COMSOL Multiphysics® 6.1

Rádi bychom vám představili novou verzi COMSOL Multiphysics 6.1. Nejnovejší COMSOL Multiphysics je o 30 % rychlejší v simulacích proudění tekutin a jeho řešič elasticko-akustického vlnění dosahuje úspory výpočetního času dokonce 40 %. V úvodu je také nutné zmínit, že COMSOL přináší nové funkce pro simulaci turbulentního proudění, jmenovitě za použití DES (Detached Eddy Simulation). Nová verze Heat Transfer Module potěší český a slovenský vesmírný průmysl, protože nabízí tepelné analýzy objektů na orbitě planet. COMSOL Multiphysics 6.1. je však také o drobných ale užitečných vylepšeních: například lze vybrat a nastavit druh vinutí v simulacích elektromotorů nebo je k dispozici robustnější a stabilnější podmínka kontaktu v mechanice struktur. Dále přibylo nové rozhraní pro analýzu akumulátorů („battery pack“), které mohou obsahovat až několik stovek článků. Z oblasti akustiky si COMSOL připravil zajímavou novinku v podobě možnosti simulace syntetizovaných proudů v novém rozhraní „acoustic streaming interface“. Každý si na první pohled všimne, že lze nově vykreslovat grafiku s realistický­mi stíny.

Novinky, které se týkají všech.

Jádro COMSOL Multiphysics 6.1 přináší několik zajímavých vylepšení, které ocení všichni uživatelé. Týká se to totiž základních funkcionalit software. Co nás zaujalo nejvíce?

Zpracování výsledků

• Grafika vizualizací nabízí přímé vykreslení stínů. Působivá je ukázka rozpohybované větrné elektrárny, jejíž stín se pohybuje spolu s lopatkami rotoru.
• Byl vylepšen algoritmus vykreslení proudnic (Streamline). Nyní se proudnice vykreslují s rovnoměrnějším rozložením.
• Nové nabídky v barevných škálách. Máte možnost vykreslit barevné mapy buďto spojitou nebo diskrétní škálou barev. Diskrétní škálu barev jste mohli používat i dříve, ale museli jste k tomu použít kontury vyplněné barvou. Nyní to lze provést snadněji.

Novinky v oblasti elektromagnetismu

Simulace elektromagnetismu jsou v COMSOL Multiphysics velmi široký pojem. Co je nového v tradičně velmi multifyzikální oblasti?

Síť a import sítí

• Proběhlo značné vylepšení algoritmů pro síťování mezní vrstvy u složitějších geometrií. Díky tomu by měly být Vaše CFD simulace stabilnější.
• Vysoce oceňovanou a poměrně novou schopností CAD Import Module je upravovat importované sítě případně upravovat geometrii na úrovni sítě. Právě toho se týkají vylepšení. Do nové verze byly přidány operace známé z opravy CAD geometrií, avšak nově je můžete využívat také pro úpravu importovaných sítí, např. z 3D skenu. Jsou to operace: „Merge faces“, „Merge Edges“, „Merge Vertices“ nebo třeba „Collapse small faces“ nebo „Collapse edges“.
• CAD Import Module dostal v oblasti úpravy importovaných sítích vylepšení v podobě možnosti přesíťování strukturovanými elementy. Doposud bylo možné přesíťování importované sítě nestrukturova­nou sítí.

Novinky v oblasti elektromagnetismu

Simulace elektromagnetismu jsou v COMSOL Multiphysics velmi široký pojem. Co je nového v tradičně velmi multifyzikální oblasti?

AC/DC Module

• Vylepšení simulací elektromotorů jde ruku v ruce s rostoucí snahou automobilek o produkci elektromobilů. Ve verzi COMSOL 6.1 naleznete nově podmínku Multiphase Winding pro lepší definici vinutí.
• Při konstrukci elektromotoru lze od nové verze využít také funkcionalitu „Magnet Arrays for Electrical Machines“. Díky tomu lze snadno namodelovat i pole složitého rotoru.
• AC/DC Module byl doplněn o nové multifyzikální rozhraní: Magnetohydrody­namics. Díky němu můžete simulovat magnetické tekutiny – jejich pohyb a interakci s magnetickým po­lem.
• Doplněn byl také nový add-in, makro zjednodušující EMC/EMI analýzy. Add-in umí ze simulace vytvořit náhradní elektrický obvod, se kterým lze zjednodušit i náročné FEM modely. Naleznete ho v Add-in library pod názvem „Circuit Extractor“.

