Введение в COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics - это мощная интерактивная среда для моделирования и расчетов большинства научных и инженерных задач основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных (PDE) методом конечных элементов. С этим программным пакетом вы можете расширять стандартные модели использующие одно дифференциальное уравнение (прикладной режим) в мультифизические модели для расчета связанных между собой физических явлений. Расчет не требует глубокого знания математической физики и метода конечных элементов. Это возможно благодаря встроенным физическим режимам, где коэффициенты PDE задаются в виде понятных физических свойств и условий, таких как: теплопроводность, теплоемкость, коэффициент теплоотдачи, объемная мощность и т.п. в зависимости от выбранного физического раздела. Преобразование этих параметров в коэффициенты математических уравнений происходит автоматически. Взаимодействие с программой возможно стандартным способом – через графический интерфейс пользователя (GUI), либо программированием с помощью скриптов на языке COMSOL Script или языке MATLAB. Данное пособие рассматривает основы работы с программой только через графический интерфейс.

Программа основана на системе дифференциальных уравнений в частных производных. Существует три математических способа задания таких систем:

• Коэффициентная форма, предназначенная для линейных и близких к линейным моделей

• Генеральная форма, для нелинейных моделей

• Слабая форма (Weak form), для моделей с PDE на границах, ребрах

или для моделей использующих условия со смешанными и производными по времени. Используя эти способы, можно изменять типы анализа, включая:

• Стационарный и переходный анализ

• Линейный и нелинейный анализ

• Модальный анализ и анализ собственных частот

Для решения PDE, COMSOL Multiphysics использует метод конечных элементов (FEM). Программное обеспечение запускает конечноэлементный анализ вместе с сеткой учитывающей геометрическую конфигурацию тел и контролем ошибок с использованием разнообразных численных решателей. Так как многие физические законы выражаются в форме PDE, становится возможным моделировать широкий спектр научных и инженерных явлений из многих областей физики таких как: акустика, химические реакции, диффузия, электромагнетизм, гидродинамика, фильтрование, тепломассоперенос, оптика, квантовая механика, полупроводниковые устройства, сопромат и многих других.

Кроме вышеперечисленного, программа позволяет с помощью переменных связи (coupling variables) соединять модели в разных геометриях и связывать между собой модели разных размерностей. Для создания и расчета задачи рекомендуется следующая.

Лабораторная работа №1

Расчет вихревых токов (осесимметричная постановка).

Введение

В данном примере описана задача моделирования вихревых токов в проводящем цилиндре

окруженном витком круглого сечения, запитанным от источника переменного тока. Пример

демонстрирует использование нескольких подходов к решению задачи с учетом или без учета скин-эффекта в материале витка. Показано влияние частоты источника тока на распределение вихревых токов в объекте.

Постановка задачи

Задача решается в осесимметричной постановке относительно векторного магнитного потенциала. Моделируемые процессы - гармонические в квазистатическом приближении. Векторы магнитного потенциала и электрического тока перпендикулярны плоскости модели. Проводящий цилиндр (радиально-осевое сечение) представлен в виде прямоугольника, а виток с током в виде круга. Моделируемая плоскость - плоскость rz; горизонтальная ось модели является радиальной осью r системы, вертикальная ось модели совпадает с осью симметрии системы z. полная трехмерная модель может быть получена поворотом осесимметричной модели вокруг оси z на 360 градусов.

Решение:

Создаём рабочую область, задаём параметры моделируемых тел и полей. Разбиваем на конечные элементы рис.1.

Рис.1

Проводим анализ полученных результатов

Рис.2

Рис.3 Распределение векторного магнитного потенциала.

Рис.4 Силовые линии поля, распределение плотности тока наведенного в

цилиндре и распределение плотности тока в источнике. Такой режим соответствует витку из

однородного материала.

Рис.5 Плотность тока

Вывод: Продемонстрировали использование нескольких подходов к решению задачи с учетом или без учета скин-эффекта в материале витка. Показали влияние частоты источника тока на распределение вихревых токов в объекте - плотность тока в витке равна нулю, т.к. весь ток сосредоточен на поверхности в соответствии с заданными граничными условиями. моделирования вихревых токов в проводящем цилиндре окруженном витком круглого сечения, запитанным от источника переменного тока.

Лабораторная работа №2

2D-расчет электрического генератора.

Введение

В данном примере демонстрируется процесс наведения ЭДС в статорной обмотке генератора в результате вращения ротора с постоянными магнитами. Наведенная ЭДС вычисляется как функция времени. Также показано влияние на результат свойств материала, скорости вращения и количества витков в обмотке.

Центральная часть ротора выполнена из среднеуглеродистой стали, обладающей высокой магнитной проницаемостью. По периметру расположены постоянные магниты (SmCo), создающие сильное магнитное поле. Статор выполнен из того же материала что и центральная часть ротора. Обмотка намотана вокруг полюсов статора и расположена в пазах. Вся конструкция показана на рисунке ниже (фрагмент статора не показан).

Решение:

Генерируемое напряжение холостого хода в статорной обмотке по форме близко к синусоидальному. При скорости вращения ротора 60 оборотов в минуту амплитуда напряжения составила 2.3В для одновитковой обмотки. Форма напряжения представлена на рис. ниже.

Рис.6 Напряжение холостого хода

Материал статора и центральной части ротора обладает нелинейной зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля - кривая B-H. В COMSOL Multiphysics кривые B-H представляют собой интерполяционные функции, заданные по точкам

Рис.7 Кривая B-H

Проводим графический анализ. Строим модель

Рис.8 Геометрия модели

Производим конечно элементный расчёт, в итоге получаем модуль магнитной индукции и силовые линии поля.

Рис.9 Модуль магнитной индукции и силовые линии поля

Вывод: В данном примере продемонстрирован процесс наведения ЭДС в статорной обмотке генератора в результате вращения ротора с постоянными магнитами. Наведенная ЭДС вычислена как функция времени. Также показано влияние на результат свойств материала, скорости вращения и количества витков в обмотке. При скорости вращения ротора 60 оборотов в минуту амплитуда напряжения составила 2.3В для одновитковой обмотки.