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微震监测与数值模拟简介
edward3 2010-2-15 22:48
微震与数值模拟的结合的特点: 1、跨尺度问题,矿山等应用现场尺度是km级的,工作面及微震破裂尺度确是m级的;有限元等方法不足十分明显。 2、微震属于岩石动力学和波动力学问题,与常规岩石静力学数值模拟有一些不同;边界元以及新兴的无网格等方法比较有优势。 3、实时的微震监测对日常数值模拟快速计算的渴求等。对数值模拟的算法效率和计算机硬件提出了更高的要求。 4、不连续面的处理。 微震和数值模拟结合实现分析其实有两种方法: (1)微震监测结果结合通常的边界元等计算。主要计算超剪应力、矿柱应力、岩墙应力等的历时变化与微震监测结果进行交互参考或者一定程度的把微震的应力变化导入到边界元中综合分析。 (2)微震事件的地震动力学模型直接数值计算,用于直接确定大事件的确定性震害风险(不同于概率性的震害风险分析)。
个人分类: 生活点滴|3910 次阅读|0 个评论
第四课 燃料电池的最新趋势
COMSOLFEM 2009-11-20 14:02
第四课 燃料电池的最新趋势    第14届世界氢能源大会报道----当今的燃 料电池   第14届氢能源大会于2002年6月在蒙特利尔召开。入会代表发现,对于年轻的燃料电池工业来说, 好消息与坏消息并存。这次大会专注能源领域的氢和燃料电池的应用,不过最引人注目的还是氢的存储问题。   直至会议结束,氢存储技术似乎也没有给人一个满意的答案。许多发言论述了不同的氢存储方式,从金属氢化物到碳纳米结构和压力箱等。最吸引人的观点是量 子技术,也就是一种高压氢存储箱。代表们详细地介绍了压力存储氢的进展,以及在承载时重量反面所取得的成绩。不过,提倡压力存储者们仍然承认,在压缩氢燃 料电池车辆能安全地行驶普通小车同等距离之前,还需要经历一段较长的路程。   其它一些公司关注着氢化物的存储。这种方法也同样取得了进展,但系统的重量似乎是汽车使用时不可逾越的问题。尽管小车市场具有很大的吸引力,但它绝不 是燃料电池可资应用的唯一市场。Ovonics 炫耀了它的中程金属氢化物机动脚踏两用车,Ballard 也带来了同样装有储存着氢化物燃料电池的Coleman Powermate AirGen 车辆。所有这些表明,不论金属氢化物技术的长远优势如何,目前来说,它至少是合理地解决了在短期内安全地存储氢的方法。   在会上,Methanex 公司指出,一旦决定存储氢时,不一定必须采用简单的化学方式进行存储。该公司的Dominique Kluyskens报告了使用甲醇作为氢载体的工作。事实表明,围绕氢作为燃料利用的许多问题可应用甲醇,甚至是汽油便可迎刃而解。作为不需低温存储的液 体,便于运输。因此,在市场上具有一定的商业、环境和经济的意义。不过,它同样也有一个重整的问题。   在整个会议期间,与氢存储一样,有些批评者还提出了重整这一问题。毫无疑问,当今的这一技术还比较落后,不足以进行小规模(或车载)的重整。人们还担 心当,即使到燃料电池开始使用时,技术的进步能否使重整便得可行。美国能源部的Steve Chalk指出,如果在2004年之前该技术不能取得明显的进展,也就是将启动时间降低到一分钟以下,能源部将停止对汽车重整器开发研究的支持。现在已有 一条乐观的消息,一辆以甲醇为燃料的燃料电池车已在最近的几周首次穿越美国。   燃料存储和燃料重整问题给大会带来了一层乌云,然而入会者并未因此而失望。有一点很清楚,燃料电池本身取得了进展。无论晴天还是雨天,福特公司 (Ford)的人驾驶其燃料电池车辆在展览馆周围行驶,H Power公司给大会提供以氢为燃料的闪烁灯,指引代表们在蒙蒙细雨中走向大会会场。 位于潮湿的蒙特利尔的福特燃料汽车   在大会后期,H Power公司也在踊跃的大会发言中详细地介绍了它们的EPAC系统。其职员Raymond Roberge认为,压缩氢应是当前某些应用可接受的存储解决方案。他同时还指出,对于燃料电池来说,生产市场可接受的产品的关键是其简单化而决不是 效率问题。这一观点使得H Power公司授权生产供少于3000工作小时或一年使用的500瓦EPAC系统,这是燃料电池开发商首次进行的承诺。   其它一些公司介绍了它们的原型样机的开发以及它们的产品General Motors 公司(GM) 的Byron McCormick 通报GM将在2002年底之前生产出AUTOnomy概念的、能驾驶的燃料电池车辆;Hydrogenics介绍了其HyPORT氢化物的氢发生器及其燃 料电池;据Vandenborre Technologies公司透露,它计划在2004年将在欧洲销售大量的氢发生器。   正如经常发生的那样,Ballard公司总是最后发言。据它们的产品时间表安排,移动产品预计在2002年上市,汽车也会在今年底投放市场,供连续供 电使用的固定发生器将于2003年问市,2003-2005将会少量生产一些燃料电池小车。Paul Lancaster的发言相对乐观,但对目前存在的问题,如燃料存储和燃料重整也比较现实。他最后评论说:自我1990年进入Ballard公司以来, 这份汽车产品的时间表就从未发生变化。如果将来也是如此的话,燃料电池的未来将是一片光明。 David Jollie撰写 2002年6月26日    第五届欧洲固体氧化物论坛侧记----燃料电池 知识   第五届欧洲固体氧化物论坛于今年7月的第一周在瑞士卢塞恩召开。此次会议由固体氧化物论坛与燃料电 池世界共同召开,全球35个以上国家的600多名代表参加了会议。   令大会组织者惊喜的是,固体氧化物论坛的主题越是技术化,大会更是显得大众化,7篇大会和80篇大字报形式的书面发言充分说明了这一点。   关于燃料电池世界论为的立即走向商业化的观点和固体氧化物论坛的认识的差异,可用ABB公司的Baldur Eliasson的话概括:氢是一位漂亮的女人,我们必须为她穿上一些衣服。他认为立即开发全球的氢基础结构还不现实。在某些领域,由于氢的能源密度 交低,需要大量输送,成本较高,只能说是最终解决方案。他建议用碳包装氢,从而获得合成的、含氢较多的碳氢化合物,例如甲醇。   这种方法的早期阶段包含再生能源与矿物燃料结合合成碳氢化合物这一妥协方案。碳氢化合物虽然便于运输,但仍旧涉及从矿物燃料中释放碳,后者曾引起人们 的广泛的争认。Baldur Eliasson认为,人类的目标应是控制全球二氧化碳的排放,而不是完全清除它们。他以中国为例,中国拥有丰富的煤藏量,极需能源。在任何理想的解决方 案从经济上切实可行之前,必须能满意地解决中国的能源需求问题,也就是需要有一个中间步骤。固体氧化物燃料电池虽说不算神奇,但已被越来越多的人所重视。 确实,固体氧化物燃料电池的最大优点是它是一种十分灵活的燃料(它不仅能进行内部碳氢重整,而且可用一氧化碳作为燃料。在特定的情况下,它还能直接利用甲 醇或沼气。)当然,也有许多人远离这种氢经济学概念。    新材料,阳极重整   毫无疑问,高碳氢化合物和微量稀释剂耐量是有关材料,阳极和重整主题发言议认得最多的话题。非常清楚,当固体氧化物燃料电池走出实验室,陷入全球各式 各样的天然气组分,更不用说生物产生的各种废气时,电池的设计和系统的设计便成为主要的因数。   有关材料和生产工艺的另一个主要偏见是降低工作温度(尽管有人提出这一问题,但不是所有人都认为有利)。通过减少常规的镒固定氧化锆 (YSZ) 电解质从而补偿低温下导电性能的下降,或采用另外的电解质材料,例如导电性能强的铈,便可达到这一目的。在大会上,许多发言者介绍了他们很有前途的电极/ 电解质系统,如瑞典大学研究人员开发的铈电解质系统,能在温度低达400℃时获得满意的结果。当然,这些新材料还远不能供大规模的生产使用,它们还必须证 明能够耐受降解作用。   在非技术领域,性能退化是用一个指标,即工作时间测定的。当然,在实际中,退化的主要原因是不同的工作环境燃料电池的对电化层的微结构极为敏感,通过 改变局部的热环境和化学环境,电化学性能也会随之改变。如要在工作时间保持稳定,供使用的电化学零件必须经受热循环和化学循环处理。性能稳定这一主题在多 个层面进行了研究,从大学和实验室对普通材料和新材料的特异机制的探讨,到应用干燥的、经过测试的镍-锆合金陶瓷阳极,镒固定氧化锆 (YSZ) 电解质和镧锶镁氧化物(LSM)阴极对商业系统进行测试。    阳极设计   虽然材料在不断地变化,由于大多数开发商采用阳极支持的概念,所以电池的生产基本上比较稳定。近来稍有例外,澳大利亚的陶瓷燃料电池公司运用10 YSZ电解质支持的设计,以及siemens-Westinghouse采用LSM阴极支持的设计均不同于以前的做法。现在,人们最大的期望是试图去掉昂 贵的生产工艺,例如电化蒸汽沉淀(EVD),采用便宜的工艺,例如屏幕印刷而降低生产成本。这一活动业已对存储器几何学发展产生影响,引起人们对 Rolls-Royce正在开发的所谓集成平面几何学产生更大的兴趣。这些设计基本上是扁平的管型部件,拥有一个密闭的燃料(或空气)通道,如同管型 设计一样,但它是一个类似平面电池的扁平电化学零件(适合于屏幕印刷)。   苏格兰圣安德鲁斯大学的John Irving介绍了他开发的一种全新的SOFCoRoll设计。这种激进的设计使人大开眼界。他的设计可以说是中间呈八字型的一卷三层(二个电极和电解 质)膜,构成燃料和空气的通道。他的发言重点介绍了生产过程,对可行性未加过多的描述。    存储器和系统的造型   造型部分分为二个小组进行讨论。第一个小组关注固体氧化物燃料电池的存储器和系统,第二个小组讨论集成的、低影响的发电系统。人们采用商业包装的方法 对造型进行调试,以便尽快的获得结果。然而,在有些情况下,尽管图形十分漂亮,但总体印象不深,缺乏鲜明的轮廓特色。   Sulzer-Hexis和Global Thermoelectric公司提供的系统造型得到了入会者的占同,但也未能解决热管理的问题。在固体氧化物燃料电池状态下,沼气重整反应速度很快,吸 热性强,使得存储器上的温度梯度较大(50-100℃),造成某些区域性能不太理想。在大字报书面发言中涉及有降低催化剂活性的报道,但这样做会导致阳极 活性层的沼气重整,造成局部冷却,这也是一个大问题。    结局   最后,让我们看看零影响,甚至是正影响发电系统。这种系统需要大量的、因场地而异的分析和定做的解决方案。目前,当全球生物气总量约等于全球天然气产 量的1.3%,且沼气的潜在作用已被视为温室气体(是二氧化碳的32倍),使用沼气的系统对环境将产生重大的作用。许多大学和国家实验室的发言都涉及这些 系统,以及二氧化碳的排除和生物气的利用。很明显,由于固体氧化物燃料电池的燃料灵活性,且相对容易分离二氧化碳废气,它们极适合于这样的应用。 Ben Todd撰写 2002年7月31日
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第三课 燃料电池的应用与使用
热度 1 COMSOLFEM 2009-11-20 13:59
第三课 燃料电池的应用与使用    军事上的应用   军事应用应该是燃料电池最主要,也是最适合的市场。高效,多面性,使用时间长,以及宁静的工作,这 些特点极适合于军事工作对电力的需要。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置,从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。   在军事上,微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性,其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外,对于燃料电池而言,添加燃 料也是轻而易举的事情。   同样,燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量,在进行下一次加油之前,车辆可以行驶得更远,或在遥远的地区活动更长的时间。这样, 战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。自20世纪80年代以来,美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。    移动装置上的应用   伴随燃料电池的日益发展,它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其具有使用寿命 长,重量轻和充电方便等优点,比常规电池具有得天独厚的优势。   如果要使燃料电池能在膝上型电脑,移动电话和摄录影机等设备中应用,其工作温度,燃料的可用性,以及快速激活将成为人们考虑的主要参数,目前大多数研 究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示,这些燃料电池以直接提供的甲醇-水混合物为基础工作,不需要预先重 整。   使用甲醇,直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充电仅仅涉及重新添加液体燃料,不需要长时间地将电源插头插在外部的供电电源上。当前, 这种燃料电池的缺点是用来在低温下生成氢所需的白金催化剂的成本比较昂贵,其电力密度较低。如果这二个问题能够解决,应该说没有什麽问题能阻挡它们的广泛 应用了。目前,美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话,而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。    居民家庭的应用   对于固定应用而言,设计燃料电池的技术困难就简化得多了。尽管许多燃料电池能生产50 kW的电能,但绝大部分商业化的燃料电池目前都是用于固定的。现在,许多迹象表明,燃料电池也可用语人们称做的居民应用(大都小于50 kW)。   低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前,这些燃料电池还不能供小型的应用,美国,日本和德国仅有 少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大,然而后者的效率比前者高,且目前的生产成本也比前者便宜。这些 燃料电池应该能够为单个私人居户或几家居户提供能源,通过设计可以满足居民对能源的所有要求,或者是他们的基本负载,高峰时的需求由电力网提供。   为了有利于该技术的应用,可以用天然气销售网作为氢燃料源。当前,许多生产商预测在不久的将来便会出现其它燃料源泉,这有助于进一步降低排放,加速燃 料电池进入新的理想市场。新近进入固定燃料电池市场的厂家是汽车大亨General Motors,她于2001年8月成功地开发了一种产品。    空间领域的应用   在20世纪50年代后期和60年代初期,美国政府为了替其载人航天飞行寻找安全可靠的能源,对燃料 电池的研究给于了极大的关心和资助,使燃料电池取得了长足的进步。   重量轻,供电供热可靠,噪声轻,无震动,并能生产饮用水,所有这些优点均是其它能源不可比拟的。   General Electric生产的Grubb-Niedrach燃料电池是NASA用来为其Gemini航天项目提供动力的第一个燃料电池,也是第一次商业化使用燃 料电池。   从20世纪60年代起,飞机制造商Pratt Whitney赢得了为阿波罗项目提供燃料电池的合同。Pratt Whitney生产的燃料电池是基于对Bacon专利的碱性燃料电池的改进,这种低温燃料电池是最有效的燃料电池。在阿波罗飞船中,三组电池可产生1.5 kW或2.2 kW电力,并行工作,可供飞船短期飞行。每组电池重约114 kg,装填有低温氢和氧。在18次飞行中,这种电池共工作10,000小时,未发生一次飞行故障。   在20世纪80年代航天飞机开始飞行时,Pratt Whitney的姊妹公司国际燃料电池公司继续为NASA提供航天飞机使用的碱性燃料电池。飞船上所有的电力需求由3组12 kW的燃料电池存储器提供,勿需备用电池。国际燃料电池公司技术的进一步发展使每个飞船上使用的燃料电池存储器能提供约等于阿波罗飞船上同体积的燃料电池 十倍的电力。以低温氢和氧为燃料,这种电池的效率为70%左右,在截至现在的100多次飞行中,这种电池共工作了80,000多个小时。    固定的应用   目前,燃料电池开发得最完善的市场要数热电的固定提供源市场。与传统的矿物燃料相比,燃料电池的高 效和低排放量使其对用户具有极大的吸引力。