COMSOL软件（通用6篇）
COMSOL软件 篇1
长期以来, 人们一直希望能够突破电子在信息传输上的瓶颈限制, 而让拥有极高信息容量和效率、极快响应能力、极强的互连能力和并行能力以及极大存储能力的光子来取代电子成为新型的信息载体.光子具有高传输速度、高密度及高容错性等优点, 成为代替电子作为信息的载体.光子晶体 (Photonic Crystal) 概念的提出, 加速了人们对光子作为信息载体的研究.
由于光子在光子晶体中的行为类似于电子在天然晶体 (从某种意义上来说可以叫做电子晶体) 中的行为, 固体物理中的许多概念都可用在光子晶体上, 所以光子晶体的基本特征是具有光子禁.频率落在禁带中的电磁波是禁止传播的, 因为带隙中没有任何态存在.光子晶体的另一个主要特征是光子局域[1,2,3,4].
光子晶体的出现使自由地操纵和控制光的行为成为现实, 人们能够按自己的需求, 以人工的方式设计和制造光子器件, 由于光子晶体能够控制光在其中的传播, 所以它的应用十分广泛.其主导思想就是利用光子禁带或禁带结构中的缺陷态来改变光子晶体中某种电磁态的密度, 以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件[5].
1 光子晶体通信器件的模拟[6,7]
1.1 光子晶体光纤
如今, 人们对光子晶体的应用研究得最多也是进展最快的领域莫过于对光子晶体光纤的研究.光子晶体光纤虽然和传统光纤的导光机制一样, 但是却具有明显优于传统光纤的特性, 诸如无截止单模、不同的色度色散、极好的非线性效应、双折射效应、较高的入射功率、非线性现象、易于实现多芯传输等, 这些优良特性使其在未来的光通信领域将有着广阔的应用前景.
图1是用comsol软件简单模拟了光子晶体光纤的光场分布.
从图中可以明显看到, 光只会分布在光纤孔中, 不会散射到其他区域.
1.2 光子晶体波导
传统的介电波导在传播电磁波是会在传输过程中损失能量, 特别是在拐角处损失的能量更多, 但是光子晶体波导可以改变这种情况.即光子晶体波导对直线和转角都有很高的效率.具有如此高效传播能力波波导使得人们不得不对其另眼相看.因此, 对光子晶体波导的研究也成为光子晶体应用研究的一个主要领域.
图2是用comsol软件模拟的直线波导和弯折波导的光传播情况.
从模拟图2中可以清楚看到:不在禁带区域的光会出现很强的散射, 传导模式不对会很快衰减, 只有在范围内而又有很好的传导模式的光才能顺利传播, 而且损耗极小.
看以看到, 与直波导相同, 弯曲波导的传输率也可以接近100%, 如图3所示.
1.3 光分波器
在通信电路中, 分波器是很重要的器件, 那么光分波器在全光路中必不可少, 图4 是T字型光分波器的光场模拟图.可以看到, 与图3中的直角弯折波导具有相似性, 只是光能量分开传播, 分开后的总能量与分开前的能量相差很小, 效率可以高达96%.
1.4 宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器
利用光子晶体的光子频率禁带特性可以实现对光子极优良的滤波性能.这是由于光子晶体的滤波带宽可以做得比较大.钻石结构的光子晶体的滤波带宽可以做到中心频率的 20%.而由S.Gupta等人所提出的金属-介质复合型光子晶体可以将从低频 (频率接近0 Hz) 直到红外波段的电磁波完全滤掉.这种大范围的滤波作用利用传统的滤波器是难以实现的.
另外研究发现, 当光子晶体中的某些单元被取消而造成缺陷时, 就会使得光子晶体的光子频率禁带出现一些“可穿透窗口”.即光子频率禁带内的某些频率会毫无损失地穿过光子晶体, 光子晶体的这一特性可以用来制作高品质的极窄带选频滤波器.
经分析可以知道, 为了得到窄的线宽, 应该选择合适的谐振腔和波导之间的距离.
图6a为频率在谐振频率处, 图6b传输频率仅仅偏离谐振频率1%, 而传输率却降低为输入的2%多一点.可见此时的滤波器带宽相当窄.
1.5 多组合滤波器
当把多个谐振腔与波导组合后, 会形成不同种类的滤波器.下面把两个波导两个谐振腔组合成一个二维光子晶体的三端口通道下路滤波器并用comsol软件模拟光传播, 如图7所示.
从图7可以清楚观察到, 光波从A端入射, 传输到B端的能量几乎为零了, 所以下载到C端的效率比较高.如果入射波端口改为C (此时此端口成为上传端口) , 能量将沿相反的方向传输从端口A输出, 而B端口因为反射谐振腔的反射而几乎得不到能量.
