COMSOL

COMSOL（共6篇）

COMSOL 篇1

目前, 舰船减震降噪技术日益成熟, 噪声得到了很大抑制。特别是噪声在浅海传播过程中, 声波在短时间内经过多次海底海面反射, 原本就被抑制到很弱的声波能量大量透射进入海底和海面上方空气中, 在海水中的能量会迅速衰减;另外, 由于声波在浅海波导中传播时存在截止频率, 导致声源的低频成分无法在海水中进行无衰减传播。因此, 在信号接收过程中必须要考虑到耦合进入海底的这部分能量, 即舰船地震波。由舰船引发的海底地震波信号可以作为在特殊环境下水声信号的有力补充, 以此来更全面地获得水下声场信息, 并以此分析目标特性。

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

放眼古今中外, 人类社会的每一项进步, 都伴随着科学技术的进步。尤其是现代科技的突飞猛进, 为社会生产力发展和人类的文明开辟了更为广阔的空间, 有力地推动了经济和社会的发展。中国的计算机、通讯、生物医药、新材料等高科技企业的迅速增长, 极大地提高了中国的产业技术水平, 促进了工业、农业劳动生产率大幅度提高, 有力地带动了整个国民经济的发展。实践证明, 高新技术及其产业已经成为当代经济发展的龙头产业。科学技术的进步和普及, 为人类提供了广播、电视、电影、录像、网络等传播思想文化的新手段, 使精神文明建设有了新的载体。同时, 它对于丰富人们的精神生活, 更新人们的思想观念, 破除迷信等具有重要意义。

COMSOL 篇2

关键词：联合仿真,COMSOL,MATLAB

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, 被称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。在模拟科学和工程领域的各种物理过程中, 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是以有限元法 (FEM) 为基础, 通过求解偏微分方程来实现真实物理现象的仿真。目前已经在声学、生物科学、化学反应、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、光学等领域得到了广泛的应用。尽管COMSOL在仿真方面能力强大, 但是由于软件没有可以输入程序的功能, 使COMSOL对于进行大量重复性工作时, 如果全由人工进行, 工作量非常大。而COMSOL其实是起源于MATLAB的Toolbox, 最初命名为Toolbox1.0。因此这两款软件之间相互兼容, 可以联合起来进行仿真。这样, 利用MATLAB进行编程, 实现COMSOL的建模、计算、后处理等工作。

1 COMSOL与MATLAB联合仿真的实现方案

1.1 COMSOL与MATLAB联合仿真环境的连接方式

本文采用的软件是Matlab2011b和COMSOL 4.3, 系统为Win7, 64bit。安装顺序为先安装MATLAB, 然后安装COMSOL到MATLAB的子文件夹下, 并勾选link to MATLAB选项。安装完毕后, 桌面上会出现快捷方式COMSOL 4.3 with MATLAB, 图标如图1所示。打开COMSOL with MATLAB会打开MATLAB界面, 然后手工打开COMSOL。这两个软件就通过一个共同的服务器联系在一起了。

1.2 COMSOL和MATLAB相互调用的方法

(1) MATLAB调用COMSOL模型文件:对于COMSOL中已经建好的某个模型, 将其保存为MATLAB可调用的.M格式文件, 然后在MATLAB的工作路径里找到这个文件并打开即可;

(2) COMSOL调用MATLAB模型文件:对于MATLAB中通过M语言已经编好的M模型文件, 运行 (Run) , 在COMSOL的File下找到“从服务器导入模型”即可。

(1) 双击COMSOL 4.3 with MATLAB

(2) 双击COMSOL此时, MATLAB和COMSOL的界面都出现了

(3) 在MATLAB中运行需要导入到COMSOL的m文件

(4) COMSOL中, file菜单下, client serve下, Import此时, 用对话框中的默认设置即可, 如图2所示, 确定后, 刚才的m文件就导入完成了, 后续操作可以在COMSOL中操作

2 COMSOL与MATLAB联合仿真的应用实例

2.1 COMSOL调用MATLAB实例

下面通过一个实例, 在一个方形中, 画一系列的圆, 并选择这些圆的边界, 通过该实例具体说明COMSOL调用MATLAB的方法及步骤。

(1) 建立模型

启动COMSOL with MATLAB后, 在MATLAB界面的命令行中导入模型类

(2) 创建模型对象命令

(3) 创建几何模型结点

(4) 设定几何模型的参数

本例中在一个边长为1的正方形中添加一系列的圆形, 并将圆形的个数、圆的半径以及坐标位置进行设定, 在这里, 将圆的个数设置为10, 圆的半径为0.03, 圆心的坐标位置通过函数linspace (x1, x2, n) 进行设定。

(5) 选择几何模型的边界

通过for循环程序依次选择圆的边界

在MATLAB脚本中编辑上述代码, 运行结果图3所示。

当要对本模型进行的计算及其他后处理操作时, 只需要将该MATLAB脚本文件导入到COMSOL界面中, 方法为:打开COMSOL, 在COMSOL中, file菜单下, client server下, import此时, 用对话框中的默认设置即可, 确定后, 刚才的m文件就导入完成了, 导入到COMSOL中界面如图4所示:后续操作可以在COMSOL中操作, 从而实现了COMSOL与MATLAB的联合仿真。

2.2 MATLAB调用COMSOL实例

在COMSOL中通过GUI方式建立的求解模型直接保存为***.mph之后, 可以另存为直接在MATLAB中可以调用的M-file文件model.m, M-file的运行要借助COMSOL的计算核心, 是在不打开COMSOL程序界面的情况下后台运行计算, 并输出结果, 这使得在MATLAB程序中调用COMSOL成为可能。