此外,燃料电池技术的独立性对于那些国家电网不能覆盖,或国家电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言,这种 能源具有特殊的意义。鉴于这种电池的工作温度可低达80℃,它们可安装在私人家庭,小型的商业活动场所,甚至满足大型企业活动的所有能源需求。   截至目前为止,可以说现在的燃料电池生产商的注意力均集中于非居民的应用。当前唯一提供商业化燃料电池的国际燃料电池公司已在学校、办公室和银行设施 安装了200多个磷酸燃料电池装置。在不久的将来,诸如溶化的碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池等高温燃料电池也将用于大型的工业设施和兆瓦级的发电 厂。当工作温度上升到600-1100℃时,这种高温燃料电池可以耐受氢污染源,因此可以使用未加重整的天然气,柴油,或汽油。此外,它们所产生的热能还 可用来驱动增器蒸气气轮机再进行发电。    运输上的应用   当前,以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源。在世界各地,国家和地 方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆,燃料电池可为这种要求带来实质的机遇。位于Alberta的Pembina适当设计研究所 指出:当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时,其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。然而,如果用燃料电池代替内燃机,燃 料电池技术不仅要符合立法对车辆排放的严格要求,还要能对终端用户提供同样方便灵活的运输解决方案。驱动车辆的燃料电池必须能迅速地达到工作温度,具有经 济上的优势,并能提供稳定的性能。   应该说质子交换膜燃料电池最有条件满足这些要求,其工作温度交低,80℃左右,它们能很快地达到所需的温度。由于能迅速地适应各种不同的需求,与内燃 机的效率25%左右相比,它们的效率可高达60%。  Pembina研究所近来的研究表明,以甲醇为燃料的燃料电池,其燃料利用率是用汽油内燃机提供动 力的车辆的1.76倍。在现有的燃料电池中,质子交换膜燃料电池的电力密度最大。当人们在车辆设计中重点考虑空间最大化时,这一因素则至关重要。另外,固 态聚合物电解质能有助于减少潜在的腐蚀和安全管理问题。唯一的潜在问题是燃料的质量,为了避免在如此低温催化剂受到污染,质子交换膜燃料电池必须使用没污 染的氢燃料。   现在,大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者,General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda,以及其他许多公司都已生产出使用该技术的原型。在这一进程中,运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利,用质子交换膜燃料电池为公共汽车提 供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验,明后二年(2002-2003),还有另外十个欧洲城市也将在公共汽车上进行试 验,伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行试验。   在生产商能够有效地,大规模地生产质子交换膜燃料电池之前,需要解决的主要问题包括生产成本,燃料质量,以及电池的体积。但愿技术的进一步发展和扩大 生产的共同作用将会运用经济的规模性而降低生产成本。目前,人们也在对直接使用甲醇为燃料和从环境空气中取得氧的另一解决方案进行研究,它也可以避免燃料 的重整过程。
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第二课 燃料电池的种类
COMSOLFEM 2009-11-20 13:58
第二课 燃料电池的种类    燃料电池技术   燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。它的种类可以多种多样,但都基于一个基本的设 计,即它们都含有二个电极,一个负阳极和一个正阴极。这二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上,催化剂,例如 白金,常用来加速电化学反应。   燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型,每类燃料电池需要特殊的材料和燃料,且使用于其特殊的应用。本文后面的部分将以质子交换膜燃料电池为例 介绍燃料电池概念的科学技术发展,同时也讨论一些其它主要设计的特点和应用。    质子交换膜燃料电池(PEMFC)   该技术是General Electric公司在20世纪50年代发明的,被NASA用来为其Gemini空间项目提供动力。目前这种燃料电池是汽车公司最喜欢使用的一类燃料电 池,用来取代原来使用的内燃机。质子交换膜燃料电池有时也叫聚合物电解质膜,或固态聚合物电解质膜,或聚合物电解质膜燃料电池。 下图显示了质子交换膜燃料电池的基本设计。   在质子交换膜燃料电池中,电解质是一片薄的聚合物膜,例如聚 酸(poly acid),和质子能够 渗透但不导电的NafionTM ,而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极,裂解成氢离子(质子)和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极,而电子通过外部网路流动,提供电力。以空气形 式存在的氧供应到阴极,与电子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下: 阳极:2H2 4H+ + 4e- 阴极:O2 + 4H+ + 4e- 2 H2O 整体:2H2 + O2 2 H2O + 能量   质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下,电化学反应能正常地缓慢进行,通常用每 个电极上的一层薄的白金进行催化。   这种电极/电解质装置通常称做膜电极装配(MEA),将其夹在二个场流板中间便能构成燃料电池。这二个板上都有沟槽,将燃料引导到电极上,也能通过膜 电极装配导电。每个电池能产生约0.7伏的电,足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压,将多个单个的电池串联 起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。   质子交换膜燃料电池拥有许多特点,因此成为汽车和家庭应用的理想能源,它可代替充电电池。它能在较低的温度下工作,因此能在严寒条件下迅速启动。其电 力密度较高,因此其体积相对较小。此外,这种电池的工作效率很高,能获得40-50%的最高理论电压,而且能快速地根据用电的需求而改变其输出。   目前,能产生50 kW电力的示范装置业已在使用,能产生高达250 kW的装置也正在开发。当然,要想使该技术得到广泛应用,仍然还有一系列的问题尚待解决。其中最主要的问题是制造成本,因为膜材料和催化剂均十分昂贵。不 过人们进行的研究正在不断地降低成本,一旦能够大规模生产,比价的经济效益将会充分显示出来。   另一个大问题是这种电池需要纯净的氢方能工作,因为它们极易受到一氧化碳和其它杂质的污染。这主要是因为它们在低温条件下工作时,必需使用高铭感的催 化剂。当它们与能在较高温度下工作的膜一起工作时,必须产生更易耐受的催化剂系统才能工作。    碱性燃料电池(AFC)   碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水。 碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池的设计相似,但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质,且电化学反应也与羟基(OH)从阴极移动到阳极 与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量,然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。 阳极反应:2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e- 阴极反应:O2 + 2H2O + 4 e- 4OH-   碱性燃料电池的工作温度与质子交换膜燃料电池的工作温度相似,大约80℃。因此,它们的启动也很 快,但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得相当笨拙。不过,它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池,因此可用于小型的固 定发电装置。如同质子交换膜燃料电池一样,碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外,其原料不能含有一氧化碳,因为一氧化碳能与 氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾,降低电池的性能。    磷酸燃料电池(PAFC)   磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示,这种电池使用液体磷酸为电解 质,通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高,位于150 - 200℃左右,但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同,但由于其工作温度较高,所以其阴极上的反应速度要比 质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。   较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强,当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时,磷酸燃料电池照样可以工作。   磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低,约为40%,其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点,它们也拥有许多优点,例如 构造简单,稳定,电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力,而且有许多这样的系统正在运行,不过这种电池是乎将来也不会用于私人车辆。在过去 的20多年中,大量的研究使得磷酸燃料电池能成功地用语固定的应用,已有许多发电能力为0.2 20 MW的工作装置被安装在世界各地,为医院,学校和小型电站提供动力。    溶化的碳酸盐燃料电池 (MCFC)   溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大,这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂 钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650℃时,这种盐就会溶化,产生碳酸根离子,从阴极流向阳极,与氢结合生成水,二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路 返回到阴极,在这过程中发电。 阳极反应:CO32- + H2 H2O + CO2 + 2e- 阴极反应:CO2 + 1/2 O2 + 2e- CO32-   这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物,在燃料电池结构内生成氢。在这样高 的温度下,尽管硫仍然是一个问题,而一氧化碳污染却不是问题了,且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替,其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料 电池的效率最高可达60%。如果其浪费的热量能够加以利用,其潜在的效率可高达80%。   不过,高温也会带来一些问题。这种电池需要较长的时间方能达到工作温度,因此不能用于交通运输,其电解质的温度和腐蚀特性表明它们用于家庭发电不太安 全。但是,其较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气轮机则具有较大的吸引力。目前的示范电池可产生高达2 MW的电力,50-100 MW容量的电力设计业已提到议事日程。    固态氧化物燃料电池(SOFC)   固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高,它们使用诸如用氧化钇稳定的氧化 锆等固态陶瓷电解质,而不用使用液体电解质。其工作温度位于800-1000℃之间。 在这种燃料电池中,当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极 上,减少进入的氧,从而完成循环。 阳极反应:H2 + O2- H2O + 2e- CO + O2- CO2 + 2e- 阴极反应: O2 + 4 e- 2 O2-   对于溶化的碳酸盐燃料电池而言,高温意即这种电池能抵御一氧化碳的污染,正如上式显示的那样,一氧 化碳会随时氧化成二氧化碳。这便省却了外部重整从燃料中提取氢,而且这种电池还可以再直接使用石油或天然气。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的 硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质,这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定,然而它们用来承受所产生的高温的建造材料却要昂贵得多。   固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右,可供工业界用来发电和取暖,同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。    直接甲醇燃料电池(DMFC)   直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种,它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换 成二氧化碳和氢,如同标准的质子交换膜燃料电池一样,氢然后再与氧反应。 阳极反应:CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e- 阴极反应:3/2O2 + 6H+ + 6e- 3 H2O 电池反应:CH3OH + 3/2O2 CO2 + 2 H2O   这种电池的期望工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其效率大约是40%左右。其 缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过,这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整 便能工作而相形见拙。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期,但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源,将来还具有为指定的终端用户 使用的潜力。    再生型燃料电池(RFC)   再生型燃料电池的概念相对较新,但全球有许多研究小组正在从事这方面的工作。这一技术与普通燃料电池的相同之处在于它也用氢和氧来生成电、热和水。其 不同的地方是它还进行逆反映,也就是电解。燃料电池中生成的水再送回到以太阳能为动力的电解池中,在那儿分解成氢和氧组分,然后这种组分再送回到燃料电 池。这种方法就构成了一个封闭的系统,不需要外部生成氢。目前,商业化开发业已走了一段路程,但仍有许多问题尚待解决,例如成本,进一步改进太阳能利用的 稳定性等问题。