2 结 束 语
文中基于comsol软件对几种光子晶体通信器件的模拟, 模拟结果非常好地体现光子晶体器件的优越性, 并对模拟结果进行了简单分析, 并提出多组合滤波器设计思路, 为开发集成光通信器件提供了有益的参考.
参考文献
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COMSOL软件 篇2
电磁场特性的分析, 是了解和认识地层构造特点的重要分析手段之一。借用有限元软件数值计算电磁场响应特性, 是目前科研人员常用的手段。应用全球领先的COSMOL有限元软件, 以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现任意多物理场的高度精确的仿真。本文主要介绍COMSOL有限元软件在电磁响应特性的分析。
2 模型建立及网格剖分
COMSOL有限元软件集前处理、求解器和后处理器于一体, 可以在同一个图形化操作界面中完成几何建模、网格剖分、方程和边界参数的设定、求解以及后处理[1]。软件供用户在图形化界面中构建自己的几何模型, 模型建立后即可根据自带的自由剖分四面体网格的功能进行网格, 不用再设定数学方程, 简化了时间提高了效率。如图1a和图1b所示。
3 电磁场响应特性分析
有限元软件处理数据的关键一步就是后处理, 对于分析地层电磁场响应特性, 后处理参数的设定至关重要。应用COMSOL有限元软件自带的三维绘图组的流行, 切片图, 表面图, 箭头和离子追踪, 以及二维绘图组中的线图和表图, 进行分析。如图2a和图2b分别为Y发射线圈电场线和磁力线。
根据电磁场基本理论, 空间中电场和磁场是垂直正交的关系[2], 因此分析某一个具体方位的电磁响应特性, 可以用二维的面图进行表示。如图3a所示, 二维平面中的流行, 根据电流箭头的指向。结合电磁场基本理论, 便可以分析磁场的流向。
4 结论
COMSOL多物理场有限软件提供了强大的后处理功能, 用户可以根据可视化的图像更加便捷和精确的分析电磁场响应特性的规律。随着计算领域的进步, 势必会出现一些新的更具功能性和实用性为一体的软件出现, 为科研人员的科研工作提供更加高效的工具。
摘要：本文通过应用COMSOL Multiphysics有限元软件在对地层的电磁场响应特性进行分析, 应用软件自带的图像处理功能, 可以更加精确的分析场量之间的关系。
关键词：COMSOL Multiphysics有限元软件,电磁场响应,图像处理
参考文献
[1]COMSOL Multiphysics汉化手册AC/DC模块用户指南[OL].http://www.cntech.com.cn/ebook/index.html[1]COMSOL Multiphysics汉化手册AC/DC模块用户指南[OL].http://www.cntech.com.cn/ebook/index.html
COMSOL软件 篇3
对储层评价来说, 岩石含烃饱和度是一个重要的指标, 岩石电阻率是推断岩石含烃饱和度的一个重要物理量, 岩石电阻率参数一直被作为划分油水界面及评价储层的含油性及含油程度的重要指标。岩石电阻率与地层“四性” (岩性、物性、水性和含油气性) 紧密相关, 是油气解释评价的重要参数。通过岩石电阻率测试, 可以对测井曲线进行标定, 利用含油饱和度与电阻率关系确定储层饱和度, 通过饱和原油样品的电阻率测定确定含油饱和度等。因此, 利用电阻率测量仪器测量、求准地层真电阻率, 是估算地层原始含油 (气) 饱和度、识别油气层、进行储层评价的重要研究内容之一。
2 COMSOL软件介绍
COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算, 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。模拟科学和工程领域的各种物理过程, COMSOL以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。COMSOL是多场耦合计算领域的伟大创举, 它基于完善的理论基础, 整合丰富的算法, 兼具功能性、灵活性和实用性于一体, 并且可以通过附加专业的求解模块进行极为方便的应用拓展。
COMSOL是以有限元法为基础, 通过求解偏微分方程 (单场) 或偏微分方程组 (多场) 来实现真实物理现象的仿真, 用数学方法求解真实世界的物理现象。目前已经在声学、生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。本课题主要应用其电磁模块作为研究辅助工具。
3 模型建立及网格剖分
根据实际情况, 建立了一个20 (cm) *20 (cm) *15 (cm) 的地层环境, 在模型的水平和垂直方位各安装了2个对称的电极, 一个发射, 一个接收。从而来研究地层的电各向异性。网格剖分对于有限元方法来说, 是重要的一步。网格剖分的合理性, 直接影响数据是否精确。对于网格剖分, COMSOL有很多方法, 根据模型的特点, 经过多次试验, 先进性映射, 再进行扫略, 可达到最好效果, 如图1所示。图2是计算完成后的电流线分布图。
4 实验数据及结论
根据实验数据画出水平、垂直电阻率的对比图, 如图3所示。可得出以下结论:通过COMSOL的仿真, 在理想地层环境下, 地层各向异性的存在造成水平电阻率大于垂直电阻率。通过此采集系统得到地层电阻率, 对储层的评价, 进一步估算地层原始含油 (气) 饱和度, 识别油气层都有一定的研究价值。
摘要：本文应用COMSOL Multiphysics有限元软件对储层的电各向异性进行分析, 得到理想地层环境下的水平电阻率和垂直电阻率参数, 以便更好的来分析储层特性。
关键词：COMSOL,有限元法
参考文献
[1]张建华, 刘振华, 仵杰.电法测井原理与应用[M].西安:西北大学出版社, 2002.11.