RF Module

• Mnoho našich zákazníků potěší nové rozhraní: „Electrostatic Discharge and Lightning Pulses“. Výboje mohou mít na elektrická zařízení fatální vliv a toto rozhraní obsahuje předdefinované pulzy (elektrostatický nebo úder blesku).
• Zajímavé vylepšení zpřehledňující zadávání RF Portů přináší nová možnost vykreslit si ještě v preprocessingu mód obdélníkových, kruhových nebo koaxiálních portů popsaných analytickou funkcí.
• Jak pro RF tak vlnovou optiku přibyla nová okrajová podmínka „Layered Impedance Boundary Condition“ popisující jedno- nebo vícevrstvé metalické nebo dielektrické tenké vrstvy – například anti-reflexní vrstvy v optických systémech.

Plasma Module

• Řady vylepšení se dočkal Plasma Module. Nejdůležitější je nové multifyzikální rozhraní propojující Induktivně (ICP) a kapacitně (CCP) couplované plasma. Nové rozhraní se jmenuje „Inductively Coupled Plasma with RF Bias“ a spojuje tedy fyzikální rozhraní „Plasma, Time Periodic“ a rozhraní „Magnetic Fields“. K tomu přibyl nový příklad použití do aplikační knihovny.
• Jako užitečný se jeví Add-in Plasma Chemistry, který za Vás nastaví chemické reakce a prvky pouze na základě zadaného textového souboru. Opět je k dispozici několik příkladů použití v aplikační knihovně.

Wave Optics Module

• Přibyla nová okrajová podmínka popisující jedno- nebo vícevrstvé tenké antireflexní vrstvy.
• Pro uživatele simulující metamateriály byly implementovány nové druhy portů k periodickým strukturám metamateriálu.
• Implementace nového modelu dielektrického rozptylu smíšených materiálů vyjádřených plošnými elementy. Rozptyly se týkají třeba kapek kapaliny.

Ray Optics Module

• Byl přidán doménový kalkulátor „Fluence rate“, tedy množství paprsků dopadajících na velmi malý sférický detektor v libovolném místě výpočetní domény. Jedná se o cennou funkci například pro simulaci ultrafialových čistících systémů, protože tak lze předpovědět množství UV záření, které je absorbováno bakteriemi nebo patogeny.

Novinky v oblasti strukturální mechaniky

Uživatelům modulu Structural Mechanics přináší COMSOL Multiphysics verze 6.1 vylepšení kontaktního modelování, možnost přidávat lineární a nelineární materiály na hranice výpočetní oblasti a novou funkci, která numericky testuje a ověřuje chování materiálového modelu pro danou sadu materiálových vlastností. Oblast strukturální mechaniky se letos těší z velkého množství vylepšení a podle našich informací to je trend, který bude pokračovat.

Vylepšené modelování kontaktů

• Byl implementován nový, rychlejší algoritmus pro vyhledávání kontaktů. Je výhodný zejména pro velké 3D modely.
• Byla přidána Nitscheho metoda pro formulaci kontaktních rovnic. Jedná se o spolehlivou metodu, která nepřidává žádné další stupně volnosti.
• Pro všechny kontaktní modely byly přidány nové, stabilnější formulace kontaktních rovnic.
• Drobná vylepšení se objevila také ve fyzikálních rozhraních pro skořepiny a membrány. Nyní se počítá se skutečným povrchem na zakřivených geometriích.
• Byla vylepšena podpora tzv. samokontaktů (self-contact). Formulace je nyní symetrická mezi oběma stranami kontaktní dvojice.