个人分类: 电化学|5381 次阅读|0 个评论
燃料电池第一课 历史
COMSOLFEM 2009-11-20 13:57
第一课 历史    燃料电池 第一个120年   燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家William Robert Grove 爵士的工作。1839年,Grove所进行的电解作用实验使用电将水分解成氢和氧是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。   Grove推想到,如果将氧和氢反应就有可能使电解过程逆转产生电。为了证实这一理论,他将二条白金带分别放入二个密封的瓶中,一个瓶中盛有氢,另一 个瓶中盛有氧。当这二个盛器浸入稀释的硫酸溶液时,电流开始在二个电极之间流动,盛有气体的瓶中生成了水。为了升高所产生的电压,Grove将几个这种装 置串联起来,终於得到了他所叫做的气体电池。燃料电池一词是1889年由Ludwig Mond 和Charles Langer 二位化学家创造的,他们当时试图用空气和工业煤气制造第一个实用的装置。   人们很快发现,如果要将这一技术商业化,必须克服大量的科学技术障碍。因此,人们对Grove 发明的早先兴趣便开始淡漠了。直到上个世纪末,内燃机的出现和大规模使用矿物燃料使得燃料电池被论为仅仅是一次科学上的奇特事例。   接下来, 燃料电池历史的主要一章是由剑桥大学的工程师Francis Thomas Bacon博士完成的。1932年,Bacon想到了Mond 和Langer发明的装置,并对其原来的设计作了多次修改,包括用比较廉价的镍网代替白金电极, 以及用不易腐蚀电极的硫酸电解质代替碱性的氢氧化钾。Bacon将这种装置叫做Bacon电池,它实际上就是第一个碱性燃料电池(alkaline fuel cell, AFC)。   不过,在经历27年后,Bacon才真正制造出能工作的燃料电池。1959年,他生产出一台能足够供焊机使用的5 kW机器。不久,人们很快发现,除Bacon之外,Allis-Chalmers公司的农业机械生产商Harry Karl Ihrig也在这一年的晚期制造出第一台以燃料电池为动力的车辆。将1008块他生产的这种电池连在一起,这种能产生15 kW的燃料电池组便能为一台20马力的拖拉机供电。上述发展为今天人们所知的燃料电池的商业化奠定了基础。    燃料电池 接下来的40年   燃料电池的现代发展史可以论为起始于20世纪60年代初期。当时,美国政府的新机构国家航空和宇宙航行局(NASA)正寻找为其即将进行的一系列无人 航天飞行提供动力的方法。由于使用干电池太重,太阳能价格昂贵,而核能又太危险,NASA业已排除这几种现有的能源,正着手探索其它解决办法。燃料电池正 好吸引了他们的视线,NASA便资助了一系列的研究合同,从事开发实用的燃料电池设计。   这种研究获得了第一个质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)。1955年,就职于通用电器公司(GE)的化学家Willard Thomas Grubb进一步改进了原来的燃料电池设计,使用磺化的聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后,另一位GE的化学家Leonard Niedrach发明了一种将白金存放在这种膜山上的方法,从而制造出人们所知的Grubb-Niedrach燃料电池。此后,GE继续与NASA合 作开发这一技术,终于使其在Gemini空间项目中得到应用。这便是第一次商业化使用燃料电池。   20世纪初期,飞机制造商PrattWhitney获得使用Bacon的碱性燃料电池专利的执照,并着手对原来的设计进行修改,试图减轻其 重量。PrattWhitney成功地开发了一种电池,其使用寿命比GE的质子交换膜的寿命长得多。正因为如 此,PrattWhitney获得了NASA的几项合同,为其阿波罗航天飞机提供这种燃料电池。从此,这种碱性电池便用于随后的大多数飞行任 务,包括航天飞机的飞行。使用燃料电池作为能源的另一好处就是它能产生可饮用水作为副产品。尽管在空间应用方面获得了令人感兴趣的发展,然而截至目前在地 面应用方面却有鲜为人知的进展。   1973年的石油禁运引发了人们对燃料电池动力在地面应用的重新兴趣,因为许多政府期望降低对石油进口的依赖性。不计其数的公司和政府部门开始认真地 研究解决燃料电池大规模商业化的障碍的方法。在整个20世纪的70年代和80年代,大量的研究工作都致力于开发所需的材料,探索最佳的燃料源,以及迅速降 低这种异乎寻常技术的成本。   最后,直到20世纪90年代,也就是Grove试验之后的150多年,正如第一个燃料电池揭开其面纱那样,一种廉价的,清洁的,可再生的能源最终变成 了事实。在这十年中,技术上的突破包括加拿大公司Ballard在1993年推出的第一辆以燃料电池为动力的车辆。二年后, Ballard和Daimler Benz公司都生产出每升1 kW的燃料电池组。   在过去的几年中,许多医院和学校都安装了燃料电池,大多数汽车公司也已设计出其以燃料电池为动力的原型车辆。在北美和欧洲的许多城市,如芝加哥,温哥 华等,以燃料电池为动力的公共汽车正在投入试用,人们正期望在不久的将来能将这种车辆投放市场。   在未来的几十年中,鉴于人们对耗竭现有库存自然资源的担心,以及愈来愈多的人意识到大量焚烧矿物燃料对环境的破坏,必将促使燃料电池在移动和静态能源 的发展。19世纪所显露的科学上的奇特事例将成为21世纪以及以后年代的能源。
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庆祝中科院大连化学物理研究所“我国首次以燃料电池为动力的飞艇试飞成功”
COMSOLFEM 2009-11-19 20:32
作者: 来源:中科院大连化学物理研究所 发布时间:2009-11-19 12:14:16 选择字号: 小 中 大 我国首次以燃料电池为动力的飞艇试飞成功 致远 一号试飞现场 日前,以上海交通大学为总体单位、中科院大连化学物理研究所燃料电池为动力能源的致远 一号飞艇在上海宝山区的飞艇基地试飞成功。这是我国首次采用质子交换膜燃料电池作为飞艇主动力。 由大连化物所与新源动力公司负责研发的10kW质子交换膜燃料电池为动力的飞艇能源系统 在飞行过程中工作稳定,实现了国内燃料电池在飞艇上的首次试用。该项空间能源技术具有独特的高比能量以及启动快、环境友好等优点,在空间飞行器应用方面具 有广阔的前景。研究人员将继续对燃料电池技术进行持续深入的研究,促进其在空间飞行器方面的应用。 【博主评价】 看到这则新闻很是兴奋!因为想到了看过某年大物所程谟杰老师的在COMSOL用户大会的PPT,没想到昔日计算机上的模拟结果能够那么快就能变成现实! 庆祝庆祝!!!! 大物所COMSOL模拟PPT
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MOCVD感应加热COMSOL数值模拟
热度 4 COMSOLFEM 2009-11-14 22:06
MOCVD 感应加热 1 、感应加热原理 感应加热是利用电磁感应原理把电能转化为热能。它与传统的加热设备相比具有诸多优点: ① 加热速度快,而且是非接触式加热; ② 只对导体进行加热,可以局部加热; ③ 加热效率高,节能; ④ 工件容易加热均匀,产品质量好。 由于其具有以上诸多优点,因此在工业中有着广泛的应用。它主要在机械制造工业、冶金及国防等领域用于淬火、透热、熔炼、钎焊以及烧结等。此外,随着感应加热理论和感应加热装置的不断发展,其应用领域也随之扩大,应用范围越来越广,如微波炉、电磁炉等已进人人们的日常生活。 急需要详细文章请回复邮箱。今天这网速是传不上去了,各位看官不好意思
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利用数学模拟快捷地设计化工过程
COMSOLFEM 2009-11-14 17:52
化工过程中,数学模拟已经逐渐在优化原有的或设计新的工艺和原型上显 示出越来越重要的作用。人们可能理解工艺的内部工作原理,但决定最佳参数却需要大量的工作――例如反应器及其单元的尺寸,各种物料的正确用量,或者最佳流 速。在过去,人们常常通过大量的试验和错误,或依靠经验来解决问题,然而,为这些尝试而建立和测试的大量原型装置会花费大量的时间和金钱。幸运的是,当今 数学模拟工具可以让人们建立虚拟的原型来揭示工艺过程中的内部细节。在软件中可以方便地改变任意参数,并立即看到效果。这种能力也鼓励着研究者开发新观 念,无论是多么地非常规,并提出完全崭新的尝试和方法,特别是在微流、药理、生物科技及新材料等领域。 在化工过程中,通过建模来节约成本对于大型或精细工艺过程都是可以实 现的。一个大型的化工装置一般包括庞大数量的材料,常常是每年百万吨级,即使是对反应器进行一个很小的改进也可以节省大量的金钱――不仅仅是节省了能量, 还节约了原材料。而在精细化工产业,例如生产很微量的药品,对产品的纯化和提高质量尤为重要,产品的质量在不同批次间出现波动是绝对不允许的,因此操作者 必须切实了解影响质量和纯度的参数。此外,从实验室的工艺过程放大,到试车,到工业化大生产同样会产生问题――有时候,工程师在试车后建立了一个工业规模 的反应器,运行起来相当不理想,产生大量的次品。精确地数学模拟常常会避免出现这种问题。 仿真的实际应用 Figure 1: Turbulent flow for the calculation of the retention time in a chemical reactor. 图 1 :化工反应器中计算保留时间的湍流仿真 化工工程师如何进行仿真?在荷兰,阿姆斯特丹自来水公司采用臭氧替代氯净化剂,工程师希望能找到最 优物理结构来分布这些物质。不论臭氧在水处理中多么有优势,在使用中还是会带来一些问题。臭氧与溴反应生成溴酸盐,后者是致癌的,工程师 Jan Hofman 解 释,当然,溴酸盐浓度控制在允许浓度范围,但我们还在尝试减少它的办法,提高处理设施的净化能力。在原来为氯净化修建的转化反应器中进行臭氧处理, COMSOL Multiphysics 数学模拟软件让工程师得以方便地测试各种可能的结构,以最小的成本净化最大数量的自来水。 Outokumpu Copper RD (Vsters, Sweden) 的工艺工程师 Jonas Fjellstedt 采用 COMSOL Multiphysics 来计 算如何提高生产金属棒的效率。他研究的工艺中,液态金属从保温炉通过一个耐火入口倒入一个水冷石墨衬里的铜模具中,当棒冷却到一定程度,一个飞锯将棒切割 成一截截的。只有棒的外部需要在模具中凝固,其内部可以在离模后冷却凝固,从而使棒在整个工艺过程中高速运转。 Fjellstedt 开发 了多物理场模型来显示开始凝固的地方,这样他可以研究不同的管口结构,考察添加第二冷却区的效果。经过适当的改进后,他发现可以比原来的加工速度提高 40 %。加工速度的提高 意味着公司无需新建生产线就可以增加产量,并保持原有的质量。 仿真也已经成为工程师课程的一个标准部分,教授们开始使用模拟软件来帮助学生们理解真实世界中一些 关键公式的本质。在传质现象课程中,西雅图的华盛顿大学化学工程系的 Bruce Finlayson 教授为每个学生提供了一份关于微流的有效专利文件, 这些学生使用模拟来解释这些专利中的概念和公式。 Finlayson 报告说这些学生对于计算流体动力学显示出极大的兴趣,计算出的图象和图形化结果激发他们去深入研 究。 另一个例子来自安阿伯的密歇根大学的 Scott Folger 教授,在过去几年 中,他在化工反应课程中引入 PDE 进行仿真。他是如此确信数学模拟的作用,以至于编译了一套湍流反应器的课堂练习,并发表在他的《 化工反应原理 》(《 Elements of Chemical Reaction Engineering 》) 一书的第四版中。 当今的工程师很大程度上依靠数学工具来更加迅速和有效地设计及优化系统和工艺过程。我们需要年轻的 工程师不仅知道如何建立和验证模型,还要能用来开拓想象力和开发新技术。如果没有很好的模拟技术,学生们在随后的将来会处于不利的竞争地位。 数学模拟的基础知识 从什么时候起,数学模拟是怎样变成工程中如此重要的一个部分?确实,它其实是从科学探究的一开始就 已经成为所有技术进步背后的一种技术。事实上,最早的数学专业之一,欧几里得几何( Euclidean geometry )就是 所有应用数学的框架。 几何表示静态的关系,一直到了 17 世纪,数学家才发现可以动态地描述真实世 界中的对象及现象的工具:微分学。最早的描述集中在只依靠一个变量――时间――的现象,采用的数学表达式是常微分方程( ODE )。很多真实世界中 的现象包含多个自变量,因此偏微分方程( PDE )开始变得必不可少。 化学工程师用 PDE 处理问题,常见的例子是对流-扩散-反应方程,热方程, Poisson 方程, Navier-Stokes 方程,以及 Darcy 定律等。化工中,材料、能量和动量平衡中存在不止一个自变量时会遇到 PDE ,例如时间和空间。 很多情况下不是处理一个单独的公式,往往是 PDE 方程组,如系统中每种物质的物质平衡,以及能量和动量平衡。 如果 PDE 是线性的,也就是说,所有的项可以用一个公式及其微分来描述,经常可以通过正确的方法处理公式得到 一个确定形式的解 , 这些方法包括分离变量,叠加, Fourier 级数,以及 Laplace 变换等。 然而在真实世界中,很多 PDE 是非线性的,一般包含不止一个变量的微分,通过以上这些方法不容易得到非线性 PDE 的解,必须依靠数 值解和采用研究者在过去数年中开发的算法得到近似解。例如, Poisson 方程和热方程是线性的,并可推导出解析解,而对于非线性 Navier-Stokes 方 程,研究者们还未能找到通解形式及解决唯一性问题。化工中的方程经常是非线性的,因为用来描述反应速率的 Arrhenius 方程对时间是指数性依赖关 系,反应动力学大部分是非线性,因为反应速率依赖于反应物质的乘积。 确实采用数值近似方法求解可以得到任意类型的任意微分方程的解,手动求解显然是不可能完成的。此 外,这通常是常人无法实现,只能由专业科学家来写出表达和求解系统底层公式的算法。 即使是一个相对简单的 PDE 也可能变得复杂到无法即时找到一个明确地解形式。这样一来,为得到一组这样的解,可采用的方法就是 将求解域打散成大量的单元,也许是数十个,或者成百上千个有限单元。当处理这样一个小区域时,可以进行一些合理的假设和简化,找到它们的解。很显然,找出 所有的解意味着产生并解出成千上万个相关方程,可能需要上亿次算术运算。幸运的是,幸亏有了各种工具软件,如今每个人都可以拥有求解这类问题的计算能力, 如 COMSOL Multiphysics 就是其中最早的一种设计来在 PC 上求解系列 PDE 问题的软件。 近年来,研究者正通过有限元方法求解 PDE ,他们发现这些技术可以用来求解广泛的 问题,早期是结构力学,然后被扩展到化工、电磁,以及地球科学,等等。 此外,类似 COMSOL Multiphysics 的工具允许工程师解决多物理场问题,真实世界 中总是会在局部区域中同时发生多种物理现象。例如,很多过程的副产物是发热,热随后会明显地影响其他性质,如化学反应的反应速率,或固体的力学性质。如果 你不把传热引入整个问题,对于一个化学反应器的描述会是很不精确的,或甚至根本就是没有用处的。 模拟过程:一个典型的例子 幸亏现代的软件,对工程师而言,建立一个模型已经是相当容易的事了。看看下面这个例子,很能说明模 拟过程中的主要步骤。这个模型考察的是在一个固定床反应器中耦合自由和多孔介质流动,涉及三种气体,两种是反应物,一种是产物( A+B-C )。 从主管道( B )和注射管( A )注入的物质在固定的多孔介质催化床中反应,得到 C ,见图 2 。模拟通常分五个主要步 骤。 1. 建立几何模型 第一步是建立几何模型,并定义具有不同属性的区域(子域)。反应器(图 2 )由一个管结构和一个 注射管组成。注意,由于反应器具有对称性,只需要模拟它的一半,这样可减少计算量。 