下面对COMSOL案例库中点圆的状态方程这一实例, 目标是实现点圆的源项的取值从1到5, 分别求解计算结果。通过这一案例具体说明MATLAB调用COMSOL的方法。

(1) 首先打开point_source.mph, 将其保存为M文件, 命名为demo.m

(2) 启动COMSOL with MATLAB

在MATLAB命令行中输入命令edit demo, 这样就打开了该案例的脚本文件如图5所示:

在该脚本中可以看到在COMSOL中的每一步操作都转换成了MATLAB中代码, 包括模型的建立、模型参数的设定、物理场的设定, 以及网格化和求解。

(3) 修改脚本

在本案例中, 是要修改它的源项f值, 因此首先找到脚本中源项f值这一语句

这里的f=1, 由于本案例是要求f的值从1到5的计算结果, 因此在脚本文件中添加一个for循环语句, 使f的值从1变到5时依次做5次的循环计算。

(4) 程序如下

上面的例子是COMSOL与MATLAB联合仿真的一个简单应用, 在实际的数值计算, 以及工程应用中, 可以很好的利用COMSOL与MATLAB的联合仿真技术, 从而简化应用程序的开发工作量。

结语

COMSOL又是通用大型任意多物理场直接耦合分析软件, MATLAB能提供强大的数学计算功能和丰富的工具箱, 本文充分利用了二者的优势, 实现了MATLAB与COMSOL的数据传递和调用, 通过COMSOL与MATLAB的有效结合, 大大简化了对数据的处理步骤, 提高了仿真效率, 发挥了COMSOL with MATLAB的强大优势。

参考文献

[1]Zimmerman W B J.Multiphysics Modeling With Finite Element Methods.Series On Stability[J].Vibration And Control Of Systems, 2006 (14) .

[2]冯忠奎, 等.基于MATLAB与COMSOL联合仿真的电磁优化设计[J].电磁分析与应用, 2012 (01) .

[3]Multiphysics C.Comsol.Inc., Burlington, MA, www.comsol.com, 1994.

COMSOL 篇3

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

[1]李铭华, 袁诗璞.高速电镀[M].成都:四川农业出版社, 1980.

[2]刘荣, 康敏.数控电喷镀工艺试验研究[D].南京:南京农业大学, 2011.

[4]王东屏.CFD数值仿真建模技术的研究及其在高速动车组中的验证[D].大连:大连理工大学, 2006.

[5]龚竹青.理论电化学导论[M].长沙:中南工业大学出版社, 1988.

[6]蔡铎昌.电化学研究方法[M].成都:电子科技大学出版社, 2005.

[7]Heinemen W R.Electroanalytical Chemistry[M].New York:Marcel Dekker, 1984.

[8]李荻.电化学原理[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1989.

COMSOL 篇4

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 篇5

双侧向测井是一种聚焦型电阻率测井方法, 是在三侧向测井与七侧向测井的基础上发展起来的。它能利用同一电极系同时进行深测与浅测, 因而具有明显的优点。双侧向测井电极系包括9个电极:一个主电极A0, 两对监督电极M, M'和N, N', 两对屏蔽电极A1, A1'和A2, A2'。以主电极为中心, 每一对电极相对A0电极对称地排列, 并且每一对电极之间相互短路相连。

2 建立模型及网格剖分

应用COMSOL软件建立几何模型, 模型最外层为地层, 地层中间为井眼, 仪器位于井眼中心位置, 所以该模型只对仪器不偏心的情况下适用。

在对模型进行网格剖分时, 最难的部分就是对仪器电极进行剖分, 剖分不合理会对最终计算的电阻率有很大的影响。所以在这一部分, 本文采用的是均匀加分布的形式对各个电极进行剖分处理。图1所示为模型的网格剖分。

3 计算视电阻率

双侧向测井分为深侧向和浅测向两种模式。在进行深侧向测井时, 主电极A0发出的电流为I0, 屏蔽电极A1和A1'发出的总电流为I1, 屏蔽电极A2和A2'发出的总电流为I1'。其中I0是给定的常数, I1和I1'是待定的, 要通过仪器的自动调节, 使得满足下列两个条件来确定

式中, U (A1) 和U (A2) 分别为屏蔽电极A1和A2的电位, γ为常数, U (M) 和U (N) 分别为监督电极M1和M2的电位。

在进行浅侧向测井时, 主电极A0的电流为I0, 屏蔽电极A1和A1'发出的总电流为I1, 电极A2和A2'变成回路电极, 总电流为I1'=-I0-I1。其中I0是给定的常数, I1是待定的, 要通过仪器的自动调节, 由 (2) 式的条件来确定。

无论深侧向还是浅侧向, 需要测量的都只是任一监督电极上的电位值, 记为Um, 视电阻率由下式确定式中的是井周围介质电阻率数值的综合反映, K为电极系系数。

4 响应特性分析

将计算得出的视电阻率值的深浅模式井眼校正绘制成下图2与图3, 该图跟斯伦贝谢公司的井眼校正图版对比是一致的, 从而验证了该数据结果的正确性。

摘要：本文对基于COMSOL Multiphysics有限元软件在双侧向测井中的研究进行了介绍, 计算了双侧向测井的深模式和浅模式响应。

关键词：COMSOL Multiphysics软件,双侧向测井,深模式,浅模式

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.

COMSOL 篇6

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.