CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD
1.5 Tổng quan về CFD và phần mềm COMSOL Multiphysics
1.5.2 Giới thiệu về phần mềm COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics là một phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn đa nền tảng, bộ giải và phần mềm mơ phỏng đa vật lý. Nó cho phép các giao diện người dùng dựa trên vật lý thông thường và các hệ thống kết hợp của các phương trình vi phân từng phần (PDE). COMSOL Multiphysics được sử dụng trên tồn thế giới
như một cơng cụ khơng thể thiếu cho nhiều loại mơ phỏng máy tính phục vụ cho
43 có mục đích chung để mơ hình hóa các thiết kế, thiết bị và quy trình trong tất cả
các lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất và nghiên cứu khoa học.
Ngồi việc sử dụng mơ hình đa vật lý cho các dự án của riêng mình, người
ta cũng có thể biến các mơ hình thu được thành các ứng dụng mơ phỏng để các
nhóm thiết kế khác sử dụng, để sản xuất và thử nghiệm. Cụ thể, COMSOL Multiphysics là một nền tảng mô phỏng bao gồm tất cả các bước trong quy trình mơ hình hóa – từ xác định hình học, đặc tính vật liệu và các hiện tượng cụ thể đến giải quyết và xử lý mơ hình để tạo ra kết quả chính xác và đáng tin cậy. Vì là gói phần mềm giải được các bài toán đa vật lý cho nên COMSOL rất tiện dụng và trực quan, dễ sử dụng.
Hình 1.45 Các mơ–đun trong COMSOL [104]
Các mô–đun trong COMSOL bao gồm [104]:
- Mô–đun AC/DC (AC/DC Module): Mô–đun này cung cấp cho bạn một loạt
các tính năng mơ Hình hóa và phương pháp số để điều tra trường điện từ
bằng cách giải Maxwell. Mục đích chính để phân tích các hệ thống điện từ
và các phương trình xử lý. Gia nhiệt cảm ứng, gia nhiệt Joule và gia nhiệt điện trở, biến dạng và ứng suất do lực điện từ và cả mô–men xoắn. Cũng như lực Lorentz trong chất rắn và chất lỏng được bao gồm trong mô–đun
AC / DC.
- Mô–đun âm học (Acoustics Module): Mơ–đun âm học là một tiện ích bổ sung cho phần mềm COMSOL Multiphysics cung cấp các công cụ để lập mơ hình âm thanh và rung động cho các ứng dụng như loa, thiết bị di động,
44 micrô, bộ giảm âm, cảm biến, sonar và lưu lượng kế. Bạn có thể sử dụng
các tính năng chuyên biệt để hình dung các trường âm thanh và xây dựng
các nguyên mẫu ảo của thiết bị hoặc thành phần. Mô–đun âm học cũng bao gồm nhiều công thức và mơ hình vật liệu chun biệt có thể được sử dụng
cho các lĩnh vực ứng dụng chuyên dụng được sử dụng trong đầu dò thu nhỏ
và thiết bị di động hoặc phương trình Biot để mơ hình hóa sóng đàn hồi.
Mơi trường đa vật lý được mở rộng hơn nữa với một số phương pháp số
chuyên dụng, bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM), dò tia và phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin không liên tục (dG–FEM).
- Mô–đun thiết kế pin (Battery Design Module): Mô–đun thiết kế pin mơ hình hóa và mơ phỏng các quá trình cơ bản trong điện cực và chất điện phân của pin. Những mô phỏng này có thể liên quan đến việc vận chuyển các hạt
tích điện và trung tính, sự dẫn dịng, dịng chất lỏng, truyền nhiệt và các
phản ứng điện hóa trong các điện cực xốp.
- Mô–đun CFD (CFD Module): Mô–đun CFD cung cấp một giao diện vật lý chun dụng để xác định các mơ hình truyền nhiệt trong miền chất lỏng và chất rắn kết hợp với dòng chất lỏng trong miền chất lỏng.
- Mô–đun kỹ thuật phản ứng hóa học (Chemical Reaction Engineering
Module): Mô–đun này cung cấp giao diện người dùng để tạo, kiểm tra và chỉnh sửa các phương trình mơ hình, biểu thức động học, hàm và các biến cho các hệ thống hóa học.