Figure 2: The main user-interface screen show the 3-chamber reactor, and the dialog box on the upper right facilitates the input of physical parameters for the transport balance. 图 2 :主用户界面显示了 3 室反应器,右上角的对话框帮助用户输入传质平衡中的 物理参数 很多模拟软件提供一个 CAD 编辑器用来绘制和生成几何结构,此外,也可以按常见格式导入 CAD 文件,这使得用户可 以利用专门的 CAD 软件的来绘制几何结构,或如果已经存在这样一个文件,直接导入它。例如 COMSOL Multiphysics 支持所有的 2D 和 3D 的 CAD 文件格式。更高级的软件还支持与 CAD 软件的在线连接,如 COMSOL Multiphysics 可以与 SolidWorks 无缝工作。因此,如果用户在 SolidWorks 环境中对几何结构进行了 修改,这些改动会立即反映到 COMSOL Multiphysics 中,无需用户干预。 2. 物理设定 在 COMSOL Multiphysics 内建的应用模式中设置每一个子域。在流动场, Navier-Stokes 方程描述自由流动区的流体流动, Brinkman 方程描述多孔介质区。最后,模型采用对流-扩散方程模拟三种物质的质量守恒。每一种应用模式有自己 的材料和边界条件设定,其中可以设定成常数或任意表达式。 接下来可以处理动量守恒及其边界条件。在反应器的两个外部区域没有多孔介质,控制方程是 Navier-Stokes 方程,而由 Darcy 定律扩展的 Brinkman 只用于多孔催化剂。固体壁上的边界条件是无滑移边界条件。然后定义主反应器和注射管中的入口流速及 压力,还必须定义流动类型。在入口边界上假设是完全发展的层流,不需要定义自由流动和多孔介质流动间的内部边界上的流速和压力。 最后需要处理物料守恒及其边界条件。前一步中软件计算速度场,然后用这个信息来给出由 Convection and Diffusion 应用模式计算的物料守恒中的对流项。这个应用模式在自由流动域和多孔介质域有不同的属性,并将反应速 率表达式引入到床中。主入口和注射口入口边界条件是浓度边界条件,出口采用对流边界条件,表示对流控制着反应器出口的物料传质。这是管式反应器中的常用边 界条件,避免在出口设置一个浓度或通量。 一个关键的应用是 COMSOL Multiphysics 图形界面的使设置物理属性(图 2 )不再那么痛苦。当选 择了一个应用模式后,软件提供对相关物理场优化过的若干方程和对话框。用户界面列出了控制方程,其参数可以在编辑框中输入。你可以通过键盘根据特别的需求 自由地修改方程。 3. 网格剖分 当定义好物理场后,接下来就是生成网格,即生成可代表整个系统的上千个三角形或其他形状(图 3 )。软件选择了一种缺 省的网格,也可以自己手动控制划分网格。例如 COMSOL Multiphysics 缺省采用三角形单元,也提供四边形、四面体、砖 形,以及六面体等,应用于不同的案例。此外,简单地用一个框选中感兴趣的部分,然后在该区域中精细化网格来获得提高精确性。 Figure 3: Finite-element mesh for the reactor. 图 3 :反应器的有限元网格 4. 选择和运行求解器 对大部分程序, COMSOL Multiphysics 建议缺省的求解器,但也可以从静态和非静态线 性求解器、瞬态求解器、特征值求解器、参数化线性或非线性求解器,以及自适应求解器中选择一个。本例选择瞬态求解器,并定义求解的时间点。还要设置软件生 成解的顺序,例如本例软件首先求解 Brinkman 和不可压缩 Navier-Stokes 方程,然后是对流和扩散方程。本例中反应影响气体密度,软件可以同时计算所有的方程。 5. 后处理和图形化 一个功能强大的软件可以有多种方法显示任意结果。除了提供大量的图和图表, COMSOL Multiphysics 还可以制作动画,用户可以通过电影来分析随时间的变化。静态地显示起动相,然后是稳态结果同样揭示出 大量的信息。这个反应器中,首先可以检查流场分布(图 4a ),可见在注射口下较大,而在多孔介质反应床内较小。图 4b 说明 A 的浓度是如何因为反应 的消耗及通过扩散而随着与注射口的距离增大而减小的。 Figure 4: Results from the simulation: flow velocity in the reactor (a); concentration of material A (b); concentration of material C (c). 图 4 :模拟结果:反应器的流速( a );材料 A 的浓度( b );材料 C 的浓度( c ) 然而, C 的生成在催化区不是均匀的(图 4c ),模拟表明催化剂的利用率不足。图中显示了反应不是均匀分散在催化床,注射点离多孔介质床太近, 反应物未完全混合,只有一部分床被利用。较好的设计可能包括在注射点后添加一个静态混合器,或将注射点向上游移,从而通过扩散增加混合效果。 其他可以进行的模拟 这个化工反应的例子只是浅尝即止,还可以模拟燃料电池堆中的流动的动量守恒,热交换器中的能量守 恒,静态层流混合器中的传质,以及电化学效应,如肿瘤中的电化学治疗,设计电场混合流体的微流装置,或甚至是检查电泳和色谱效应等。很多这样的研究需要模 拟传质和流动,并耦合其他物理场,如电磁或结构力学。只有多物理场软件,如 COMSOL Multiphysics 使得研究者有这种能力来研究这种多物理场同时 耦合的问题。 关 于 COMSOL Multiphysics 及其开发者 COMSOL Multiphysics 是一个工业领先的科学软件,用于仿真和模拟可以用偏微分方程描述的任意 系统。它特别强大的功能在于多物理场耦合能力,可以同时计算多个物理场现象。在专门的研究领域的研究者也能在其中找到特别的模块,包括用户接口和方程设置 等,目前提供的模块包括:化工、地球科学、电磁、传热、 MEMS ,以及 结构力学。软件可运行在 Windows , Linux , Solaris 以及 HP-UX 操作系统,其他可选模块包括 CAD 导入模块、 COMSOL 脚本解释器,以及 COMSOL 反应工程实验室。关于 COMSOL Multiphysics 及其产品家族的详情请参考 www.comsol.com 。 COMSOL 于 1986 年在瑞典的斯德 哥尔摩成立,经过多年的发展,目前在全球拥有多个办公室,包括 Benelux, Denmark, Finland, France, Germany, Norway, Switzerland, the United Kingdom, 以及 US 的 Burlington, MA, Los Angeles, CA, 和 Palo Alto, CA 。更多的信息可参考 www.comsol.com 。
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COMSOL Multiphysics在大学教学之应用(转载)
COMSOLFEM 2009-11-14 16:42
COMSOL Multiphysics 在大学教学之应用(转载) 大学热传导课程的学生们使用 COMSOL Multiphysics 来求解偏微分方程,用于 设计机车引擎的冷却系统。 尽管个人电脑的普及带 来了高等教育的很多变革,但如何在适当的时候引入这些需要电脑计算能力的课程专题,老师们还在踌躇。也即是说,使用有限元法模拟偏微分方程对大学课程合适 吗?我们从 Bhatia 博士最近使用 COMSOL Multiphysics 的经验来说,这是可行 的,这不仅仅给学生认识新的工具、新的知识,也启发他们从教科书以外获得能够解决实际问题的方法的概念。 如今的工程教育越来越 超出了传统的粉笔教学,这类课程加入了学生参与的机会,让学生透过各项专题有充分展现自己的机会,然而这些专题的设计仅仅停留在纸上作业,或幻灯片报告, 本文的教育学者试着介绍一个设计 - 制作 - 测试的概念来帮助学生学习所遇到的问题、尝试犯错,并解决问题。 由热力学课程开始 去年, Bhatia 博士向同事 Eric Constans 博士介绍这个新的概 念,由 Bhatia 博士负责第一堂初级热 力学课程。他让学生分组,从头开始建立起蒸汽引擎和空压机模型,学生们的主要任务是保持汽缸和元件足够冷,学生们尝试各种方法,其中一组学生甚至使用冰块 来降温。 通过引擎运转来教导热 力学概念,但学生尚未了解热传导效应, Bhatia 博士因此决定在第二学期的热传课程中,继续深入蒸汽引擎的原理,然而, Bhatia 博士认为引擎冷却其实 只需要非常简单的方法来解决,因此,他决定让学生们使用模拟软件来设计气体冷却式机车引擎。 尽管有限元模拟通常不 是大学生课程的一部分,但在这里却是介绍新的技巧的好机会,更能帮助他们了解物理概念,以及在课本上所看到的偏微分方程的实际应用,因为在一般课程的内 容,教材是比较难以接受甚至理解的。 K.K.Bhatia 博士与学生 Chris Bowen 、 Dave McKenna 正在讨论引擎本体的模拟 为了实现这个主题与目 的,唯一的机会就是选择 COMSOL Multiphysics 软件,在 Bhatia 博士教授过许多数值方程 或相关软件后,只有 COMSOL 能够提供直觉式的菜单架构,图形用户界面也可以显示数学物理方程,非常合适学生的使用习惯,更可提供对 方程式的读取,比那些使用黑夹子式操作方式的软件更有实用价值。这是传播一个概念,由一个小型、相对简单的专题开始,先让学生有更多的经验来练习偏微分方 程式,这样在后续的有限元课程中,学生才会有更强烈的动机来理解如边界条件或求解器等的概念。 开始进行 关于这个专题的执行方 式:学生首先听一个小时的有限元介绍课程,接着是另一个小时的 COMSOL Multiphysics 介绍,内容着重于 CAD 的载入、偏微分方程的 操作、边界与子域条件、网格剖分、求解和后处理绘图。 接着是半个小时的专题 细节讨论:设计 V 型双杠气冷式机车引擎,从 Harley-Davidson 引擎来简单阐述汽缸孔 径、冲程、引擎材料等,设计出当行驶时速达到 60 英里 时,引擎缸体的温度需 低于 350 。 学生首先的分析工作是 纸上作业,由简化的引擎模型开始,第一个假设是冷却鳍片的数量、几何尺寸,接着使用一些假设和手算,通过热生产和散热来得到初步的答案。接着,将分析工作 移到真实的设计,从 SolidWorks 绘制好引擎本体和冷却鳍片的几何模型,通过 CAD 载入模块来导入 COMSOL Multiphysics 之中。 不冒险就没有收获 当 COMSOL 几何模型建立后,学生 接着可以设计模型参数,并绘制引擎本体温度分布图,有些学生则通过原始偏微分方程模板的使用来模拟热传导方程式(即 Laplace 方程),明年, Bhatia 博士可能会要求全部使 用偏微分方程模板来做,这样更贴近于物理实际的理解,此外,不论是传统或非传统的设计,大约有一半的案例是在手算结果的 10 C 之内,事实上,比较手算 与模拟的结果,能让学生更有自信,也能对课程内容更感兴趣。 就事而论, Bhatia 博士相信学生可以从失 败中学习到很多事情,我喜欢这样说,不冒险就没有收获,因为 SolidWorks 与 COMSOL Multiphysics 的连接速度非常快,修改设计是很容易的。 了解偏微分方程 起初 Bhatia 博士的一些同事看到这 个专题时,认为这个专题过于庞大,因为这不是在教科书中可以找到的,他们也会质疑学生是否有足够时间完成,但终于,这个专题是完全成功的。 Bhatia 博士的主要目标是使学 生亲近偏微分方程,让以后遇到类似问题时,不会害怕去处理,除了 COMSOL Multiphysics 以外的模拟软件中,是看 不到偏微分方程的,就像个黑夹子一样,他们无法直接读取这些方程式。学生花了大约 15 个小时时间在专题上,包含几何设计和模型分析,几乎所有学生都 有一个感想,那就是,模拟实在是太酷了。 汽车引擎温度分布图 加入实验与验证 有了手算的经验,以及 熟练使用软件和熟悉偏微分方程,所以完成设计、建立测试、引擎并不是梦想,因此,在下一个大学高级热传导课程中,学生将不只使用 COMSOL Multiphysics 来设计与模拟,他们也将会和实验数据比较,一个设计电脑 CPU 冷却装置的想法油然而 生,学生将可去电脑店购物、亲自制作散热片,并使用电热耦合来测量温度。 对 Bhatia 博士来说,把建模与模 拟工具带到课堂,会带来无与伦比的优势,若在不久的将来看到这套教案出现在标准的大学课程中,这一点都不觉得惊讶。
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2009年COMSOL Multiphysics公开培训正式启动,第四季。
COMSOLFEM 2009-11-13 16:55
2009年COMSOL Multiphysics公开培训正式启动 原文作者: 中仿科技 发布时间: 2009-01-13 新闻来源: 中仿科技 活动信息 活动时间: 2009-01-01 至 2009-12-31 活动地点: 上海 自2006年中仿科技举办首届COMSOL全球用户年会中国区分会,在过去的三年时间里,中仿科技在不断为用户提供更完美的服务的同时,也在倾听用户对 COMSOL软件的要求和心声。在众多用户的支持和鼓励下,中仿科技公司将定期举办COMSOL Multiphysics中级培训课程,欢迎各界朋友报名参加: 2009 年COMSOL Multiphysics公开培训邀请函.doc 培训说明 1.时间为每季度一次,每次为期四天。 2.地点为中仿科技上海公司培训室。 3.内容为两项,一是网格优化,二是求解器及PDE,各两天。亦可单选一项,请在附录的报名表上注明选择课程的编号。 4.培训价格500元/人*天,正版用户八折,有学生证六折。学员的食宿自理(培训期间,中仿科技公司提供免费午餐)。 5.建议参加培训的学员自带笔记本电脑,中仿科技公司免费为您安装试用软件。如果没有自带电脑,中仿科技公司提供学习操作用的电脑。 6.咨询电话:021-64391516*811 田小姐(Ms. Amy Tian),Email: 课程时间 内容 * 报名截止时间 课程编号 Season 1 3.23(星期一)~3.24 COMSOL Multiphysics前后处理及网格优化技术培训 2009/03/16 09Q101 3.25(星期三)~3.26 COMSOL Multiphysics求解器设置及PDE培训 2009/03/18 09Q102 Season 2 6.22(星期一)~6.23 COMSOL Multiphysics前后处理及网格优化技术培训 2009/06/15 09Q201 6.24(星期三)~6.25 COMSOL Multiphysics求解器设置及PDE培训 2009/06/17 09Q202 Season 3 9.21(星期一)~9.22 COMSOL Multiphysics前后处理及网格优化技术培训 2009/09/14 09Q301 9.23(星期三)~9.24 COMSOL Multiphysics求解器设置及PDE培训 2009/09/16 09Q302 Season 4 12.14(星期一)~12.15 COMSOL Multiphysics前后处理及网格优化技术培训 2009/12/7 09Q401 12.16(星期三)~12.17 COMSOL Multiphysics求解器设置及PDE培训 2009/12/9 09Q402 * 内容说明: COMSOL Multiphysics 前后处理及网格优化技术培训 COMSOL Multiphysics求解器设置及PDE培训 COMSOL Multiphysics操作界面及技巧 操作几何体 创建几何体 CAD模型导入 与SolidWorks/Inventor交互建模 网格优化技术 COMSOL Multiphysics划分网格 网格文件导入 后处理 后处理器介绍 计算结果可视化处理 分析类型基础培训 稳态分析 瞬态分析 特征值分析 参数分析 稳态分离式求解 参数分离式求解 瞬态分离式求解 求解器介绍及设置培训 直接求解器 迭代求解器 PDE培训 系数PDE方程 广义PDE方程 弱形式PDE方程 一点体验:这个培训不同于给正版客户的培训或者是COMSOL的研讨会,会将更多的技巧,而且最后会预留半天跟中仿的几个高工亲密接触,让他调调模型,指点几下,还是很有益的!