COMSOL软件 篇4
海洋地震波种类及特性
我们知道, 海洋环境下存在着不同的地震波源, 海洋地震波主要包括有海底微地震、舰船地震波以及风浪海流导致的地震波。不同波源引发的地震波特性是不相同的, 其中海底微地震所引发的脉冲持续时间短、幅值大, 频带集中在0.1 ~ 50Hz;风浪海流导致的地震波虽然持续时间长, 但随机性强、幅值小, 频率基本都在1Hz以下;舰船地震波信号是舰船辐射噪声耦合进入海底介质在海底和海水分界面上的二次传播, 是通过海底切变波效应耦合到海底沉积层表面所产生的地震界面波。其最突出的特点是振动连续, 没有确定的初至时间, 并且随着舰船航行距离的变化而产生弱-强-弱的变化, 频带主要集中在1 ~ 100Hz。图1为在某渔船航行过程中海底地震仪的实测数据, 受到不同地震波源的共同作用, 我们明显可以观察到其中1 ~ 50Hz的信号幅值较大。
由以上特性分析可知, 若要提高接收舰船地震波的信噪比和分辨率, 抑制低频环境噪声干扰和提升1 ~ 50Hz舰船地震波的分离提取能力是首要考虑的问题。
界面波分析
在地震波动力学中, 两个半无限弹性介质的分界面可以形成一种面波, 它沿着分界面方向传播, 其振幅在直分界面的方向上按指数规律随着离开分界面距离的增而衰减。这样的面波称为斯通利波 (Stoneley) 波。资料表明, 在海底附近, 沿海水层与海底沉积层之间的界面上存在着这种海底波。这种界面波由P型和SV两种振动形式合成。
求解坐标如图2所示。
波的位移函数表达式:
其中为该波的波数, A (z) 和B (z) 为P分量和SV分量随深度变化的幅值。上述波函数满足纵波与横波波动方程:
将 (1) 带入 (2) 可得:
其中, 分别为纵波和横波的波数, 令
则方程 (3) 的解为:
结合已知的边界条件, |z|趋近于无穷时波振幅项为零, 则有z>0时取第二项, z<0时取第一项。假设为斯通利波传播速度, 为斯通利波波数。已知的边界条件为:界面处位移连续, 和界面处应力连续。
用位移函数表示位移和应力分量, 有
经过推导得到如下方程组:
方程组有非零解的充分必要条件是方程系数矩阵的行列式为零, 最终可以得到一个关于斯通利波的波速的四次方程。由相关文献可知, 当两种介质一种是流体时, 方程组总有合理的解, 即得出在海水与海底介质界面处的斯通利波总是存在的。由方程可知, 斯通利波波速与频率无关, 即在沿x轴传播过程中不会发生频散现象, 这种特性为舰船地震波的探测提供了稳定的信号。
探测传感器的选择
舰船地震波信号主要是舰船辐射噪声耦合到海底所产生的沿着海底界面传播的表面波属于低频微弱振动, 具有一般地震波的特点。但不同于陆地, 海底地震波检测要更多考虑传感器与海底介质的耦合问题。
由于矢量传感器技术日益成熟, 目前为止, 检测舰船地震波信号经常使用矢量速度传感器和矢量加速度传感器。矢量速度传感器是目前检测舰船地震波信号过程中最常用的传感器, 其输出信号为脉冲信号, 稳定性较好, 成本低, 性能稳定可靠。然而因为其自身特性, 工作频带较窄, 一般在10 ~ 100Hz, 对于10Hz以下的低频很难分辨。矢量加速度传感器有着和速度传感器一样的优点, 但与其不同的是, 矢量加速度传感器的带宽较宽, 既能分辨出10Hz以下的低频信号, 又能兼顾到较高频段信号使其不失真。因此, 矢量加速度传感器更加适宜在舰船地震波检测中被采用, 应该得到更多的关注。本文在仿真过程中也重点关注了信号的加速度信息。
仿真结果及分析
使用Comsol软件仿真, 假设海水-海底双层模型, 其中水深80m, 海底介质深度5m。声源在海面下5m处, 辐射声波选择球面波。假设界面处坐标z=5m。在不同频率下, 观察界面之下 (3m) , 界面临界处 (5m) , 以及界面之上 (10m) 的加速度分布情况。如图3, 图4, 图5 分别是25Hz, 50Hz, 75Hz频率下不同水平截面的响应情况以及不同频率在海域中部加速度垂向的变化情况。
由仿真结果对比可知:
(1) 在海水海底界面处加速度出现峰值, 到海底介质中迅速衰减, 证明了界面波的存在;
(2) 在界面层出现了明显的加速度信号分布, 理论上可以使用传感器直接进行测量;
(3) 声波能量与海底耦合效果与频率相关, 频率越低, 耦合效果越好, 信号能量会更集中在海水海底界面处。
结语
本文通过理论论证以及使用Comsol软件模拟海水海底界面对声源的响应, 证明了舰船引发地震波的存在, 并对得到的加速度信息进行了简要分析。结果显示, 在低频段, 信号与海底海水界面有着良好的耦合响应, 这对今后的实际测量的传感器频段选择, 以及海底地震仪的布放都有着一定的参考意义。实际海洋情况要远比仿真中双层结构复杂, 海底介质的多样性, 海水中也存在气泡、生物以及风浪海流的影响。对于仿真结果, 有待于进一步实验验证。
观点建议
COMSOL软件 篇5
电喷镀是镀液经由阳极喷嘴高速喷射于工件表面, 在强大的电场作用下实现沉积的加工过程, 此过程加速了物质的传输, 具有允许使用的极限电流密度大、沉积速度快、生产效率高的优点[1,2]。电喷镀过程中受流场、电场分布和电极过程等因素的综合影响, 形成不均匀的间隙分布, 从而影响镀层的表面质量[3], 阳极喷嘴的研制过程需要多次试验反复修正。为了缩短喷嘴研制周期, 本文通过建立流场的数学模型以及二次电镀的数学模型, 根据电喷镀加工工艺参数设置边界条件, 利用COMSOL Multiphysics软件对电喷镀加工过程进行模拟, 得到不同阳极喷嘴加工区域的流场、电场分布和不同时刻阴极生长的轨迹, 最终确定较优的喷嘴形状并与工艺试验结果进行对照。
1 阳极喷嘴的设计
阳极喷嘴为二维狭缝喷嘴体系, 根据先简单后复杂的设计原则, 对阳极喷嘴进行设计, 喷嘴口及喷嘴侧壁的宽度均设计为2mm。先采用圆柱棒简单加工而成的阳极即A型阳极进行加工分析; 为避免电荷集中, 应尽量使喷嘴的尖角结构减少, 因此设计了B型喷嘴; 最后参照窄角高冲击力扇形喷嘴的形状设计了C型喷嘴。三种不同结构的阳极喷嘴如图1 所示, 对应的仰视图见图2, 三种阳极喷嘴均可由圆柱棒料加工而成。
2 数学模型的建立
2. 1 流场模型
电喷镀加工过程中, 镀液压力高、流速大, 为了简化计算, 建模时对流体做以下假设:
( 1) 流体为连续不可压缩黏性流体, 镀液为理想状态的液体, 不含气泡、固体颗粒等杂质。
( 2) 加工过程中忽略介质温度的变化和温差造成的能量耗散, 其流动受质量守恒方程和动量守恒方程的约束[4]。
基于上述假设条件, 求解的不可压缩黏性流体的流动应满足连续性方程和N-S方程:
式中, u、v、w分别为速度v沿x、y、z方向的速度分量; ρ 为流体密度; p为流体微元体上的压力; μ 为动力黏度; ▽ 为拉普拉斯算子; F为体积力。
式 ( 2) 等价于如下方程组:
式中, Fx、Fy、Fz分别为体积力F沿x、y、z方向的力分量。
采用COMSOL Multiphysics中的湍流k-ε 模型进行求解。对于不可压缩流体的稳态流动, 湍流能k及耗散率 ε 的方程可分别表示为
式中, U0为法向流入速度; IT为湍流强度; Re*为按水力直径计算得到的雷诺数; Cμ为模型常数, 取0. 09; LT为湍流长度; Dh为水力直径。
根据试验的实际情况, 设置流场的入口边界条件为法向流入速度U0= 1. 4m / s, 出口边界条件为压力p0= 0。
这样, 得到喷嘴加工区域流场模型的基本方程如下:
2. 2二次电镀模型
通过建立二次电镀模型, 可得加工区域的电场以及阴极的生长状况。镀液以喷射的方式将高浓度的金属离子强制性地喷向阴极, 迅速补充阴极表面金属离子的数量, 因此电喷镀过程中, 电极电位偏离平衡值即电极极化完全不是由浓差极化造成的, 而是由于电化学步骤缓慢引起的[5,6,7]。这种情况下电极动力学满足Butler -Volmer方程:
式中, i为电流密度; i0为交换电流密度; αa为阳极转化系数; αc为阴极转化系数; F为法拉第常数; R为理想气体常数; T为开氏温度; Tref为参考温度, 取室温298 K; η 为过电位; E为电极电势; Eeq为平衡电势; E0, eq为标准平衡电势。
模拟过程中金属离子在阴极上发生还原反应导致阴极边界移动, 即阴极生长。电极上金属的摩尔通量可根据法拉第定律得到:
沉积速度为
式中, N为摩尔通量; γ 为化学计量系数; n为参与反应的电子数; M为摩尔质量。
电解质为镍磷镀液, 电导率 σ = 1. 78 S/m。电极边界条件为阳极电势Ea= 15 V, 阴极电势Ec= 0, 求解类型选择瞬态。
综上所述, 喷嘴加工区域二次电镀模型的基本方程为
3利用COMSOL对阳极喷嘴加工区域进行模拟
3. 1 流场模拟
阳极喷嘴对加工区域流场均匀性的影响是电喷镀研究中的关键部分, 通过建立流场的物理模型和数学模型对加工区域进行数值模拟研究, 根据模拟结果分析流场特性, 研究阳极喷嘴的结构对内部流场的影响, 有助于改善阳极喷嘴的结构设计。
在电喷镀过程中, 镀液从阳极喷嘴以一定的速度和压力垂直喷射到阴极表面, 镀液在这种连续的冲击状态下, 一方面减小了附面层和扩散层;另一方面限制了部分晶粒在垂直方向上的快速增长, 便于去除沉积层表面的浮层和粗晶粒层, 改善沉积层质量[8]。加工区域流场模拟结果如图3 ~图5 所示。图中的云图表示加工区域流体速度大小, 等值线表示加工区域流体压力大小, 其中镀液入口宽度为2 mm, 阳极喷嘴距阴极之间的间隙为1. 5 mm。由模拟结果可以看出, A、B两种阳极喷嘴正对的阴极表面处镀液流速均偏小且压力达到最大, 两边的镀液流速大、流场分布较均匀且压力由中间的最大迅速减小并达到均匀分布。C型喷嘴同样存在速度偏小点并且此处的压力最大, 但速度矢量差别大, 流场分布不均。并且B型喷嘴加工区域的流速及压力的最大值分别为1.7610m/s、1.8357 Pa, 均大于A型、C型加工区域的流速及压力, 结合文献[8], B型喷嘴更利于去除沉积层表面的浮层和粗晶粒层, 改善沉积层质量。综上所述, B型喷嘴加工区域流场分布均匀, 沉积层质量好, 有利于加工。
3. 2 二次电镀模拟
3. 2. 1 电场分析
电喷镀过程中, 沉积层生长规律的研究归结为电场强度和电流密度矢量分布的研究[9]。对于所设计的阳极喷嘴, 通过COMSOL建模, 对二次电镀进行模拟, 可以得到加工区域电场的近似分布, 有助于阳极喷嘴的优化。
加工初始时刻加工区域电场模拟结果如图6 ~ 图8 所示。图中的云图及等值线表示电解质电势的大小, 箭头表示电解质电流密度矢量分布情况, 箭头越大表示电流密度值越大, 其中阴阳极之间的间隙均为1. 5 mm。由模拟结果可以看出, 阳极喷嘴附近电解质电势较高, 阴极附近电解质电势低, 远离阳极喷嘴电解质电势变小且间隙处电解质电势变化最快即电势差最大; A型喷嘴出口处电流密度略小于喷嘴侧壁处电流密度, 喷嘴侧壁处的电流密度值最大, 其两边电流密度值迅速减小; B型喷嘴底部尖端及喷嘴出口处电流密度最大, 其两边电流密度值平缓减小且分布均匀; C型喷嘴电流密度集中在喷嘴侧壁的右半部, 此处电流密度最大, 其两边电流密度值迅速减小且喷嘴左半部分对电解质电流密度影响并不大。
3. 2. 2 喷嘴处沉积层生长
不同结构的阳极喷嘴导致阴极反应电流密度分布不同, 进而影响沉积层的生长。为观察不同结构的喷嘴对沉积层生长的影响, 在COMSOL中模拟沉积层的生长过程, 设置模拟时间为20 min。取每隔4 min绘制一次阴极反应电流密度曲线以及沉积层轮廓曲线, 可确保获得的各个时刻的曲线比较清晰, 便于观察它们之间的影响规律。
