Simulujte a optimalizujte reálné procesy v moderním multifyzikálním software od COMSOL

Modelování elektromagnetismu je tradičně silnou stránkou software COMSOL. Opírají se o něj světoví leadeři v oboru: ABB, Samsung nebo třeba Rolls-Royce. Poslední zmíněná firma vyvinula v COMSOL elektromotor pro velké ledoborce o výkonu 3,5 MW. Za pouhé dva roky bez jediného fyzického prototypu.

Simulace se zde člení do několika modulů dle frekvence a účelu. AC/DC Module umožňuje velmi efektivně simulovat statická a nízkofrekvenční pole. Nasimulujete díky němu elektromotor, transformátor, skin-efekt, vířivé proudy a jakékoliv další jevy spojené s elektrostatikou, magnetostatikou či nízkofrekvenčním elektromagnetismem.

RF Module využijete k simulacím vysokofrekvenčních polí, jako jsou různé druhy radarů, antén nebo anténních polí. Obvyklé jsou simulace mikrovln nebo mikrovlnného ohřevu.

Modelování vyšších frekvencí se týká Wave Optics Modulu pro mikro- a nano- optické simulace.

Vysoce ceněný je Plasma Module v oblasti modelování zejména nízkoteplotního plazmatu a Semiconductor Module pro podrobné simulace polovodičů: bipolárních tranzistorů, MEFSETů, MOFSETů, IGBT, Schottkových diod a P-N přechodů.

Knihovna modulů COMSOL

Firmy po celém světě využívají COMSOL při vývoji optických zařízení. Příkladem mohou být výrobci svítidel Philips nebo HELLA Lighting.

Optika je členěna do dvou modulů. Vlnovou formulaci naleznete ve Wave Optics Module a paprskovou v Ray Tracing Module.

Vlnová optika umožňuje modelovat mikro- a nano- optická zařízení jako např.: fotonický krystal, vlnovod, coupler, optické vlákno, laser, plasmonickou mřížku, optoelektroniku, metamateriály, graphen, holografy a mnoho dalšího. Modul nabízí vysoce časově úspornou a hlavně spolehlivou numerickou metodu „Beam Envelope“ pro opticky větší systémy i tradiční diskretizaci Maxwellových rovnic „full-wave“.

Paprsková optika naopak pracuje s geometrickými výpočetními metodami a nasimulujete tak opticky největší systémy: dalekohledy, automobilové osvětlení, kamery, GRIN (Graded-index) čočky, interferometry, lasery, lidarové systémy, optické filtry, spektrometry, teleskopy nebo trasování slunečních paprsků.

Paprskový a vlnový přístup lze v jednom modelu zkombinovat podobně jako např. optické moduly s přestupem tepla.

Knihovna modulů COMSOL

Víte, že přestup tepla je v prostředí COMSOL nejčastěji modelovaný fyzikální děj? S teplem se počítá v elektrotechnických, pevnostních, CFD, akustických, optických i chemických aplikacích. Není proto divu, že COMSOL je připravený splnit nároky nejnáročnějších uživatelů matematických simulací přestupu tepla. S vysokou přesností a přesto úsporně.

Nejjednodušší úlohy přestupu tepla v pevných látkách a tekutinách vč. okrajové podmínky „Surface-to-Ambient Radiation“ jsou vestavěnou funkcionalitou základu COMSOL Multiphysics.

Všechny složitější fyzikální modely přenosu tepla obsahuje Heat Transfer Module. Jsou to například nucená a přirozená konvekce s různými druhy numerického zjednodušení, modely pro Surface-to-Surface radiaci v různých optických prostředích včetně transparentních, přestup tepla s fázovou změnou (tání, tuhnutí, odpařování…), přestup tepla v porézních médiích, modely pro ohřev biologické tkáně pro biomedicínské aplikace a v neposlední řadě nástroj pro výpočet vlhkostně-teplotního pole ve stavebních materiálech.

Třešničkou na dortu je Metal Processing Module umožňující simulovat tepelné zpracování kovů s fázovými změnami struktur (rozpad austenitu, kalení, cementování aj.)

Knihovna modulů COMSOL

Simulace proudění tekutin (CFD) má mnoho úskalí. Zvolte jistotu spolehlivého a jednoduše ovladatelného software s mnoha specializovanými nástroji. Posuďte sami, modelovat lze interní i externí aerodynamiku, nestlačitelné i stlačitelné tekutiny, laminární i turbulentní proudění, jednofázové i vícefázové tekutiny, newtonské i nenewtonské (Polymer Flow Module) tekutiny, proudění v porézních materiálech, mikro-kanálech (Microfluidics Module) nebo simulace molekulárního proudění ve vakuových systémech (Molecular Flow Module).