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COMSOL2009中国区年会,4.0新体验!!
COMSOLFEM 2009-11-13 16:51
为促进国内科技工作者在多物理场耦合分析领域的交流以及分析能力的提高,中仿科技和 COMSOL 公司诚邀您参加 2009 年 COMSOL Multiphysics 中国区用户年会,此次年会将分别于 2009 年 11 月 17 号在上海, 11 月 19 号在北京, 11月22 日在武汉举行,会议是 COMSOL 公司全球用户交流大会的一部分,同时也是中国区第四次举办此活动。 本次大会将介绍COMSOL公司在第五届COMSOL全球用户大会上发布的COMSOL Multiphysics 4.0 Beta版, 介绍应用 COMSOL Multiphysics 软件进行多物理场耦合分析的案例以外,还将邀请 COMSOL 资深专家与 COMSOL Multiphysics 用户对软件的使用经验进行分享,与此同时,您也 有机会获得解决您目前难以克服的问题的技能和解决方案。 相信此次会议会帮助您今后的研究工作百尺竿头更进一步。 费用: 免费! 本次会议非营利性质,不收取任何费用(但各位需自理往返路费和酒店住宿等费用),免费赠送COMSOL Multiphysics 最新版本试用软件、COMSOL用户年会论文光盘、Booklet、培训动画教程等学习和应用资料,前100位签到者获得,送完为止(限:预报名者)。 本期焦点: 令人耳目一新的COMSOL Multiphysics 4.0 Beta版即将问世。在4.0版本中,COMSOL提出了全新的用户界面COMSOL Desktop概念,集简洁、易用、而功能强大的设计与仿真功能于一体,用户对模型的建立和求解变得更加容易;COMSOL Desktop流水线式的建模理念,完全针对用户使用习惯进行了优化,学习起来更加的容易,而多学科应用的建模功能却更加的强大;COMSOL将为用户研发部门带来产品研发与创新的高科技手段。 了解更多,请登录: http://www.cntech.com.cn/newsflash/2009/COMSOL-Ver4.0-Beta.html 特别提醒: 强烈建议您带笔记本电脑到现场,我们将在会议开始前免费为您安装COMSOL Multiphysics 4.0 Beta版,会议期间将会安排新版本培训内容,您将在第一时间体验最新版本。 对象: 无论您是COMSOL Multiphysics正式的用户与否,我们都欢迎您。这次研讨会的演示定会使您确信COMSOL Multiphysics在数值分析方面的优势与领先地位;详尽的案例分析演示,使您对采用COMSOL Multiphysics从事各领域科学研究以及工程仿真分析更加坚定信心。 关于COMSOL Multiphysics的详细介绍,请查看: http://comsol.cntech.com.cn/ ■时间及地点 日期 时间 城市 会议地点 2009年11月17日 (星期二) 09:00-17:30 上海 上海市徐汇区华山路1954号.上海交通大学浩然科技大厦一楼 102学术交流厅(点击查看地图) 2009年11月19日 (星期四) 09:00-17:30 北京 北京市海淀区中关村东路1号院清华科技园创新大厦A座2楼多功能厅 (点击查看地图) 2009年11月22日 (星期日) 09:00-17:30 武汉 武汉市洪山区珞瑜路1037号华中科技大学武汉光电国家实验室A区 301室(点击查看地图) ■报名方式 COMSOL 2009年会邀请函.doc 1,点击 在线报名 填写报名登记表,然后我们会和您电话确认。上海的朋友可致电王小姐:021-64391516-827;北京的朋友可致电赵小姐:010-82601646-801;武汉的朋友可致电黄小姐:027-59838973-801。 2,发送email到 ,请在email中写明您的单位,参加人数以及联系电话,并打电话给我们确认。上海的朋友可致电孙小姐:021-64391516-801;北京的朋友可致电赵小姐:010-82601646-801;武汉的朋友可致电黄小姐:027-59838973-801。 中仿科技(CnTech)是中国区领先的仿真分析软件和项目咨询解决方案的供应商。CnTech是中仿集团旗下的旗舰公司,总部设在香港,目前在全国设有四个分公司,分别位于上海、北京、武汉和深圳。除了强大的销售和技术支持网络之外,我们还设有专业的售后服务团队和培训中心,为了更好的服务广大客户,公司将陆续在全国各大主要城市设置业务分支机构。CnTech业务包括项目咨询和专业软件的集成和实施等,凭借多年来广大客户的支持和信任以及CnTech 员工们的奉献精神和责任心,已为国内外数百家企业、高校及科研院所提供专业软件系统及项目咨询等服务,服务领域涉及教学科研、机械工业、土木工程、生物医学、航空航天、材料科学、化学化工、冶金科学、汽车工业、电子电器、气象环保、采矿和石油工程等行业。 中仿科技公司是 COMSOL Multiphysics软件中国区(包括香港、澳门)唯一合作伙伴。CnTech将始终怀着谦虚、诚实、敬业的态度,秉承关注客户需求、提升客户价值的核心理念,始终遵循 客户满意为止的服务准则,真诚地为客户排忧解难、出谋划策、坚持不懈,及时为国内外客户提供全球最前沿最顶端的科技服务,力争成为仿真技术行业的典范! 关于CnTech更多的软件产品以及服务信息,请登录公司网站: www.CnTech.com.cn 获取更详尽资料。 我们的发展目标 CnTech将坚持自己的企业文化,不断加强经营网络和覆盖区域,凭借富有经验的专业团队,我们有能力成为中国最优秀的仿真分析软件和项目咨询解决方案的提供者。 本次会议合作伙伴 Company Sponsors Media Sponsors 会议详细和来宾发言的牛人介绍请见,博主就不一一添加了啊:) http://comsol.cntech.com.cn/conference2009/
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煤岩体瓦斯、水渗流耦合过程方程
COMSOLFEM 2009-10-25 20:34
煤岩体瓦斯、水渗流耦合过程方程 By杨天鸿
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转载制造最优化的燃料电池--用最专业的工具COMSOL Multiphysics
COMSOLFEM 2009-10-21 21:33
制造最优化的燃料电池--用最专业的工具COMSOL Multiphysics 作者:COMSOL Inc. 自动化和其他车载应用功能都对燃料电池-它们能量的来源提出各自特殊的要求。在设计电池的时候,许多因素都要被考虑进来:电池潜能,正负极气压,相关的湿度(指的是燃料和氧化剂内的水有多少),甚至是关键部位和关键部位里面隔膜和气槽的尺寸。 不仅是一个最佳的设计 COMSOL Multiphysics软件已成为Galip Guvelioglu在里海大学(宾夕法尼亚州,伯利恒市)做博士研究的重要工具。在Harvey Stenger 教授的指导下,他主攻质子交换膜燃料电池(PEMFC)的优化设计研究。据他解释道,提供最佳性能的设计和操作条件主要取决于应用的领域。固定的、便携式 的和运输应用都有各自不同的要求、不同的操作环境,可用的燃料和氧化剂条件也各不相同。一个PEMFC电池在固定的应用条件下,可以使用完全潮湿的燃料并 受益于压力机制造的空压,因为这可提高电池的输出能量。相反的,一个燃料电池在便携式的应用条件下,如笔记本电脑或手机可在大气的环境下使用。因此,燃料 的含水量和便携式电池的空气湿度受到约束。 其他要求也随应用环境而变化。移动设备对燃料电池在运输环境的启动时间和快速反应要求并不及固定环境中电池一样高。燃料电池的重量对于移动设备来说 更重要,这也限制了制造电池的材料选择。这一切对于Guvelioglu意味着COMSOL Multiphysics软件让各种空间立体结构、材料和操作环境的组合都快速并简单的显示出来,最后决定出最佳的应用设计。 内部一瞥 让我们更加具体地来看看这些要求对设计的影响,首先请看图1中PEM燃料电池的内部操作。PEM电池是由它使用的电解液种类而得名,它是一种聚合物 质子交换膜,最佳的质子导体。质子交换膜被夹在两层铂金阳极催化层中间。这两层催化剂由多孔渗水的分气电极支撑,一般由碳衣制造。这整个电极组被称为膜电 极组(MEA),通常它的厚度是0.5-0.8 mm。最后,MEA在两板中间,这两层板的腐蚀槽不仅作为电池输入和排出产物的运输道,还作为电流的储存层。 图1-质子交换膜(PEM)燃料电池的两个关键因素是催化剂层和质子交换膜, 前者将氢分为质子和电子,后者允许质子由正极向负极转化,同氧气和电子结合生成水。 在操作过程中,燃料电池持续给阳极(负电)输入气态的氢,并输入氧化剂如空气中的氧气给阴极(正电)。电极处的电气化学反应产生电流(见图1)。 燃料电池,虽然和一般电池相比有相似的部分和性能,但在一些方面还是有区别。电池是能量储存设备,它最大的可用能量是由电池内部储存的化学物反应来决定的。而燃料电池,从另一方面来说,是能量转换设备,理论上说只要对电极提供燃料和氧化剂就可以产生电能。 燃料电池反应产生的废物是水和热量。因为燃料电池直接将化学能量转换位电能,产生最大的理论上功率是不受卡诺循环约束的。PEMFCs 一般可达到的燃料功率比普通电池高50%,并且有几大理由被应用于汽车领域。首先是由于他的高能量密度-今天他们能够很容易达到1 A/cm2。一个单独的燃料电池能产生高输出能量0.6 V,所以可以得到可用的压差,和普通电池一样,工程师将多个这样的电池串联使用。持续改进工程和材料以增加能量密度,这样一个比内部燃料发动机还小的燃料 电池组产生的能量,可以供应一辆中型巴士汽车。 为了让这项技术在商业市场领域可行,研究者仍然需要面对几项挑战。电池在输入燃料和空气时遇到杂质会十分敏感。同时工程师们必须全面降低价格。PEM燃料电池的主要成本在于那些用在产品上的材料,其中铂金电极占了50% 的两极板材料成本。 现在研究者们在想办法降低铂金使用需求,并通过改进电池槽设计和对其他可替代材料进行实验来提高铂金的使用效率。他们也尝试在改进性能、制造方便性和操作灵活度的同时,通过提高满电池可靠性和耐用性来提高效率。 当我告诉我的同事,'我可以用不到一个小时做一个模型',他们都非常惊讶。这个秘密武器就是COMSOL Multiphysics软件。 COMSOL Multiphysics 软件的许多优点 为了达到这些目标,Guvelioglu 一直在找寻最合适的气体槽大小和形状,同时也在选择合适的电池构造部件。他也在对水和热处理进行试验寻求产品可靠性的改进。 他最主要的工具之一是COMSOL Multiphysics,选择它有许多理由。他倾向于商业CFD(计算流体力学)软件包在模型建造方面使用,或创造一个PDE 解决器来为所研究的所有应用环境做模型。大多数CFD软件包需要工作区或模型简化来得到他们的应用模型以满足要求。另外一个使用COMSOL Multiphysics软件的原因,是它可以帮助完成自定义PDEs。 撰写我自己的PDE解决器为PEM燃料电池制造模型,就像是只需要去一趟超市,就可以发明轮子接着是汽车。COMSOL 给我提供了几百个程序员一年时间给我,使用COMSOL Multiphysics 软件我得到了最好的帮助----受益于他们的开发工作,我可以非常自由灵活得处理我自己的PDEs。 另外一个主要的优势在于,COMSOL Multiphysics 将MathWorks 中的Matlab和Simulink 紧密结合在一起。一个完整的燃料电池系统包括压缩机,泵,增湿器,热交换机,转换器和电压机。拥有一个高效的燃料电池并不意味着整个系统都是高效的,所以 工程师必须在设计和优化的时候了解整个系统。为了实现这个目标,Guvelioglu 想要他的燃料电池模型同能量应用汽车仿真器(ADVISOR)部门结合在一起。这个仿真器结合计划对部件性能做出评估,如电机,电池,反应转换器,气候调 节系统,可选择燃料和其他可能影响燃料经济、性能或散热的改进。在这种情况下,他将自己的COMSOL Multiphysics模型拿出来,并转换为Matlab M- 文件,他称之为标准Matlab功能。 图2- 这些图片表明在三种不同电流密度下, 加湿氢和空气分别在常压3和5,温度在80C 时PEM燃料电池膜水含量和燃料电池净水流向量。 使用键盘直接进入自定义PDEs 之前已经提到过,Guvelioglu需要在特殊的PDEs 进行工作。燃料电池是一个复杂的多物理量设备,除了常规的一些物理量之外,还包括了特殊的物质运输方程,这些方程描述了水在膜内的运输环境。因为质子在膜 内的运动影响水运输、普通的转换和扩散,这些方程就显得很重要。他的应用在多孔渗水电极流动中使用了达西法则,在多成分的散式、转换、电极核隔膜中的电荷 平衡中使用了Maxwell-Stefan方程,并在催化层本地电流密度处使用了Butler-Volmer 动力学原理。 COMSOL Multiphysics给我机会能够专心解决燃料电池问题而不是把时间都浪费在学习使用一项特殊工具上。 另外,在特殊的水物质流量方程中,第一个公式支配了迁移过程。这个公式没有包含通常说的运输过程,但在COMSOL Multiphysics 软件却有灵活的用户界面,让他可以直接在画图用户界面自由地设置公式,而不用写用户编码,编译之后可连接到软件包。 