图9 ~ 图11 所示为不同时刻各阴极反应电流密度的变化曲线和沉积层生长的轮廓曲线。从图中可以发现, 在电喷镀过程中, 随着沉积层的增长, 加工间隙减小, 电场强度增大, 电极反应电流密度增大, 沉积速度增大, 使喷嘴结构对沉积层生长的影响表现得更加清晰, 这与电场理论和电沉积理论是相符的。A型喷嘴对应的沉积速度最快, 20 min后喷嘴处的镀层厚度达到0. 4 mm, 但随着时间的增加, 由于尖端荷电效应, 喷嘴正对的阴极处电流密度分布不均匀的现象越来越明显, 喷嘴正对的沉积层两端出现凸起现象; B型喷嘴对应的沉积速度略低, 20 min后喷嘴处的镀层厚度达到0. 36 mm, 喷嘴正对的阴极处电流密度分布均匀, 沉积层轮廓光滑; C型喷嘴对应的沉积速度最低, 沉积层轮廓不光滑且沉积层形状不规则。以上可以说明喷嘴的形状对沉积层的轮廓形状影响较大。
通过对阳极喷嘴加工区域的流场、电场以及沉积层生长过程的模拟, 可知底端为圆弧结构的B型阳极喷嘴的加工效果优于A型、C型喷嘴的加工效果。
1.t=0 2.t=4 min 3.t=8 min4.t=12 min 5.t=16 min 6.t=20 min
1.t=0 2.t=4 min 3.t=8 min4.t=12 min 5.t=16 min 6.t=20 min
4 试验验证
制作A、B、C三种结构的阳极喷嘴, 钛为阳极材料, 分别进行加工试验验证, 加工原理如图12所示。加工工艺参数与仿真中设置的条件相同, 电喷镀加工20min后, A、B、C三种结构的阳极喷嘴对应的镀层厚度分别为0.34 mm、0.31 mm、0.31 mm, 与仿真结果相比较 (图13) 发现, 喷嘴处镀层厚度比仿真结果小, 这是因为实际加工过程中电解质的消耗和加工产生的气泡降低了镀液电导率, 使得电流密度较仿真中的值偏小, 但沉积层形状与仿真结果相似, B型喷嘴的加工效果优于A型、C型喷嘴, 可认为仿真结果与试验结果吻合, 说明了COMSOL流场分析及二次电镀过程模拟的可靠性。
1.t=0 2.t=4 min 3.t=8 min4.t=12 min 5.t=16 min 6.t=20 min
5 结论
针对三种阳极喷嘴, 本文建立了流场以及喷镀过程中电极动力学的数学模型, 采用COMSOLMultiphysics软件分别对三种阳极喷嘴建立二维模型, 对流场、电场以及沉积层的生长过程进行模拟, 得到加工区域的流速、压力、电势和电流密度的分布图以及不同时刻阴极反应电流密度变化曲线和沉积层生长的轮廓曲线, 并对仿真结果分别进行试验验证。结果表明, 试验得到的沉积层轮廓与仿真结果相似, 且B型喷嘴的加工效果优于A型、C型喷嘴的加工效果, 与仿真结果相吻合。通过仿真模拟的方法, 减少了试验次数, 降低了试验成本, 为缩短阳极喷嘴的研制周期提供了参考依据。
摘要：为了缩短阳极喷嘴研制周期, 按液体湍流建立加工区域流场的数学模型, 并按照“电镀, 移动网格”建立二次电镀的数学模型, 根据电喷镀加工工艺参数设置边界条件, 采用COMSOL Multiphysics软件对加工区域进行数值模拟, 分析加工区域流场分布及电场分布对实际加工的影响, 并模拟不同时刻阴极生长的轮廓曲线, 最终确定较好的阳极喷嘴设计方案。结果表明, 底端圆弧状的阳极喷嘴获得的沉积层效果较好, 计算机模拟结果与工艺试验结果一致。
关键词：电喷镀,阳极喷嘴,流场,电场
参考文献
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COMSOL软件 篇6
1.1 数值模型范围的确定及网格划分
依据赵固一矿工作面的地表观测数据, 选取地表未受采动影响的位置作为模型的边界, 并依据该工作面的上覆岩土体及底板岩层的赋存, 确定模型上部以地表为界, 下部以煤层底板破坏深度以下为边界, 建立高为525 m、宽度为1 200 m的二维模型, 模型三角形单元数3577如图1所示。
1.2 边界条件的确定
以赵固一矿的水文地质资料为条件, 将200 m以下到底部含水层的深部粘土层、煤层和底板作为固体力学中不参与耦合的部分, 而浅部土层和基岩顶板底部含水层作为流固耦合的耦合部分。
固体力学边界:模型的左、右侧为辊支承位移边界条件, 顶部为自由边界。
渗流场边界:模型的左右两侧为压力边界, 压力梯度为静水压力梯度, 顶部为大气压力边界, 即P0=0, 浅部隔水层底部边界及底部含水层顶底部边界为无流动边界条件。