Další ukázka samokontaktu viz https://www.comsol.com/…anics-module

Zcela nová funkcionalita: numerické testování materiálových mo­delů

U složitých materiálových modelů, zejména těch, které jsou definovány uživatelem, je důležité ověřit, jak se model chová při různých podmínkách zatížení. V rozhraní Solid Mechanics pro to najdete nový příkaz: Test Material. Dokáže automaticky nastavit malý jednoprvkový model s vhodnými okrajovými podmínkami a studijními kroky pro několik různých zatěžovacích podmínek. Zatížení může být kvazistatické nebo časově závislé, monotónní nebo cyklické. Tuto funkci si můžete prohlédnout v aktualizovaných modelech z aplikační knihovny: „Isotropic Compression with Modified Cam-Clay Material Model“ a „Primary Creep Under Nonconstant Load“.

Materials on Boundaries of Solids

Nyní je k dispozici široká škála lineárních a nelineárních materiálových modelů, které lze použít na vnitřních nebo vnějších hranicích. To lze využít například k modelování vrstev lepidla, těsnění nebo obkladů. Takové vrstvy mohou používat různé předpoklady, od úplného 3D až po deformace pouze v rovině. Pokud k implementaci těchto modelů použijete kombinaci modulů Composite Materials a Structural Mechanics, mohou být materiály na hranicích dokonce vícevrstvé.

Mezi další novinky a vylepšení patří:

Simulace opotřebení v rozhraních Shells a Membranes

• Nové fyzikální rozhraní pro simulace kabelů
• Rozhraní mechaniky těles v 1D
• Multifyzikální rozhraní pro tenkovrstvé tlumení
• Analýza vzpěru s trvalým zatížením
• Napěťová analýza svarů – V případě svařovaných konstrukcí je schopnost předpovídat napětí ve svarech důležitým konstrukčním aspektem. V rozhraní Shell lze proto vyhodnotit napětí podél spojených hran. Metoda je semi-analytická, nevyžaduje modelování svaru v geometrii. Svar je reprezentovaný svými vlastnostmi. Hodnotit je možno jak jednostranné a oboustranné koutové svary tak i tupé svary.

Acoustics Module

COMSOL Multiphysics je lídr mezi software určených k řešení akustických úloh. Je etablován ve vývoji reproduktorů a mikrofonů. Důvodem jeho úspěchu je, že dané úlohy jsou silně multifyzikálně orientované, protože spojují akustiku, strukturální mechaniku (vibrace), elektromagnetismus a šíření tepla. Co tedy přináší Acoustics Module verze 6.1?

• Rychlejší simulace elastickoakus­tického vlnění bez limitu na velikost sítě (resp. můžete modelovat i více jak dvě miliardy stupňů volnosti).
• Nové rozhraní „Acoustic streaming“ pro modelování syntetizovaných proudů (proudění indukované akustikou) v oblasti mikroakustických zařízení jako jsou např. elektroakustické měniče (např. mikrofony či reproduktory v nositelné elektronice).
• Simulace akustického nedestruktivního testování nově využívají vnitřní okrajovou podmínku „Fracture“ dostupnou ve fyzikálním rozhraní „Elastic Waves, Time Explicit“.

Novinky v proudění tekutin

V oblasti CFD je COMSOL Multiphysics pravidelně vylepšován. Není se čemu divit. Také v našich končinách se jedná o jeden z nejčastěji simulovaných fyzikálních dějů. Co je nového?

DES přístup k modelování turbulence

Nejzářivější novinkou je implementace tzv. DES modelu turbulence. Zkratka DES (Detached Eddy Simulation) označuje alternativu k LES (Large Eddy Simulation) a RANS modelům turbulence. Zopakujme, že RANS modely turbulence přímo nemodelují vírové struktury v turbulentním proudění. Namísto toho pracují s vhodně zvolenými středovanými veličinami – díky tomu se RANS modely používají pro relativní výpočetní jednoduchost na úkor přesnosti. LES modeluje velmi přesně velké vírové struktury, zatímco víry s menším měřítkem aproximuje. Jedná se o metodu s poměrně velkou výpočetní náročností. Nově implementovaná DES metoda zaujímá z pohledu přesnosti a výpočetních nároků místo někde mezi RANS a LES. Pro simulace velkých vírů DES využívá stejné metody jako LES, avšak víry s menším měřítkem modeluje pomocí RANS – zatím konkrétně pomocí modelu Spallarta-Almarase. To může být užitečné zejména pro ty, kteří si již osvojili metodiku modelování pomocí RANS a hledají přesnější alternativu pro modelování struktury proudového pole mimo mezní vrstvu. Oproti LES má DES menší nároky na síť v mezní vrstvě.