与 热处理相连接,这个分析是仿真器很重要的组成部分,因为膜内水浓度变化导致离子传导性增强,继而增强燃料电池的效率。图2中的表格总结了三种操作电压下 (电流密度)隔膜中水的成分和净水流量。在低电流密度下(左边),由于负极的高压,净水流量从负极到正极,自然正极的水含量高。当电流密度升高(中间), 迁移的流量超过了扩散的和对流的流量,净水流量改变方向。当电流密度再次升高,迁移流量、扩散流量和对流流量差变大,右边图中膜的水含量就明显减少。低水 含量增加了膜的电阻,温度也随电阻热量升高而变高,会对膜产生潜在的损害。同时,增加的净水流从正极流向负极,表明从负极到正极回来扩散和转换的水不够让 膜保持一定含水量,需要增加燃料和氧化剂添加多于的水来增加湿度。但是如果增加过多的水,会让电极被水淹没,制造运输限制并降低能量的输出,甚至使输出中 断。因此,Guvelioglu使用他的COMSOL Multiphysics模式来小心平衡水含量,保持高效可靠的燃料电池工作状态。 简单的模式优化 在设计电池的时候,每个方面都起作用:电池电压,正极和负极的气压,相关的密度(指燃料和氧化剂中含有的水),各个部分的尺寸,以及里面最重要的膜和气槽。 Guvelioglu 多数时候利用带Matlab 的COMSOL Multiphysics软件来优化模型和做多数灵敏性工作,因为其中的控制线进入系统给他提供了巨大的便利,来研究模型的几何参数,如槽和两极板侧翼尺 寸,还有操作条件等。他可以使用For 回路-其他CFD 软件包中没有的功能,进入单独的Matlab M-文件中来研究。他解释道,通过COMSOL Multiphysics软件,我可以编辑代码中的某一条来改变槽的大小。COMSOL Multiphysics软件同时也给我提供便利,只需要一个软件和用户界面就可以完成几何,废物和后处理。我可以在完成几个指南后数小时内使用工具做模 型研究,COMSOL Multiphysics给我机会能够专心解决燃料电池问题而不是把时间都浪费在学习使用一项特殊工具上。 对于Guvelioglu来说,这个工具的灵活性和简单转换功能还被用到其他领域研究。我们使用COMSOL Multiphysics软件不仅仅作为燃料电池的研究,还运用在解决其他问题上,如等离子发电机和电解器。它帮助我们节省了很多时间。现在我可以用它建 造完全不同的模型,而比用其他CFD软件包时间要少的多。当我告诉我的同事,我可以用不到一个小时做一个模型,他们都非常惊讶。这个秘密武器就是 COMSOL Multiphysics软件。
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教你如何运用COMSOL做电池(一) 各个模块功能的选择
COMSOLFEM 2009-10-21 21:22
COMSOL Multiphysics ,自定 义 偏微分方程 来 模 拟 任何方程可以描述的物理 现 象。 AC/DC ,模 拟 燃料 电 池中的 电传导 和 电势 等 Chemical Engineerin g 包含 质 量 传递 、 动 量 传递 、能量 传递 方程,用于解 决 流体流 动 、物 质扩 散 问题 、 电 化 学 反 应 等 MEMS ,微流体、微 结 构 以及 电 磁 问题 ,解 决 器件中的 电 磁-流- 热 - 结 构 等多 种 耦合多物理 场 Heat Transfer ,用于解 决 燃料 电 池中的 热传导 、 对 流 传热 、 热辐 射 问题 Reaction Engineering ,用于解 决 反 应 工程、反 应热 等 问题 Structural Mechanics ,用于仿 真 电 池的 结 构 力学问题 Optimization ,设定一个目标函数,进行优化设计 CAD ,导入复杂几何模型 Material ,材料库及自定义材料属性 在后续的章节中,我们会陆续为大家讲解集中主流电池的仿真模拟。
个人分类: 电化学|12393 次阅读|1 个评论
业内戏言浅析
陈龙珠 2009-10-5 10:25
土木工程是一个隶属于工科的大领域,其中包括结构、岩土、市政、桥隧、暖通、防灾等二级学科,目前其复杂问题的科学研究方法主要有实验观测和数值模拟。人们一般认为,实验观测是认识客观事物属性最可信的途径,而理论分析或数值模拟的结果必须经过实验观测的检验才能应用。但由于精力和能掌握的研究资源有限,具体到一个人来说往往会偏重于使用某一种方法,实验和理论相互脱节的现象,现在似乎屡见不鲜。当前在我国海量土木工程项目设计中流传 算不清,加钢筋 顺口溜和如下两方面的戏言,或许就是例证。 对研究数值模拟的专家来说,在材料本构关系模型、单元属性、网格划分、边界条件、荷载以及数学方法等相关问题进行系统深入的研究后,往往会认为自己的成果严密而可信。但由于实际工程结构体系很复杂、计算机技术能力有限,目前的数值模拟技术在众多关键性问题方面难能考虑周全和必须进行简化处理,计算结果暂多用于定性认识工程指标的变化趋势和设计方案比选上,但在定量准确化方面上经常不尽如意。因此,具有一定理论分析涵养但工程实践丰富的一些工程师曾经戏言, 数值模拟的研究结果,主要是研究分析者自己最为相信 。 与上述相反,对利用室内外实验观测开展研究方面的专家来说,虽然在试验准备阶段对材料、加载、边界条件和观测系统等大多会进行较为周密和充分的论证,但还是很难在物理力学方面满足所有的相似率要求,测试系统有时也会出现未被发现的、但会影响测试结果的问题,更糟糕的是对实验数据的采信和剔除往往是基于测试分析人员既有的知识和设想或理论预估进行的,甚至会出现故意捏造。因此,一些具有实验观测经历的科技人员曾戏言, 现在的许多实验观测研究成果,大多是非实验研究人员最为相信的 。 业内的戏言,既深刻地提醒人们应慎用当前的相关研究成果,同时也为今后的研究工作指明了改进的方向。 推荐博文 : 王德华-不理想的数据可以剔除吗?
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图解如何用COMSOL模拟PEMFC燃料电池
COMSOLFEM 2009-9-28 21:43
COMSOL Multiphysics 质子交换燃料电池(PEMFC) 目标:模拟交合点流场下的质子交换膜燃料电池工作过程 方法: 1)COMSOL不同求解域不同物理场下的分别求解和同时耦合 2)复杂模型运用边界条件进行简化 (注:来源于COMSOL自带模型文档,,仅翻译整理以供各位看客共同研究之用)
个人分类: 电化学|11341 次阅读|3 个评论
图解等离子体搬运过程数值模拟——COMSOL Multiphysics
COMSOLFEM 2009-9-14 02:03
小结: 利用COMSOL化工模块与反应实验室协同工作,可以提供对化学物种时空行为的可视化描述。 对于理解实验结果,COMSOL是一个非常好的工具。同时,COMSOL还可以对反应器的结构进行设计。 技术咨询可到如下网址咨询,请注明来自科学网博客: http://feedback.cntech.com.cn/content.php/3060.html
个人分类: 等离子体|5165 次阅读|1 个评论
我的本科毕业论文
jjsun123 2009-8-22 21:23
摘要 岩体注水致裂过程是指岩体在孔隙水压力驱动下微裂纹萌生、扩展和贯通,直到最后宏观裂纹产生的过程,又称为水力压裂。岩体水力压裂技术在很多的工程领域都有重要应用,诸如石油天然气开采、地应力测量和核废料处理等领域。研究岩体水力压裂,不仅有利于我们清楚地认识岩体水压致裂发生的机理,而且也有利于我们研究和解决诸如上述的很多工程问题。 由于天然岩体材质的随机性,以及岩体中原有裂隙和孔洞等因素的影响,使得孔隙水压作用下岩体破裂裂纹的起裂和扩展过程十分复杂。使用经典的水力压裂研究方法解决水力压裂裂纹起裂和扩展问题是很难达到符合实际的解答的,因为经典方法均假设岩体材质是均质各向同性的。本文使用 FEPG 模拟了材质(模型中主要即为弹性模量)随机分布的岩体水力压裂过程,分析总结了裂纹起裂和扩展的规律,并与经典水力压裂的研究结果进行了比较,为非均质岩体中的水力压裂工艺提供了一些参考依据。 关键词 : 岩体;水力压裂;裂纹扩展;流固耦合;数值模拟 附:研究现状概述, 地下岩体渗流是自然界中常见的现象,尤其是在石油和天然气开采、水利水电、采矿和港口建设等工程中更是普遍。所谓渗流就是流体通过多孔介质的流动。在流体流过岩体等多孔介质时,由于流体施加于与之相接触的岩体骨架上的静压力和动压力会使得岩体发生变形,同时岩体的变形也会影响流体的流动状态,即渗流场和应力场是互相作用、互相耦合在一起的,最终这两种相互作用将达到一种动平衡状态,此即所谓的流固耦合现象 。基于地下岩体渗流理论和岩石水力学中流固耦合作用的理论基础以及提高石油、天然气等地下能源采收率等工程需求的推动,在十九世纪四十年代美国一些专家首先提出了用于提高低渗透油气层渗透性能的水力压裂技术。所谓水力压裂就是使用特制的压裂液(包括水等流体),在高排量、高泵压下注入岩层以水力尖劈地层,使岩层破裂产生新的裂缝(裂纹)或使岩层原有裂缝张开,并延伸裂缝的工程技术 。由定义描述可知水力压裂也是一种地下岩体渗流问题,其特殊性是在于必须时刻考虑渗流过程中的岩体变形等动态特性。 水力压裂技术应用于石油天然气工业,对于提高油气产量和低渗透油层的产油能力做出了有意义的贡献,取得了巨大的经济和社会效益。 1947 年 7 月在美国肯萨斯修斯顿天然气田进行了第一次水力压裂增产作业,至 1988 年,美国的水力压裂作业总数量发展至 100 万井次以上,美国石油储量的( 25-30 ) % 是通过压裂增产达到经济开采条件的。现在,水力压裂技术已经成为油气田应用最为广泛的增产方法。在我国,水力压裂技术也已开始应用 。 水力压裂技术近年来也被引入了环境保护科学领域 ,其基本思路是:在地下深部不易渗透的岩层之间存在薄弱的岩体,如夹在两层页岩之间的砂岩,用水力压裂法将会产生大量裂纹系而形成水力压裂带。这些由不易渗透岩层包围着的破裂带构成了理想的地下储存库。将石油或其他生产过程中的固态和液态废物,如污染的泥沙和废液,回灌到地下深部储藏起来,以减轻对地面的污染而达到保护环境的目的。 随着科学技术的不断进步,水力压裂除应用于石油天然气工业和污染物处置等领域外,水力压裂也应用于地应力测量、煤层气开发等极为广泛的工程中。虽然上述各个领域使用水力压裂技术的具体工艺相差很大,但是它们却都有一些共同的目的,比如要清楚地掌握岩体在孔隙水压力作用下的破坏规律,水力压裂破裂带扩展的动态过程以及破裂带空间趋向(裂缝延伸规律)和集合形态,并且能在一定程度上控制裂纹的扩展方向等等。所以研究岩体注水致裂过程不但有利于清楚地认识水力压裂过程中岩石破坏失稳规律,分析渗流、应力耦合作用的机制,在理论上推动岩石水力学和变形介质渗流理论的发展,同时也可以解决上述的很多工程实际问题。所以研究注水致裂时岩体破坏原理和裂纹扩展规律是许多工程学科面临的前沿课题 。 在岩体水力压裂过程中,由于我们面对的是天然条件下含有大量裂纹、孔洞等原始缺陷的复杂材料,所以在水力压裂时岩体在孔隙水压力作用下的破坏大多要受控于原有的孔微裂纹等结构,岩体的破坏过程实际上就是水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通,直到最后宏观裂纹产生,导致破裂失稳的过程 。另一方面是由于岩体材料严重的随机非均质性和原始地应力的影响,使得孔隙水压作用下的岩体破裂过程十分复杂。这就使得我们很难用一些经典的固体力学理论及解析解法获得比较接近实际情况的水力压裂规律。比如使用 断裂力学理论就难以描述岩石 内部孔隙结构 ( 分布缺陷 ) 的复杂性及其在水压作用下裂纹 ( 奇异缺陷 ) 扩展过程的 关系 ;而损伤力学研究材料中微缺陷或微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响。 以断裂力学或者损伤力学为基础的方法和模型均忽略了岩石材料性质分布的随机性 。 Weibull 在 1939 年提出了材料脆性破坏强度统计理论,并在此基础上发展形成了概率断裂力学,从某种程度上弥补了断裂力学的不足。 总而言之,用经典方法来研究岩体注水致裂裂纹产生和扩展规律时都存在不同程度的局限性 , 尤其是经典理论很难解决岩体材质随机分布情况下的水力压裂问题,而材质分布的随机性却正是天然岩体的一个很主要特点。这就是理论解答与工程实际之间的矛盾。要得到比较结合实际的理论解答就必须考虑岩体材质分布的随机性!这样才可能为复杂地质情况下的水力压裂问题提供一定的理论参考依据,取得一定的经济和社会效益,而不至于得不偿失。 如果能在流固耦合的思想指导下使用适当的数值模拟方法动态模拟岩体水力压裂的裂纹起裂和扩展规律 , 就有可能 在一定程度上取得与实际情况相符合的结论 。 作者也正是在这个思想的启发下,选择了石油、天然气开采等工业中比较普遍使用的水力压裂技术,使用 FEPG 软件对岩体水力压裂裂纹的起裂、扩展和延伸规律进行一定的模拟研究,以期得到一些岩体材质随机分布的水力压裂裂纹起裂、扩展和延伸的规律,弥补经典方法的不足,为水力压裂工艺提供一些理论参考依据。 水力压裂理论和技术从提出到现在已经有五十多年的历史了,在研究水力压裂的力学原理和裂纹扩展的规律时,开始均是使用岩石力学、弹性力学、渗流力学和断裂力学等力学知识进行岩体力学强度的计算和破坏判断。随着各门学科的发展和人类对客观事物本质的更深认识,解决水力压裂问题的方法也有了很大进步。