- Mơ–đun vật liệu composite (Composite Materials Module): Vật liệu composite là vật liệu không đồng nhất bao gồm hai hoặc nhiều thành phần tích hợp để nâng cao hiệu suất cấu trúc. Mô–đun này hữu ích để phân tích các cấu trúc hỗn hợp nhiều lớp bằng cách sử dụng các cơng cụ mơ hình hóa này và chức năng phù hợp.
- Mơ–đun ăn mịn (Corrosion Module): Mơ–đun ăn mịn cho phép các kỹ sư và nhà khoa học điều tra các q trình này, hiểu được mức độ ăn mịn có thể xảy ra trong suốt thời gian tồn tại của cấu trúc và thực hiện các biện pháp phòng ngừa để ức chế ăn mịn điện hóa, để bảo vệ cấu trúc của chúng. - Mô–đun lắng đọng điện (Electrodeposition Module): Mô–đun lắng đọng
điện thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm: lắng đọng kim loại
cho các bộ phận điện tử và điện, chống ăn mòn và mài mòn, mạ điện trang trí, định hình điện của các bộ phận có cấu trúc mỏng và phức tạp, sự ăn
mòn, cơ điện, đốt điện, và điện hóa.
- Mơ–đun pin nhiên liệu & điện phân (Fuel Cell and Electrolyzer Module): Mô–đun pin nhiên liệu và điện phân cung cấp cho các kỹ sư các cơng cụ mơ hình và mơ phỏng hiện đại cho pin nhiên liệu và máy điện phân, cùng với các công cụ đa năng cho các đặc tính của dịng chất lỏng thực tế và mơ phỏng điện hóa chi tiết.
45 - Mô–đun truyền nhiệt (Heat Transfer Module): Mô–đun này cho phép bạn phân tích sự truyền nhiệt bằng cách dẫn, đối lưu và bức xạ, cũng bao gồm một bộ tính năng tồn diện để điều tra thiết kế nhiệt và ảnh hưởng của tải nhiệt.
- Mô–đun đặc tính chất lỏng & khí (Liquid & Gas Properties Module): Mơ–
đun đặc tính chất lỏng và khí cung cấp các cơng cụ để tính tốn các đặc tính
nhiệt động lực học, bao gồm mật độ, độ nhớt, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung, tỷ số nhiệt riêng, tốc độ âm thanh, v.v., cho hỗn hợp chất lỏng và khí của hóa chất tùy ý thành phần. Mơ–đun này hữu ích cho các mơ phỏng CFD, truyền nhiệt và âm học trong trường hợp khơng có phản ứng hóa học. Các đặc tính của chất lỏng và chất khí được tính tốn dựa trên nhiều mơ hình đặc tính nhiệt động lực học và mơ hình nhiệt động lực học cho hỗn hợp chất lỏng, hỗn hợp khí, và hỗn hợp khí – lỏng, được gọi là tính tốn chớp nhống. - LiveLink cho AutoCAD (LiveLink for AutoCAD): LiveLink cho
AutoCAD bao gồm một loạt các công cụ để tạo điều kiện tích hợp mơ phỏng
đa vật lý vào quy trình thiết kế của bạn. Các tính năng bao gồm sửa chữa và đánh giá hình học, hỗ trợ cập nhật tự động cho thiết kế CAD, tối ưu hóa
các thông số thiết kế và quét tham số tự động trong COMSOL Multiphysics. - LiveLink cho Simulink (LiveLink for Simulink): LiveLink cho sản phẩm
Simulink, rất hữu ích để thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Simulink và mơ hình hóa theo thứ tự giảm. Nó cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế và mô phỏng điều khiển bằng phần mềm MATLAB.
- LiveLink cho MATLAB (LiveLink for MATLAB): Mô–đun này cho phép bạn sử dụng toàn bộ sức mạnh của MATLAB và các hộp cơng cụ của nó trong tiền xử lý, thao tác mơ hình và hậu xử lý.