Pro simulaci laminárního proudění nestlačitelné tekutiny dokonce stačí jádro COMSOL Multiphysics, takže není třeba dokupovat žádný modul. CFD Module rozšíří jádro o simulace turbulentního proudění (RANS nebo, LES) a jeho součástí jsou i metody řešení vícefázového proudění (včetně bublinek a simulace hladiny), rovnice „Shallow Water“, Darcyho zákon, Brinkmanovy rovnice, transonické a supersonické režimy proudění nebo naopak proudění s dominujícími vazkými účinky.

Nadstavbou je Mixer Module pro modely proudění v točivých strojích. Lidé zabývající se modelováním podpovrchového proudění (porezita s různými druhy nasycenosti nebo proudění v trhlinách) naleznou řešení v Subsurface Flow Module a podobně zaměřený (avšak spíše pro procesní inženýry) je Porous Media Flow Module.

Pokud potřebujete počítat geometricky rozsáhlé soustavy potrubí, např. modelovat teplotu a tlaky v topném systému, oceníte velmi jednoduše ovladatelný Pipe Flow Module.

Knihovna modulů COMSOL

Hledáte intuitivně ovladatelný, avšak výkonný FEA software pro simulace pružnosti, pevnosti a pohybu mechanismů? Na COMSOL se spoléhají firmy a univerzity napříč vědou, výzkumem a průmyslem.

Výpočty vlastních tvarů a frekvencí, napjatosti a deformace lineárních materiálů (včetně tepelných deformací) je možné počítat pouze jádrem COMSOL Multiphysics.

Složitější úlohy obsahující kontakty, tření, šroubová a lepená spojení, lomy, membrány nebo skořepiny jsou již řešitelné ve Structural Mechanics Module. Tento modul lze rozšířit o řadu modulů.

Nonlinear Structural Materials Module je rozšíření, které má předpřipravené a odladěné algoritmy pro modely hyperelasticity, plasticity, porézní plasticity, nelineární elasticity, viskoelasticity, slitin s tvarovou pamětí, tečení (creep), viskoplasticity a křehkých materiálů.

V případě, že analyzujete nebo navrhujete objekty z kompozitu, nadchne vás jednoduchost a přesnost, s jakou to umí modely dostupné v Composite Materials Module.

Rozšíření Geomechanics Module umožňuje definovat různé modely chování betonu, skály a půdy (plasticitu, elastoplasticitu, nelineární elasticitu).

Rozšíření Fatigue Module obsahuje modely nízkocyklické a vysokocyklické únavy pro analýzy únavových křivek, kumulativního poškození, nebo vibrační a tepelné únavy.

Rozšíření Rotordynamics Module je obsáhlý leč intuitivní nástroj pro výpočty rotorů a různých druhů ložisek (vč. hydrodynamických).

Samostatnou kapitolou jsou simulace pohybu mechanismů (Multibody Dynamics Module) a strukturální simulace MEMS (Mikro-elektro-mechanických systémů) např. piezo krystalů.

Knihovna modulů COMSOL

Pokud bychom měli vybrat jedno jediné odvětví, ve kterém COMSOL Multiphysics nabízí revoluční řešení, pak je to akustika. Pro jednoduchost ovládání a široké možnosti použití COMSOL používají firmy jako SAMSUNG, Harman, Tectonic Audio Labs, Brüel & Kjær, nebo třeba automobilka Mahindra.

Základní funkcionalitu pro šíření tlakových vln pevným materiálem naleznete v jádru COMSOL Multiphysics. Všechny ostatní nástroje jsou obsažené v Acoustics Module. Stačí si vybrat, jaký druh úlohy řešíte a nastavit požadované parametry.

Vyřešíte elektroakustiku reproduktorů a mikrofonů, mikroakustiku (například mikrofony mobilních telefonů), ultrazvukové přístroje s širokým přesahem do biomedicíny (průtokoměry, zobrazovací ultrazvuk, fokusovaný ultrazvuk HIFU a následný ohřev), vysokoenergetické ultrazvukové rázy v tekutinách nebo návrh a optimalizaci akustiky v architektuře díky geometrické akustice (kina, posluchárny, koncertní síně a sály).