就数学力学解析方法研究来说,目前国内外研究水力压裂的思想均是在岩石水力学的指导下,用流固耦合的思想研究裂纹的扩展,研究的内容包括岩体渗流规律的研究、流体流动对岩体物理力学性质和本构关系影响的研究 ,并且适当考虑裂纹扩展的动态过程,在数学力学模型中引进时间变量 ;而就具体的研究方法来说,一般是沿着现场观测、模型实验和理论分析相结合的思路,进行综合的研究,相互验证和相互补充,同时开展数值模拟研究 。 就数值模拟岩体注水致裂裂纹扩展来说,国内外也提出了很多的数值模拟方法。目前岩土力学界使用最普遍的仍然是有限元数值分析方法 ,水力压裂研究中也不例外。有限元方法是在连续介质的基础上基于变分原理和分区插值的离散化方法求解实际问题的 ,虽然实际的岩体材料都是非连续的,但是后来发展的特殊的节理单元(如 Goodman 单元)来模拟节理等不连续面、用节点分离技术模拟断层单元上下面位移的不协调、用增量法和直接迭代法以及 New-Raphson (简称 N-R 方法)等方法来处理材料非线性问题,使得有限元方法始终保持着活力 。但是由于各种有限元软件具体的数值模拟方法的不同或者所采用(假设)的力学模型的不同,所以也出现了一些不符合工程实际的现象。 在有限元的数值分析中 , 一般使用加密网格模拟细观岩体结构的开裂,历史上曾提出了多种宏观断裂模型 : 分离裂缝模型 (Discrete Crack Model) 、分布裂缝模型 (Smeared Crack Model) 和内嵌单元裂缝法 (Element-embedded Crack Approach) 来模拟岩体、混凝土 受拉开裂后所形成的裂缝。分离裂缝模型认为裂缝在相邻单元的边界面上形成,并在 裂缝两边的单元引入各自的节点。分布裂缝模型假定裂缝在单元内部形成,当单元达到 开裂条件后,就在垂直于主拉应力的方向产生裂缝。 Hiller 提出 Fictitious Crack Model , ( 简称 FCM ) ,该模型属于分离型裂缝模型的范畴,它不适合 在复杂应力状态下裂纹的萌生和扩展,而且很难处理多裂纹的扩展问题 。 Bazant 提出 钝 裂缝带模型 (Blunt Crack Band Model) ,该模型属于分布型裂缝模型的范畴,能够 研究平面问题中的断裂问题。这两个模型较好地反映了端部裂纹区的应变局部化和应变 软化特征,一般只能用数值方法来求解 。由于该模型没有考虑岩石的非均匀性,也就是说没有考虑到天然岩体材质分布的随机性,所以它们只 能模拟已有裂纹的扩展问题,不能模拟裂纹萌生、扩展到相互贯通的整个过程。 上述数值模拟方法的另一个缺点是均忽略了岩石变形、开裂与流体流动之间的耦合作用 。如 Jeffrey 用分离裂缝模型研究水力压裂过程时认为不能考虑流体流动过程和应力变化对裂纹的影响。目前对渗流与应力耦合作用的研究集中于固有裂隙网络的应力应变 状态 耦合 分析,缺少 耦合 作用的破裂过程分析 。 Burn 和 Ankara 利用 Biota 理论研究孔隙压力对岩石的张性断裂的影响, Vandamme 和 Roegierso 提出了水力压裂的 耦合 解, Dournary 利用流固耦合理论讨论了水力压裂的起裂、扩展和闭合全过程的流 固耦合现象,指出流固耦合在水力压裂过程中应用的重要性, L.Weijers 提出一种描述流 体渗流过程的水力压裂力学模型,并和试验进行了对照。这些考虑流体影响的水力压 裂研究局限于试验研究和理论分析,虽然有美国 Terra-Tech 等水力压裂的模拟 软件,但研究渗流应力耦合作用下岩石渐进破裂全过程的细观数值模型较少。
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Lms.virtual.lab计算步骤
jiangfan2008 2009-8-3 15:37
这两天摸索了一下LMS.Virtual,总结一下,给初学者参考(以计算消声器为例进行 设置 )。 1,建立 模型 , 2,划分 网格 , 3,网格检查,(1)Insert Acoustic Mesh Pre pro cessing Set,(2)Expand the Acoustic Mesh Preprocessing Set.1 feature and double-click the Grid Support.1 feature. A new dialog box will appear, select the mesh part monovolume Nodes and Elements and click the OK button.(3)Right-click the Acoustic Mesh Preprocessing Set.1 feature and select Update from the contextual menu. This will start the preprocessing. Click the Close Window button of the Computing.. dialog box once the preprocessing is over. 4,设置材料,(1)Insert Materials New Materials New Fluid Material or click the button from the Insert toolbar. (2)Insert Properties New Properties New Acoustic Fluid Property... or click the button from the Insert toolbar, to apply the air property to mesh.(3)A new dialog box will appear. Select the monovolume Nodes and Elements feature for the Application Region section. Refer newly created fluid material. Click the OK button. 5,模型最高频率,Right-click the Properties feature and select Update from the contextual menu. Now you can visualize the material maximum frequency images. Right-click the Properties.1 feature and select Generate Image from the contextual menu. The Image Generation dialog box will appear. Select Material Maximum Frequency and click the OK button. For better visualization, hide the Acoustic Mesh Preprocessing Set.1 feature. 6,边界集设置,Insert Mesh Grouping,本例设置了两个,一个进口,一个出口。 7,出口导纳设置,Insert Properties New Properties Absorbent Panel Property 8,进口声速设置,(1)Insert Boundary Conditions and Sources Boundary Condition and Source Set.(2)Insert Boundary Conditions and Sources Add an Acoustic Boundary Condition 9,设置分析类型,(1)Insert BEM Analysis Cases Acoustic Response Analysis Case.. or click the button from the Insert toolbar.(2)Select the Use an Existing One option for Boundary Condition Set section. This will activate the selection field. Select the No Panel Set option for Panel Set section. Refer the Acoustic Boundary Conditions and Sources feature in the specification tree. Click the OK button. This will insert the Acoustic Response Analysis Case feature in the specification tree. (3)Double-click the Acoustic Response Solution Set.1 feature to open the dialog for the solution parameters. In the Solution tab, select From Boundary Conditions option for the Edit Frequency Range. 10,计算,计算之前,要设置sysnoise的路径,Tools Options Acoustics menu, LMS SYSNOISE tab or on the Job tab of the Edit Solution Parameters dialog box. 之后就可以计算了,Right-click the Acoustic Response Solution Set.1 feature and select Compute/Update from the contextual menu. This will start the computation. 11, 结果 后处理 ,Right- click the Acoustic Response Solution Set.1 feature and select Generate Image from the contextual menu. The Image Generation dialog box will appear requesting you to select the different images.还有很多后处理方法。 比较了一下和sysnoise,感觉没有sysnoise那样方便地设置边界条件和后处理,也许我不太熟悉的原因。
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大风起兮云飞扬
热度 2 zdwang 2009-3-24 11:15
大风起兮云飞扬
—漫话流动显示及纳斯方程 王 振 东 古代诗词:以流动显示来抒发情思 大风起兮云飞扬, 威加海内兮归故乡, 安得猛士兮守四方 ! 这是汉高祖刘邦(公元前247-前195)在击破英布军以后,回长安时,途经他的故乡沛(今江苏徐州市沛县),设宴招待家乡的故交父老,酒酣时自己击筑(古代乐器)而歌,所作慷慨豪情的《大风歌》。 《史记:高祖本纪》:“高祖(刘邦)还归,过沛、留。置酒沛宫,悉召故人父老子弟纵酒,发沛中儿得百二十人,教之歌。酒酣,高祖击筑,自为歌诗曰:大风起兮云飞扬,威加海内兮归故乡,安得猛士兮守四方!令儿皆和习之。高祖乃起舞,慷慨伤怀,泣数行下”,正是记载了这段历史。刘邦短短三句,洋洋自得,气壮山河,但并没有被胜利冲昏头脑,最后一句流露出了居安思危的忧患意识。 刘邦在这里是以“云飞扬”流动显示大气运动的物理图像,来抒发衣锦还乡、荣归故里的壮志豪情。这是历史上有名的一则典故,“大风歌”或“大风诗”的来历。之后直至现代,不少人皆仿此“歌大风、唱大风”,以表示慷慨悲歌、治国安邦的豪情壮怀。如: 汉武帝刘彻(前156-前87)也有—首以风吹白云飞,表达情感的诗《秋风辞》 秋风起兮白云飞,草木黄落兮雁南归。 兰有秀兮菊有芳,携佳人兮不能忘。 泛楼舡兮济汾河,横中流兮扬素波。 箫鼓鸣兮发棹歌,欢乐极兮哀情多。 少壮几时兮奈老何。 唐太宗李世民(599-649)《辛武功庆善宫》诗 共乐还乡宴,欢比大风诗 。 《过旧宅二首》之二 八表文同轨,无劳歌大风 李白《登广武古战场怀古》诗 按剑清八极,归酣歌大风 林宽《歌风台》诗 蒿棘空存百尺基,酒酣曾唱大风词 王德贞《奉和圣制过温汤》诗 停舆兴睿览,还举大风篇 直到近代也有类似的大风诗,如: 董必武(1885-1975)《感时杂咏》诗 欲守四方歌大风,飞鸟未尽先藏弓。 朱德(1886-1976)《赠友人》诗 北华收复赖群雄,猛士如云唱大风。 陈毅(1901-1972)《莱芜大捷》诗 鲁中霁雪明飞帜,渤海洪波唱大风。 现在以云来显示大气的流动,己很常见。如在电视台的气象预报节目中,人们常能看到由云显示千姿百态流动图案的卫星云图,所显示大气中所发生的动力过程。下图是卫星拍摄到的,2005年对美国新奥尔良造成巨大灾害的卡特里娜飓风图。 也有古诗用风叶和船只所显示的流体运动,来形象、生动地比喻和描述远行在外人的行迹和旅途。如宋代诗人范成大(1126-1193)的五言律诗《道中》 月冷吟蛩草,湖平宿鹭沙。客愁无锦字,乡信有灯花。 踪迹随风叶,程途犯斗槎。君看枝上鹊,薄暮亦还家。 程途是指旅程途中,槎(chá)亦做查、楂,系水中木筏意,犯斗槎是指远行所乘的船只。 古代诗人还常以杨絮、柳絮以及虫类拉的丝(亦名游丝、晴丝),所显示的空气流动情况(风、对流或布朗运动),来抒发各种各样的情思,如: 韩愈(768-824)《晚雪》诗 杨花榆荚无才思,唯解漫天作雪飞。 