Mezi další novinky patří:

• Realističtější vstupní okrajová podmínka pro turbulentní proudění modelované pomocí LES
• Fyzikální rozhraní pro turbulentní proudění v porézním prostředí (automatický coupling v případě proudění okolo porézního prostředí)
• Nové rozhraní pro vysokorychlostní proudění plynu s chemickou reakcí

Novinky v Heat Transfer Module

Jeden z nejuniverzál­nějších modulů – Heat Transfer Module míří do vesmíru. Doslova. Největší novinkou je totiž modul pro tepelné bilance těles na orbitě.

Spacecraft Heating

Jedná se o fyzikální rozhraní zaměřené na komerční výzkum v kosmickém průmyslu, a proto obsahuje praktickou vychytávku v podobě nástroje pro výpočet orbity. Simulační nástroj je zaměřen např. na nastupující trend malých satelitů známých jako „CubeSats“. Příkladem může být Starlink. Heat Transfer Module kromě všech svých dosavadních funkcí dokáže nyní respektovat, kolik tepla těleso přijme ze Slunce, kolik přijme odrazem od Země (respektována je proměnná odrazivost) a také kolik Země na těleso vyzáří sama.

Mezi další novinky v Heat Transfer Module patří:

• Aktualizace meteorologických dat ASHRAE, doplněn rok 2021 (data z 8578 stanic)
• Přestup tepla radiací automaticky detekuje plochy, které nemají nastavenou odrazivost.
• V simulacích neizotermálního proudění byly přidány automatické stěnové funkce pro teplo.

Novinky v chemii a elektrochemii

Tato oblast přináší každoročně vývoj zejména v oblasti baterií a palivových článků. Letos tomu není jinak.

• Vydáno je nové rozhraní „Battery Pack“, které umí na základě modelu jednoho článku namodelovat celou baterii se stovkami článků. Každý článek je přitom vystaven různým podmínkám vyplývajícím z různého umístění v baterii.
• V samotném oboru chemie přibylo zajímavé fyzikální rozhraní spojující vícefázové proudění, chemické reakce a transport zředěných chemických látek. Typickým případem, kde se to hodí, jsou simulace extrakce liquid-liquid (produkce rostlinných olejů, organických sloučenin, parfémů…).
• Modul pro simulace palivových článků umí nově u palivových článků pracovat kromě vodíku a kyslíku i s dalšími (doplňkovými) prvky jako sloučeniny uhlíku, síry aj. Díky tomu lze do modelů zanést ještě přesnější chemické bilance.

Víceúčelové moduly

Optimization Module

• Do optimalizací nyní jednoduše zanesete technologické omezení pro frézování – funkcionalita zajišťuje, že topologicky optimalizované návrhy lze vyrábět frézováním.
• Návrhy pocházející z tvarové optimalizace mají další nástroj pro zajištění hladkých povrchů bez neočekávaných „nerovností“.

Uncertainty Quantification module

Pro uživatele vloni představeného modulu pro kvantifikace nejistot přináší COMSOL Multiphysics verze 6.1 čistě praktický nástroj pro reverzní analýzu nejistot. Jak to funguje? Nový typ studie „Inverse Uncertainty Quantification“ se používá k výpočtu posteriorního rozdělení pravděpodobnosti vstupních parametrů. Vstupem jsou v tomto případě experimentální data, na základě kterých metoda vyhodnotí, jaké bylo rozložení pravděpodobnosti vstupních parametrů.

Závěr

Zveme Vás na online webinář Ukázka novinek v COMSOL Multiphyics 6.1. Můžete se těšit jak na ukázky novinek, tak na diskuzi. Akce proběhne 26. 1. 2023 od 14.00 online. Registrovat se můžete zde: https://www.humusoft.cz/…sol-novinky/