案例研究了表面和空中探矿的地磁异常的估算结果。地壳的磁场异常可能来源于富铁矿石被感应后或者残余磁化的磁场。上图颜色图显示了相对于地壳表面铁矿石深度，而流线则为磁通量。案例来源：模型库AC/DC_Module>General_Industrial_Applications>Magnetic Prospecting of Iron Ore Deposits 冷坩埚冷坩埚是通过电磁场熔炼高纯度材料的有力工具，应用领域包括航空工业和医学假体中的钛合金加工、光电工业的硅净化等。本案例首先总结了冷坩埚3D 电磁模型的计算结果，然后计算了2D 瞬态电磁-流体力学耦合模型。该模型包含移动网格（ALE）技术，用以显示悬浮状态的液体形状（考虑电磁搅拌的影响）。最后根据2D 模型推断了3D 模型的初步结果。上图表示磁悬浮的应用——非接触式熔炼，同时考虑导电电流、电磁感应、热传导与磁悬浮等效应，用于制备钛合金、硅或纯玻璃等高纯度材料。案例来源：Numerical Modeling of a Levitated Liquid in a Cold Crucible，COMSOL 2007 年会全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 1 -

中仿科技公司 CnTech Co., Ltd 微波烧结本案例数值模拟了在单独的电场和磁场的TE102 空腔中铜粉末金属盒的微波加热，用于补充实验结果。一般来说，盒子的热耗散可能是由于电阻加热、介电损耗或磁损失。这些耗散机制分别耦合于盒子的有效导电率、有效复合介电常数、有效复合渗透系数。通过在COMSOL 中使用单独的电磁场测量值来联合各种损耗，模拟腔体中的物理场和加热趋势。仿真结果表明与实验吻合得很好，并有助于提供粉末金属中微波场相互作用的自洽结果。案例来源：Single Mode Microwave Heating of Copper Powder Metal Compacts，COMSOL 2006 年会熔融铝液滴凝固本案例使用COMSOL 模拟自由表面液滴凝固，包含质量守恒的水平集方法计算液滴自由表面的运动情况。本案例改进了Voller 和Prakash 提出的计算方法，综合考虑固液混合区域的对流和热传导，用于描述液相凝固的相变过程。金属熔融液滴流淌并冷却成型模拟。结果显示模型适用于高密度和高粘度的情况，同样也适用于高熔化潜热材料。上图表示温度场分布，涉及到两相流、传热和相变等热力学过程。案例来源：Solidification of a Liquid Metal Droplet Impinging on a Cold Surface，COMSOL 2006 年会全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 2 -

中仿科技公司 CnTech Co., Ltd 铝型材挤出本案例模拟了在类似滚动或挤出的整体成型过程中，金属合金在高温固态中变形，材料在理想塑性条件下流动。这类过程能使用计算流体力学有效模拟，其中材料作为高粘流体来考虑，粘度依赖于速度和温度。材料运动产生的内摩擦作为热源，所以传热方程与流体动力学部分的控制方程完全耦合。这一方法对处理大变形问题尤其有利。上图为剖面区域的速度场和流线。案例来源：模型库Heat_Transfer_Module>Process_and_Manufacturing> Fluid-Structure Interaction in Aluminum Extrusion 焊料冷却时的微结构晶体结构是指晶体的周期性结构，即晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征。晶体学中对晶体结构的表达可采取原子分立分布的方式，亦可用具连续分布的电子密度函数的方式。晶体生长技术在晶体的研究中占有极重要的地位。晶体是在物相转变的情况下形成的，物相有气相、液相和固相三种，只有晶体才是真正的固体。人工晶体的各种生长技术主要是从对这些物相转变的过程的研究发展而来。中山大学的黄智恒教授使用COMSOL 模拟了晶体生长过程，液态金属材料在冷却过程中形成的微结构。案例来源：An Experience in Microstructural Modelling Using COMSOL Multiphysics，COMSOL 2006 年会全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 3 -

中仿科技公司 CnTech Co., Ltd 连续铸造本案例模拟了液态金属棒的铸造过程。根据铸造速率和冷却过程优化铸造过程，模拟铸造过程中的热学和流体力学等方面。为了获得精确结果，必须耦合液态流场和传热及相变。模型包含了液态到固态的相变，同时考虑了相变潜热和变化的物理属性。上图为金属连铸过程以及模型截面的分解图，液体在口模内熔化并凝固时，液相瞬间释放相变潜热，这在模型中已经考虑到了。进一步说，对于金属合金，这种转变在一定的温度区间展开。当材料凝固时，材料性能变化很大。最后，模型也包含糊状区-固态和液态金属的混合区域，这是由于合金很大的转变温度区间和凝固动力学而产生的。案例来源：模型库Heat_Transfer_Module>Process_and_Manufacturing> Continuous Casting 湍流充模过程本案例显示了如何求解湍流两相流问题，即使用相场两相流，κ-ε湍流模型应用模式。工业规模的冲模流动问题经常包括具有高雷诺数的自由表面流，因此必须使用合适的湍流模型。由于液体射流的雷诺数很高，所以这个例子使用了化学工程模块可用的κ-ε湍流模型。上图为14.73ms 时的流体密度图。案例来源：模型库Chemical_Engineering_Module>Multiphase_Flow> Two-Phase Turbulent Flow 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 4 -

中仿科技公司 CnTech Co., Ltd 定向凝固柴氏单晶生长法(Czochralski single crystal growth method)又称提拉法，是目前生长氧化铝单晶（Sapphire）最经济也最常使用的方法。为能确保生长氧化铝单晶的质量及掌握坩埚内熔汤的生长情况，使用COMSOL 模拟分析电磁场、热场及流场三场耦合的柴氏生长氧化铝单晶过程，以获得熔汤内热流场分布情况及相关信息。左图为柴氏单晶生长过程的温度场分布，右图表示流场分布。摩擦搅拌焊接摩擦搅拌熔接（FSW）被广泛应用于接合高强度的铝合金，欧洲最大的航空公司之一的空中客车公司使用COMSOL 研究如何应用摩擦搅拌的熔接技术来降低制造成本。FSW 比弧焊或铆接拥有强度更高、更轻的熔接道，而且加工效率更高。对于特殊结合的熔接，FSW 特别有效（如航空用铝合金），熔接过程的形变小，可一次熔接厚截面，这样的加工熔接道具有极好的机械特性。研究小组以COMSOL 模拟三维热问题，为了计算热流，以二维轴对称模式来计算流动及热场的产生。上图表示熔接材料的三维温度场分布。案例来源：COMSOL 成功案例全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 5 -

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