以及《次同冠峡》诗 落英千尺堕,游丝百丈飘 。 周紫芝《踏莎行》词 情似游丝,人如飞絮,泪珠阁定空相觑。 范成大《碧瓦》诗 无风杨柳漫天絮,不雨棠梨满地花。 以及《初夏二首》诗 晴丝千尺挽韶光,百舌无声燕子忙。 韶光是美好的时光,这里指春天。诗人想象春末夏初的游丝是在恋惜时光,想把春天挽留住。 石(矛下加心)《绝句》诗 来时万缕弄轻黄,去日飞毬满路旁。 我比杨花更飘荡,杨花只是—春忙。 以杨花比喻自己奔波游宦,道出了深沉的乡思旅愁。 苏轼《水龙吟·和章质夫杨花韵》词 似花还似非花,也无人惜从教坠,抛家旁路,思量却是,无情有思。 将杨花比作缠绵衰感的思妇。 文天祥《过零丁洋》诗 山河破碎风抛絮,身世飘摇雨打萍 把杨花比作日益沦丧的国土。 各种各样的流动显示方法 流动显示是在力求不改变流体运动性质的前提下,用图像显示流体运动的方法,其任务是使流体不可见的流动特征,成为可见的。俗话说“百闻不如—见”,人们通过流动显示看到了流场的特征,从而可进一步研究探索和应用流体运动的规律。 西方一些人认为,意大利文艺复兴时期的艺术家和科学家达•芬奇(Da.Vinci,1452-1519),是第一个运用流动显示的方法,来叙述涡旋构图的人。但比起运用流动显示的图像,来描述峡江水流涡旋的运动特征,和抒情言志的我国古代诗人,达•芬奇却要落后好几个世纪了。 首先应用流动显示方法,对现代流体力学发展做出重要贡献,当推英国科学家雷诺(O.Reynolds,1842-1912)。他在1883年,将苯胺染液注入长的水平管道水流中做示踪剂,从而可以看出管中水的流动状态。当流速小时,苯胺染液形成一根纤细的直线与管轴平行,表示流动是稳定的和有规则的流动,称为层流;当流速慢慢地增加,达到某一数值时,流动形式突然发生变化,那根苯胺染液细线受到激烈的扰动,苯胺染液迅速地散布于整个管内,表示流动己十分紊乱,称为湍流。这一试验明确提出了两种不同的流动状态,及其转捩的概念,还提出了后来被称为“雷诺数”的这一十分重要的无量纲参数。至今湍流研究的历史,一般都公认从1883年雷诺这个经典的流动实验算起。 德国科学家普朗特(L.Prandtl,1875-1953),1904年用在水中撤放粒子的方法,获得了水沿薄平板运动的画面。由于画面上粒子留下的轨迹正比于流动的速度,在靠近壁面有一薄层,其中速度比离壁面较远处的速度明显较小,且有大的速度梯度。正是对这一流动显出画面的观察和分折,使他提出了边界层的概念,指出在远离壁面处,可不计黏性,能应用理想流体力学的研究结果;而在物体表面附近的薄层中,由于有很大的速度梯度,从而产生很大的剪切力,不能忽略黏性。这一基于流动显示的新观点,使得可利用边界层很薄的特点,使问题的数学处理大为简化,至今它仍是黏性流体力学最重要的基础理论之一。 20世纪50年代,有人提出了氢气泡显示技术:用很细的金属丝放在水中作为阴极,通电后在金属丝上形成的氢气泡随水流走,而成为显示流场的示踪粒子。克拉茵(Kline)等1967年首先用氢气泡显示技术,发现了近壁湍流的相干结构(Coherent Structure,也有译为拟序结构)。这是一种大尺度的涡旋运动,它在将平均运动动能转变为湍流动能的过程中,作了大部分贡献。后来经许多人用更精确、先进的实验手段(热线热膜测速、激光测速以及数据自动采集、图像处理技术等)进行重复,使实验越做越精确。不但对壁湍流,而且对自由剪切湍流也发现了相干结构,到20世纪80年代,湍流相干结构已为国际流体力学界公认,并认为这是对湍流生成、维持、演化起主要作用的结构。这一由流动显示所发现的相干结构,被认为是对湍流认识上的一次革命,是在湍流研究上的一次重大进展。80年代之后至今,关于湍流相干结构及其控制的研究,一直湍流研究的热点课题。 由以上三个例子可见,流动显示是了解流体运动特性,并深入探索其物理机制的一种直观、有效的手段。它能发现新的流动现象,如层流和湍流两种流动状态及其转捩、涡旋、分离、激波、边界层、壁湍流相干结构等;据了解,流动显示技术己在许多实际问题的研究中,发挥了很大的作用,如三角翼和双三角翼的前缘主涡、二次涡和尾涡的形成和发展,钝物体尾迹的涡旋结构,以及多体干扰等。 上面提到的流动显示方法,,主要只涉及到示踪法。示踪法是在流体中加入某些示踪物质,通过对加入物质踪迹观察得到流体运动的图像。由于所加示踪物质的不同,又可分为用途不一的烟迹(含烟丝)法、染色线法、空气泡和氢气泡法、氦气泡法、激光-荧光法、蒸汽屏法等。当然,在流体中加入了示踪粒子,就又存在粒子的跟随性问题。 除示踪法外,流动显示的方法还有光学方法和表面涂料显迹法。光学方法又分阴影法、纹影法和干涉法。前两者利用了光通过非均匀流场不同部位时的折射效应,后者通过扰动光和未扰动光的相互干涉得到干涉条纹图,从而进一步可得到流动参数的定量结果。表面涂料显迹法是在物面上涂以薄层物质,以其与流动相互作用时,产生一定的可见图像,从而可定性或定量的推断物面附近的流动特性。按所涂物质的不同,还可分为油流(荧光油流)、丝线(荧光微丝)、染料、升华、相变涂层、液晶、感温漆等方法。 流动显示技术目前发展相当快,特别是与计算机图像处理技术相结合,使传统的流动显示方法得到很大的改进。计算机数据的采集与处理,可对显示结果进行深度的加工分析,以获得更清晰的流动图像,以及有关流动参数的分布。 多种流动显示方法的联合使用,又可得到更丰富的流动信息。随着光学技术和计算机技术的发展,激光全息术、光学层析术、散斑、粒子成像测速(PIV—ParticaleImageVelocimetry)、激光诱导荧光(LIF—LaserInduceFluorescent)等方法也己出现并在发展完善之中,为实现瞬时、高分辨率和定量化的空间流动显示展现了美好的前景。 数值模拟、实验检验和世纪数学难题 要弄清流动显示对流体力学的研究能有多大的作用,还需要从流体力学的研究现状来说起。 力学是以实验为基础的科学,流体力学更是建立在实验的基础之上。在流体力学中,绝大多数重要的概念和原理都源于实验,例如:大气压强,流体的可压缩性,黏性剪应力,层流,湍流,雷诺数,卡门涡,二次流,附加质量,激波,孤立波,湍剪切流的相干结构,声障现象等;又如,完全气体的状态方程,连续性方程,能量守恒原理,达西定律,托里拆利原理,伯努利原理等。 瑞士数学家、力学家欧拉(Euler,L. 1707-1783)于1755年,建立了理想流体的动力学方程组,现称为欧拉方程组。法国力学家、工程师纳维(Navier,C.L.M.H. 1785-1836)于1821年,以及英国力学家、数学家斯托克斯(Stokes,G.G. 1819-1903)于1845年,分别对黏性不可压缩流体建立了动力学方程组,现称为纳维—斯托克斯方程组。在无黏性的情况下,纳维―斯托克斯方程组可简化为欧拉方程组。现在人们对于自然界、国防和各种工程技术中的流体力学问题,都在用纳维―斯托克斯方程组进行分析、计算和研究。纳维―斯托克斯方程组(亦可简称为:纳斯方程),现被公认是描述流体运动规律的流体力学基本方程组。 对于纳维—斯托克斯方程组,经过150多年的研究,仅在—些简化的特殊情况下,找到不多的准确解。由于纳维—斯托克斯方程组光滑解的存在性问题,至今尚没有在数学上解决,且这个问题又关系到人类的生产、生活、军事和对大自然的认识,极其重要,所以克莱数学促进会(Clay Mathematics Institute )于2000年5月24日在法国巴黎的法兰西学院,将其发布为新千年数学大奖悬赏的7个世纪数学难题之—,奖金高达一百万美元。克莱数学促进会发布的7个世纪数学难题是:P与NP问题、黎曼(Riemann)假设、庞加莱(Poincaré)猜想、霍奇(Hodge)猜想、贝尔什和斯威尔顿(Birch及Swinnerton-Dyer)猜想、纳维―斯托克斯方程、杨―米尔斯(Yang-Mills)理论。比纳维—斯托克斯方程组简单得多的欧拉方程组,解的存在性的问题也尚未得到证明,只是它不属于悬赏奖励的问题内容。 在学习微分方程理论時,我们知道: (1)如果某物理问题的微分方程,被证明其解不仅存在而且唯一时,则无论用何种方法找到这个微分方程的解,可以认为这就是该物理问题方程的解。 (2)当某物理问题的微分方程,被证明解是存在的,但却不见得唯一时,则如用—种方法找到了解,还必须研究解的稳定性问题,只有证明了所找到的解是稳定的,才能认为这个解有可能代表实际存在的物理现象。 (3)如果某物理问题的微分方程,解的存在性尚还不能被证明,若用某种近似方法(如渐近方法或差分法、有限元法等各种数值方法)找到了“解”,则难以肯定它是否真是代表实际存在的物理现象的解。 不幸的是,流体力学中所遇到的欧拉方程组和纳维—斯托克斯方程组,正好都属于第三种情况。 如果经过数学家的努力,解决了悬赏的问题,纳维—斯托克斯方程组解的存在性问题得到了证明,这自然是皆大欢喜的好事。可是关于纳维—斯托克斯方程组解的存在性问题的悬赏,也还包括给出其解不存在的证明。如果是后者获奖,那问题就大了。当然也有这种可能,经过仔细研究后认为纳维—斯托克斯方程组应做出某些修正和改进,才能使解存在。如是这样,流体力学教科书就需要改写了。 可是,大量的自然界、国防和各种工程实际中的流体力学问题需要解决,并不能等你弄清方程组解的存在性后再说。人们只能在用理论分析、数值计算、物理实验相结合的方法,研究、解决所遇到的流体力学问题。 这三种方法各有优缺点。实验方法的优点是能直接解决生产中的复杂问题,能发现流动中的新现象和新原理,其结果可作为捡验其他方法是否正确的依据;缺点是对不同情况需做不同的实验,且所需人力、财力、物力较多,花费大。分析方法的优点是可明确给出各物理量与流动参数之间的变化关系,普适性较好;缺点是数学上的困难很大,能获得的分析解(包括近似的分析解)的数量有限。数值计算方法的优点是可对分析法无法求解的问题,求得其数值解,且花费相对较小;缺点是对复杂而又缺乏完善数学模型的问题,仍无能为力。分析解及数值解都是建立在具有—定假设条件的运动方程组之上的,其结果仍都应受到物理实验结果的捡验。由于纳维—斯托克斯方程组解的存在性问题至今尚未解决,就更难以肯定数值方法找到的解,是否代表真实的流体运动。所以,数值摸拟与物理实验的本质差别并未消失,数值模拟尚不能替代物理实验,数值摸拟的结果必须用物理实验来捡验其正确性。 由于计算机和数值计算技术的快速发展,出于科学研究和生产实际的需要,对于流体力学问题进行大规模数值模拟,现己很常见,国内已有几种功能较强的计算流体动力学的商品软件(如 FLUENT, STAR—CD, TASC flow,PHOENICS 等)在应用,且已使用并行计算机进行大规模数值模拟。但所得到的数值模拟结果,仍须用物理实验来检验其正确性。而作物理实验又需要投入更多的人力、财力、物力的支持,所以巧妙地构思、设计小规模、精细的物理实验,以较少的花费来捡验大规模数值模拟的正确性,就显得十分重要。 流动显示方法和技术,正是我们在流体力学研究中,能达到上述目的的重要实验方法和技术,它不仅能提出新的观念、新的研究模型,揭示流体运动规律,也能为流体力学计算提供可靠的流动条件(如边界层转捩点、激波位置、涡核位置、尾迹宽度等),和对数值模拟的结果进行检验。 附录:新千年数学大奖悬赏的7个世纪数学难题 Notices of the AMS(美国数学会(AMS)的会刊)在克莱数学促进会发布7个世纪数学难题后,曾为悬赏问题准备了如下的简介: P和NP问题:一个问题称为是P的,如果它可以通过运行多项式次(即运行时间至多是输入量大小的多项式函数)的一种算法获得解决;一个问题称为是NP的,如果所提出的解答,可以用多项式次算法来检验。P等于NP吗? Riemann假设:黎曼ζ函数的每个非平凡零点,有等于1/2的实部。 Poincaré猜想:任何单连通闭3维流形同胚于3维球。 Hodge猜想:任何霍奇类关于一个非奇异复射影代数簇,都是某些代数闭链类的有理线性组合。 Birch 及Swinnerton–Dyer猜想:对于建立在有理数域上的每一条椭圆曲线,它在1处的L函数变为零的阶,等于该曲线上有理点的阿贝尔群的秩。 Navier–Stokes方程组:(在适当的边界及初始条件下)对3维纳维–斯托克斯方程组,证明或反证其光滑解的存在性。 Yang–Mills理论:证明量子杨–米尔斯场存在,并存在一个质量间隙。 (注:其中第三个难题:庞加莱(Poincaré)猜想己被解决,解决其中关键问题的,是俄罗斯年轻学者佩雷尔曼(Grigory Perelman),他的文章并不是发表在著名的期刊上,而是2002年在网站上发表的,得到了国际数学界的承认。) 参考文献 1.王振东、姜楠,新千年数学大奖问题 ——证明纳维—斯托克斯方程组光滑解的存在性[J],力学与实践,2003,25(3):72—73 2.王振东,关于流体力学方法论问题[J],力学与实践,2004,26(2):83—85 3.王振东、武际可,力学诗趣[M],天津:南开大学出版社,1998 4.Allyn Jackson ,Million-dollar Mathematics Prizes Announced [J],Notices of the AMS,2000,47(8):877—879 5.Wenjei Yang ,HandbookofFlow Visualization[M],Hemispere Publishing Corporation,1980 6.Smits AJ,Lim TT , Flow Visualization[M] ,Imperial College Press ,2000
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