COMSOL Multiphysics加速下一代发动机过滤系统开发

随着空气污染的加剧，美国环境保护局(EPA)制定了严格的控制规定，汽车制造商开始转向利用多物理场仿真来严格控制发动机排放。这样以来，我们平时认为理所当然的东西（例如空气、燃料、润滑剂过滤器）都会从滤波设计的改进上受益。在COMSOL Multiphysics仿真的帮助下，美国Fleetguard公司开始对优化静电分离器的性能，获得了一系列的成果。

没有火花的高电压

作为重型过滤设备制造中技术领先企业，Feetgurd公司（Cummins Engines全资子公司）利用COMSOL Multiphysics来研究从空气流中过滤粉尘的过滤设备。静电除尘器运行时首先要在高压电极周围产生一个电晕场。粉尘经过这个区域时与正电荷结合，然后在电场的作用下被吸附到接地极板上。电压越高，电晕场的场强越强，过滤器也就越有效，但是当场强超过一定程度时，设备中就会产生火花。产生火花所带来的副作用就是损失效率，也会缩短电源寿命。显而易见，设计者是想在不产生火花的情况下，找到能发挥最大效率的场强。

除了电压另外，电极尺寸和形状也是影响静电除尘器两个关键变量。此外，电晕电流以及电火花都与高非线性电场有密切关系，并且对场强局部小的变动非常敏感。虽然可以在实验室中通过测试各种配置的设备来优化设计，但是Fleetguard公司研究人员深知在软件里实现各种设计的模拟更加有效率。

找到合适的软件本身就是一个挑战。研发工程师Ismail Bagci说：“我们隶属于大公司，因此我们拥有很多模拟软件的使用权。但是我们主要关心是电场的仿真，没有一款软件能够满足我们的工作需要。我们四处寻找最终选择了COMSOL Multiphysics，主要是因为COMSOL Multiphysics不但能够满足我们的研究需要还具有非常有吸引力的价格。”

图1 研发工程师Ismail Bagci正在模拟流体通过光纤介质界面。

“尽管我们购买软件主要使用来进行电场的计算，”他继续说道：“但是我们还是购买了所有的可选模块。COMSOL Multiphysics联合多物理场求解问题的能力扩展已经扩展到其它过滤问题的研究，而这些问题以前主要通过试验来进行研究。我们还完全没有发挥软件的巨大潜力，我们一直在学习他能为我们做什么。”

当空气流变成湍流时

除了研究电晕场之外，研究小组还可以同时研究空气流。空气流经过滤器时，因为引擎运行条件变化，会在层流和湍流之间变化，但是设计者需要知道空气流每一时刻的状态。研究小组对湍流进行了模拟同时耦合了静电参数和粒子跟踪。因为如果带电粒子碰到边界壁或者另一个粒子，就会被限制在原地，所以说这项研究非常重要。仿真中耦合越多的物理过程（沿着流线的流特性、粒子尺寸、电场力、质量和密度），得到的结果也就越精确。

多物理场能力在探测粒子穿过多孔介质时的轨迹时也非常有用。设计目的是过滤器中多孔介质能在所有条件下吸收粒子。“这不是那种标准软件所具有的能力，”研发工程师Kevin South说道，“所以我们询问一个模拟软件供应商他们是否能帮我们创建一个粒子跟踪模型。他们说需要足够长的时间。然后我们又问COMSOL,他们只用了一个星期就建好了我们的模型。”模型中含着MATLAB代码， MATLAB在COMSOL Multiphysics背后提供了一个紧密耦合计算引擎。

图2 在这个过滤桶轴对称部分 ，红色几何模型代表电极，蓝色是电场的等值面。
在顶部和底部很大的蓝色等值面，使电极周围电场较大的区域，
这个区域里也是比较容易产生高压火花的地方。

研究小组以其他的方式利用COMSOL Multiphysics With MATLAB。他们写了一个几何模型生成程序，可以快速的生成基于光纤的物理参数的模拟光纤环境。通过导入显微镜照片形成的DXF文件，可以创建更加复杂介质结构模型。然后，利用COMSOL的子程序，研究小组监测注入一群单分散粒子后的运动过程，其中包括粒子表面与光纤表面接触，以及与其他标记原子或静止粒子的接触等。这是COMSOL Multiphysics独有的功能，其他软件只能跟踪粒子质心运行而不能跟踪整个粒子。

首席工程师Peter Herman说：“我们最终目标是模拟梯度StrataPore过滤介质的深载荷特性，并使得它在液体过滤器应用中达到最大容量和效率。值得注意的是粒子在含纤维的液体过滤器中捕获方式是“拦截”模式，粒子不能惯性偏离流线，但是却由于粒子边缘接触光纤从而被捕获。因此，COMSOL Multiphysics追踪粒子边缘的能力是相比于简单的质心追踪的优势。

研究人员利用COMSOL Multiphysics结构力学模块已经模拟了2D和3D压力容器和截面外壳研究单元的疲劳参数。工程师们遇到的唯一阻碍是如何将在ProEngineer创建的模型导入COMSOL Multiphysics中。在利用ProEngineer绘制了过滤器模型之后，他们必须生成一个IGES文件，读入模型文件到SDRC中，然后生成IDES文件，最后将IDGS文件导入COMSOL Multiphysics。

图3 光纤介质的横截面中，蓝色线表示粒子沿流线运动，浅绿色点表示被捕获的粒子或粒子群

COMSOL Multiphysics能够跟踪整个粒子边缘而不是仅仅跟踪质心。

快速仿真

COMSOL Multiphysics的速度给设计者留下了深刻的印象。对于一个典型的静电粒子过滤器模型有接近40，000网格，而一个标准的静电模型求解在10分钟内，多物理场模型求解需要20-30分钟。以他们最新设计的模型为例，他们将COMSOL Multiphysics模拟结果与花了三倍时间的其他软件的模拟结果进行对比，结果非常一致。这些模拟数据与实验结果也非常的接近。有了这个信心之后，Fleetguard开始研究各种电极设计，而远远超过其他软件所能完成的模拟，远远超过了无数次实验。

图4 光纤介质截面模拟图，每一个光纤用一个白色圆环表示。研究人员可以模拟得到各种类型的流体穿过过滤器时的速度分布

他们得到光纤分布的一个方法是利用介质照片，产生DXF文件导入到COSMOL Multiphysics。为了模拟其他条件，他们运行了MATLAB子程序，可以创建包含不同尺寸和位置的光纤随机分布几何模型，利用COMSOL Multiphysics研究流的路径和速度。每个时间步形成的动画可以进一步说明粒子在介质中被捕获的过程。

COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。

COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、声学、地球科学、高频电磁场、准静态电磁场、传热、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn

COMSOL在中国

COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com