Jak je možné, že jeden modul má tak široké uplatnění? Software na pozadí vybírá optimální metody v závislosti na frekvenci a velikosti výpočtové domény, zatímco uživatel se soustředí pouze na geometrii, výběr materiálu, okrajové podmínky a zpracování výsledků. Dostupná je metoda konečných prkvů (FEM), metoda konečných ploch (BEM), Galerkinova nespojitá metoda (DG-FEM), paprsková metoda (Ray acoustics) a akustická difuze.

Knihovna modulů COMSOL

Chemie a elektrochemie jsou silně multifyzikální obory, které vyžadují precizní coupling několika bilančních rovnic. Společně s intuitivním ovládáním je to vlastnost, pro kterou si COMSOL oblíbili např. ve Volkswagenu, který v něm vyvinul modulární elektrifikační platformu pro další generaci elektromobilů.

Chemical Reaction Engineering Module je nástroj pro simulaci a návrh chemických procesů. Dokážete v něm simulovat reakce v ideální směsi zadáním stechiometrických rovnic (0D), nebo namodelujete kinetické, termodynamické a transportní vlastnosti s následnou simulací transportu chemických prvků, přestupu tepla, hmoty a energie v 1D, 2D nebo 3D geometrii. Tento modul se uplatňuje v mnoha odvětvích chemie bez ohledu na měřítko od nanotechnologií přes mikro-reaktory po environmentální studie a geochemii.

Specializovanější je Battery Design Module. Jedná se o nejmodernější program pro výpočty bateriových článků a celých baterií. Umožňuje detailní simulaci porézních elektrod článku stejně jako simulaci tepelného managementu celé baterie. Modeluje se transport iontů, bilance nabití, chemické a elektrochemické reakce, Joulovo teplo a chlazení bez ohledu na typ baterie.

Fuel Cell & Electrolyzer Module je podobně specifický doplněk zaměřený na modelování palivových článků a elektrolýzy. Využijete ho při simulacích systémů pro elektrolýzu vody a všech druhů palivových článků včetně PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), AFC (Alkaline Fuel Cell) a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

Portfolio chemie uzavírají moduly pro modelování technologických procesů elektrodepozice (Electrodeposition Module), koroze a korozní ochrany (Corrosion Module) nebo elektrochemie (Electrochemistry Module). Poslední zmiňovaný je připravený pro modelování elektrolýzy, elektrodialýzy, elektrochemických senzorů, bioelektrochemie, glukozových senzorů, plynových senzorů, produkce vodíku a kyslíku nebo třeba desalinizace mořské vody.

Knihovna modulů COMSOL

Ke COMSOL Multiphysics lze dokoupit celou řadu šikovných více-účelových modulů, které dokáží akcelerovat vývoj a výzkum. Ať už to jsou rozšířené možnosti pro import a úpravu CAD geometrií, nebo například databáze Material Library - dodatečných deset tisíc materiálových listů připravených pro Vaše simulace.

Particle Tracing Module je rozšíření pro modelování proudění tekutin nebo elektromagnetického pole. Umožňuje trasovat nehmotné či hmotné částice a počítat interakce částice-částice, částice-tekutina a částice-pole. Uplatňují se buď Newtonské, Lagrangovy nebo Hemiltonské formulace.

Potřebujete přesně a rychle spočítat hustotu, viskozitu, tepelnou vodivost a jiné veličiny zadané směsi tekutin v závislosti na tlaku a teplotě? Pak je tu pro Vás Liquid & Gas Properties Module.

Unikátním pomocníkem je Uncertainty Quantification Module, jenž vyhodnotí nejistotu simulovaných výsledků na základě zadaných tolerancí vstupů.

Mimořádně silným spojencem je Optimization Module. Téměř každý číselný vstup v COMSOL Multiphysics totiž můžete zadat parametrem. Samozřejmě můžete kdykoliv spustit opakovaný výpočet s různou hodnotou parametrů, ale proč to dělat komplikovaně, když můžete jednoduše zadat kritéria a nechat optimalizační algoritmus spočítat optimální design? K dispozici jsou tvarové, rozměrové a topologické metody.

Naprostý unikát je ale obousměrné propojení se softwar MATLAB & Simulink. Umožňuje Vám uložit COMSOL model jako skript *.m, volat v COMSOL modelu libovolnou funkci z MATLAB, exportovat model z COMSOL jako digitální dvojče (Digital Twin) do řídicího obvodu v prostředí Simulink.

Knihovna modulů COMSOL