四川大学周杰：飞行器电磁和光学多物理场仿真技术应用探索（8月19日）

导读：《自学COMSOL仿真，解决多领域多物理场耦合设计难题》引发了多物理仿真学习者的共鸣。众所周知，COMSOL是一种强大的多物理场仿真软件，它能够模拟和分析多种物理现象在不同领域中的相互作用。今天我先给读者朋友介绍3个案例，展示COMSOL在工业领域的应用。此外，8月19日19时30分，我还将受邀在仿真秀2023飞行器设计仿真学习月做《飞行器电磁和光学多物理场仿真技术应用》，欢迎大家提前报名和分享。

一、电子设备热管理案例

问题描述：假设我们需要设计一个高性能的笔记本电脑，其中包含高性能处理器和显卡。由于这些元件的高能耗，热量的积聚可能导致设备过热，影响性能并可能造成损坏。我们需要通过优化散热系统，确保设备在高负载下保持稳定的工作温度。

COMSOL应用：在这个案例中，COMSOL可以帮助我们模拟和分析电子设备内部的热分布情况。首先，我们可以建立一个三维模型，包括处理器、显卡、散热器和周围空气。然后，我们可以设置材料的热导率、散热系数等参数，模拟元件在工作状态下产生的热量。通过设置不同的工作负载和环境温度，我们可以模拟不同工况下的温度分布。

模拟结果：COMSOL会生成电子设备内部的温度分布图，显示哪些区域温度较高。通过分析结果，我们可以确定是否存在热点，从而进行有针对性的优化。例如，我们可以通过调整散热器的材料、尺寸和位置来改善散热效果，降低热点温度。此外，我们还可以通过添加风扇或液冷系统来提高散热效率。

优势： COMSOL在这个案例中的应用使工程师能够在设计阶段就预测和解决潜在的热管理问题，避免了在产品制造后才发现问题的情况。这不仅减少了成本和时间，还确保了电子设备的稳定性能和长寿命。

通过这个案例，我们可以看到COMSOL多物理场仿真技术在电子设备热管理中的价值。它不仅可以帮助优化散热系统，还可以指导设计过程中的决策，确保产品在不同工况下都能够可靠运行。

二、汽车零部件耐久性分析案例

问题描述： 假设我们需要设计一款汽车发动机的曲轴，该曲轴在高速运转时需要承受很大的转动力和循环应力。我们希望通过仿真来预测曲轴的应力、应变分布，以及其在特定工况下的疲劳寿命。

COMSOL应用：在这个案例中，COMSOL可以帮助我们建立一个三维模型，包括曲轴、连杆、轴承等零部件。我们可以设置材料的弹性模量、泊松比等参数，模拟发动机在工作状态下的力学载荷。通过加载不同的转速和负荷情况，我们可以模拟曲轴在不同工况下的应力、应变分布。

模拟结果：COMSOL会生成曲轴的应力云图和应变分布图，显示哪些区域受到较大的应力和应变。通过分析结果，我们可以确定是否存在应力集中区域，从而判断是否可能出现裂纹和断裂。此外，我们可以使用疲劳寿命分析模块，预测曲轴在特定循环载荷下的寿命。

优势：COMSOL在这个案例中的应用使工程师能够预测零部件在实际工况下的性能表现，避免了在实际测试中可能出现的高成本和时间消耗。通过优化设计和材料选择，工程师可以延长零部件的使用寿命，提高汽车的可靠性和耐久性。

通过这个案例，我们可以看到COMSOL多物理场仿真技术在汽车零部件耐久性分析中的价值。它不仅可以帮助优化设计，还可以指导工程师做出合适的决策，确保汽车零部件在各种工况下都能够安全可靠地运行。

三、医疗设备仿真案例

问题描述：假设我们需要设计一款超声成像设备，用于检测人体内部器官的结构和异常。设备需要发出声波并接收回波，然后将其转化为图像显示。我们希望通过仿真来优化声波传播路径，提高成像质量。

COMSOL应用：在这个案例中，COMSOL可以帮助我们建立一个三维模型，包括声源、声波传播介质、接收器等。我们可以设置声波的频率、振幅等参数，模拟声波在不同组织中的传播。通过模拟不同的探测器位置和声波参数，我们可以分析声波在不同方向上的传播路径和干扰情况。

模拟结果：COMSOL会生成声波传播路径图，显示声波在不同介质和组织中的传播情况。通过分析结果，我们可以确定声波的传播路径是否受到阻尼、散射等影响，从而优化声波参数和探测器位置。通过改善声波传播路径，我们可以提高成像质量，获得更清晰的图像。

优势：COMSOL在这个案例中的应用使工程师能够在设计阶段预测和改善声波传播路径，优化成像效果。这有助于减少实验成本和时间，同时确保医疗设备能够提供高质量的成像，帮助医生做出更准确的诊断。

通过这个案例，我们可以看到COMSOL多物理场仿真技术在医疗设备设计中的价值。它不仅可以指导设备优化，还可以确保设备在各种情况下都能够提供高质量的成像，促进医疗技术的发展和应用。

四、飞行器电磁和光学多物理仿真公开课

通过以上案例，我们可以看到COMSOL多物理场仿真技术在工业领域的广泛应用。它不仅可以帮助工程师更好地理解物理现象，还能优化产品设计、减少试验成本，并在设计阶段发现和解决潜在问题。在当今竞争激烈的市场中，COMSOL的应用为工业界提供了更高效、更精确的解决方案，推动了创新和技术进步。

四川大学物理学博士  意大利技术研究院联合培养博士

笔者自大一学习COMSOL到博士毕业以及现在参加工作这十多年来长期从事多物理场仿真工作研究，在模拟电磁效应、结构力学、声学振动、流体流动、传热传质、化学反应等多物理场协同仿真领域积累了大量的经验，并多次到清华，北大，北航、电子科大等高校进行多物理场仿真培训。

1、COMSOL多物理仿真入门

前不久，我认证了仿真秀讲师，制作了多套COMSOL多物理仿真技术课程，供工程师、科研工作者和理工科学子交流，并提供技术答疑服务。

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2、飞行器电磁和光学多物理公开课

也欢迎大家通过仿真秀平台联系我进行技术项目交流合作，8月19日19时30分，我还将在仿真秀2023飞行器设计仿真学习月做《飞行器电磁和光学多物理场仿真技术应用》，欢迎大家提前报名和分享。我将分享以下内容：

（1） 多物理场仿真在飞行器电磁和光学中的应用

• 多物理场耦合仿真概念：原理及需求

• 多场耦合中的电磁和光学分析方法

（2）基于COMSOL的飞行器电磁和光学的仿真要素

• 电磁场边界条件和域条件设置要点

• 频率选择表面周期性互补开口谐振环案例演示

• 电磁-结构-传热多场耦合求解设置要点

• 多场耦合分析对电磁性能的影响

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2023飞行器设计仿真（三）：电磁和光学多物理仿真技术分析与应用-仿真秀直播

（完）