力学及渗流边界条件设定如表1所示。
1.3 厚松散层下岩土体参数的选取
结合赵固一矿水文地质资料中钻孔抽水试验数据, 确定了基岩和土体的物理力学参数如表2所示。流体参数:水的密度ρ=1 000 kg/m3;动力粘度μ=1e-3Pa·s;压缩系数α=5e-10 Pa-1。
1.4 模型计算
以土体固结的数学物理方程为基础, 通过数值模拟软件实现土体在采动影响下孔隙水压力变化和土体变形, 拟采用三个数值模拟试验方案分析采动情况下土体的固结压缩规律及土体固结对地表沉陷的影响[1]。
(1) 模型一:底部含水层不疏水的情况下, 采动影响下厚松散层内部土体的固结变形。
(2) 模型二:底部含水层疏水的情况下, 采动影响下厚松散层底部含水层的失水固结。
(3) 模型三:不考虑耦合固结的情况下, 采动影响下厚松散层地表移动变形情况。
上述三个模拟方案都调用了固体力学solid和达西定律dl模块, 前两者是流固耦合, 不同的是:模型一采空区顶板上边界的压力边界P0=ρgh, 而模型二考虑到由于煤层采出后导水裂隙带导通底部含水层, 造成底部含水层疏水, 水压降低41.5 m的水头压, 所以其压力边界P0=ρg (h0-41.5) ;模型三为不耦合状态下的求解, 即考虑松散层土体的采动不受孔隙水压力影响, 以及土体的体积变化不会造成孔隙水压力的扰动。
模型的求解时间为100 d, 其中每1 d为一个时间步。
1.5 计算结果分析
1.5.1 固结不疏水计算结果分析
该模型主要考虑:导水裂隙带未发育至底部含水层, 底部含水层未得到疏放, 采动扰动后含水层的孔隙水压力最终达到初始压力。一方面分析厚松散层条件下采动引起的底部含水层和浅部隔水层的土体固结现象, 另一方面通过此工况条件下的模拟来比较底部含水层疏放与未疏放对地表下沉的影响[2]。由于顶板含水层的孔隙水压力的变化对顶板基岩不会造成岩石的固结效应, 所以不分析顶板范围内的孔隙水压力变化情况。根据模型超孔隙水压力随时间的变化情况可知, 在t=0时刻, 由于顶部的土体在空间应力状态中受到压缩, 体积应变减小, 从而引起超孔隙水压力 (最大值为0.085 MPa) 。而底部含水层中部受到采空区的竖向下沉位移的传递, 受到拉伸变形体积应变增大, 所以产生最大值为0.25 MPa的负超孔隙水压力。因此, 随着时间的推进, 顶部正的超孔隙水压力和底部负的超孔隙水压力不断变化, 并最终达到初始孔隙水压力。
1.5.2 固结疏水计算结果分析
本模型主要考虑由于采空区顶板裂隙发育, 导水裂隙带导通底部含水层, 底部含水层中的水流向采空区, 引起底部含水层水位下降。为了模拟顶板导水裂隙带, 将顶部含水层设置为各向异性, 顶板含水层的竖直方向上的渗透率为水平方向的100倍, 以达到模拟导水裂隙带的目的。由于顶板为坚硬的砂岩, 顶板含水层水压达到4.8 MPa左右, 但是导水裂隙带发育后水位下降并不会对岩石造成固结压缩现象。所以, 本模型中对于顶板含水层孔隙压力对应力的作用项的系数设置为非常小, 即顶板岩层的水压变化不会影响其应力状态[3,4]。
由于导水裂隙带导通底部含水层, 根据首采面开采过程中顶板水的排水量, 在赵固一矿首采面开采过程中由于顶板导水裂隙带的水力疏放, 造成底部含水层水位下降41.5 m左右, 也就是说底部含水层采空区上方范围内水压平均下降了0.415 MPa。受到采动影响后, 顶板导水裂隙带发育至底部含水层, 引起含水层失水, 取底部含水层内特征点的超孔隙水压力、体积应变、竖直位移以及应力的变化, 来说明由于底部含水层疏放引起的流固耦合土体固结的现象。体积应变随时间变化曲线如图2所示, 孔隙水压力随时间变化曲线如图3所示。
图2表明, 在开采瞬间底部含水层由于受到拉伸体积膨胀, 体积应变为0.01, 由于体积膨胀会造成土体产生负的孔隙水压力。图3表明, 孔隙水压力由静水压力值4.23 MPa减小到了3.98 MPa。随着时间的推移, 在顶板裂隙带未导通含水层之前, 孔隙水压力是不断增加的, 这一时间段的孔隙水压力和不疏放情况下孔隙水压力的变化情况一致。在时间t=77 840 s时, 由于导水裂隙带发育至底部含水层, 导致底部含水层的孔隙水压力由4.06 MPa逐渐减小到3.81 MPa。在孔隙水压力先增加后减小的过程中, 土体有效应力先减小后增大, 引起土体在含水层未疏放时吸水膨胀, 受到疏放时由于有效应力增加, 土体骨架受力体积减小以及孔隙水压力变小、水的体积膨胀失水, 该点的最大主应力和最小主应力也是先减小后增大。从图2中看出, 土体体积先膨胀后失水固结压缩。从图4可以看出, 煤层开采后, 特征点的位移瞬间下沉为3.06 m, 而后的土体膨胀效应使得土体位移上升。但是水力导通以后, 土体失水固结压缩, 特征点的位移逐渐增大并最终稳定在3.28 m。
综上所述, 煤层开采后顶板导水裂隙带未发育至底部含水层之前, 孔隙水压力等变化规律和未疏放时的规律是一致的。而在底部含水层失水后, 孔隙水压力逐渐降低, 有效应力增加, 引起体积压缩, 进而造成特征点的竖直下沉增大。可以判定在巨厚松散层地区由于底部含水层水力疏放, 造成含水层水位下降, 有效应力增加产生压缩变形, 相对于底部含水层不疏放时增加了地表的附加下沉值。
1.5.3 固结与不固结对比分析
为了揭示厚松散层地区由于采矿活动引起的地表下沉规律, 依据赵固一矿矿区的土体特点, 建立了不耦合固结的模型, 依此来对比在考虑耦合固结和不考虑耦合固结厚松散层地区的采动沉陷规律。选取3个位置的下沉值来揭示在3种不同模型下的土体内部及地表的下沉值的变化规律:
位置Ⅰ:地表水平面, 即模型y=0的水平线;位置Ⅱ:底部含水层上边界, 即模型y=-415 m的水平线;位置Ⅲ:顶部隔水层上界, 即模型y=-46 m的水平线。
赵固一矿首采面上覆厚松散层在采动的影响下底部含水层由于导水裂隙带的导通, 失水固结压缩以及浅部隔水层粘土由于超孔隙水压力的消散引起的固结压缩, 两者共同作用加大了松散层地表的下沉值[5]。
将对比数据汇总为表3综合分析:分析对比厚松散层条件下土体固结压缩和不发生固结压缩模型的沉降情况, 说明底部含水层的失水压缩附加下沉量为0.24 m, 顶部隔水粘土层的孔隙水压力消散引起的压缩固结附加下沉量为0.04 m。在赵固一矿首采面考虑固结情况下, 地表最大下沉值为2.41 m, 而不耦合固结情况下地表下沉盆地的最大下沉值为2.18 m。即考虑厚松散层固结效应的赵固一矿地区附加下沉值为0.23 m。
2 结论
以赵固一矿为工程背景建立了不耦合固结的模型, 考虑耦合固结和不考虑耦合固结厚松散层地区采动沉陷规律得到: (1) 在厚松散层条件下由于顶部隔水层的固结效应, 土体产生压缩变形加剧土体的沉陷下沉值, 其特征点的下沉值由3.31 m增加到3.34 m。 (2) 在采动影响下底部含水层的失水压缩为0.24 m, 顶部隔水粘土层的孔隙水压力消散引起的压缩固结量为0.04 m。在厚松散层地质条件下开采, 由于土体固结压缩效应引起的赵固一矿首采面附加下沉值为0.23 m。
摘要：基于COMSOML Multiphysics有限元数值模拟软件对扰动土体固结沉降建立数值模型, 模拟分析巨厚松散层条件下开采的土体固结现象, 阐述了此种地质条件下井下开采地表沉陷的机理。
关键词：井下开采,COMSOL模拟软件,巨厚松散层,数值分析,土体固结,地表深陷
参考文献
[1]李永树, 王金庄, 陈勇.复合岩层采动沉陷理论研究[J].河北煤炭建筑工程学院学报, 1996, (2) :27-34.
[2]张观瑞, 张永波.松散层厚度对地表移动和变形的影响[J].山西建筑, 2000, 32 (6) :132-133.
[3]高庆潮, 胡炳南.特厚冲积层条件下大采高综采地表移动变形特征[J].煤矿开采, 2001, 8 (2) :19-21.
[4]朱光亚, 葛晓光, 李成明.淮北矿区松散层底部含水层粒度结构与渗透系数的关系[J].安徽地质, 2006, 16 (3) :165-168.