- Thư viện vật liệu (Material Library): Trình duyệt vật liệu cho phép quản lý
tất cả vật liệu trong mơ hình của bạn ở một nơi và có thể được bổ sung bởi thư viện vật liệu. Thư viện chứa dữ liệu cho 3870 vật liệu – bao gồm các nguyên tố, khoáng chất, hợp kim kim loại, chất cách nhiệt, chất bán dẫn và vật liệu áp điện.
- Mô–đun MEMS (MEMS Module): Mô–đun MEMS cung cấp giao diện vật lý chuyên dụng cho cơ điện, đối với bộ cộng hưởng MEMS, được sử dụng
để tính tốn sự biến đổi của tần số cộng hưởng với độ lệch DC được áp
dụng tần số giảm theo điện thế áp dụng, do sự mềm đi của hệ thống cơ điện
được ghép nối.
- Mô–đun xử lý kim loại (Metal Processing Module): Mô–đun xử lý kim loại
mang đến hai giao diện vật lý mới, chuyển đổi pha kim loại và phân hủy, để phân tích sự biến đổi pha trong luyện kim. Cả hai giao diện này đều cung
cấp chức năng để mơ hình hóa các chuyển đổi pha khuếch tán cũng như lệch pha.
- Mô–đun kênh vi lỏng (Microfluidics Module): Mô–đun kênh vi lỏng cho phép thiết lập các mô phỏng điện động học và điện động lực học kết hợp bao gồm điện di, điện từ, điện di, điện âm và điện phun. Mô–đun kênh vi
46 lỏng cung cấp các phương pháp chuyên dụng để mô phỏng dòng chảy 2 pha với bộ mức, trường pha và phương pháp lưới chuyển động. Đối với mỗi
điều này, các khả năng của Mô–đun Microfluidics bao gồm lực căng bề
mặt, lực mao dẫn và hiệu ứng Marangoni.
- Mô–đun trộn lẫn (Mixer Module): Mô–đun trộn lẫn cung cấp chức năng chuyên biệt để tạo mơ hình bề mặt chất lỏng tự do trong trộn lẫn. Chức năng này cho phép bạn bao gồm các tác động của lực căng bề mặt và góc tiếp xúc giữa bề mặt tự do và các bức tường.
- Mơ–đun dịng chảy phân tử (Molecular Flow Module): Mơ–đun dòng chảy phân tử được thiết kế để cung cấp các khả năng mơ phỏng trước đây khơng có sẵn để mơ hình hóa chính xác các dịng khí áp suất thấp ở dạng hình học phức tạp. Người ta có thể lập mơ hình các dịng phân tử đẳng nhiệt và khơng
đẳng nhiệt và tính tốn sự đóng góp thơng lượng nhiệt từ các phân tử khí.
- Mô–đun động lực học đa vật thể (Multibody Dynamics Module): Mô–đun
động lực học đa vật thể là một tiện ích bổ sung cho phần mềm COMSOL
Multiphysics cung cấp một bộ công cụ nâng cao để thiết kế và tối ưu hóa hệ thống cơ học kết cấu đa vật thể bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA).
- Mô–đun tối ưu hóa (Optimization Module): Mơ–đun này nhằm cải thiện thiết kế của bạn bằng cách thay đổi các biến thiết kế, đồng thời đáp ứng các ràng buộc của bạn. Mơ–đun tối ưu hóa là một giao diện chung để xác định các hàm mục tiêu, chỉ định các biến thiết kế và thiết lập các ràng buộc này. - Mô–đun theo dõi hạt (Particle Tracing Module): Mô–đun theo dõi hạt mở rộng chức năng của môi trường COMSOL để tính tốn quỹ đạo của các hạt
trong trường chất lỏng hoặc điện từ, bao gồm các tương tác hạt–hạt, chất
lỏng–hạt và trường hạt. Người ta có thể kết hợp liền mạch bất kỳ mô–đun
ứng dụng cụ thể nào với Mơ–đun theo dõi hạt để tính tốn các trường thúc đẩy chuyển động của hạt. Các hạt có thể có khối lượng hoặc nhỏ hơn khối lượng. Chuyển động được điều chỉnh bởi các công thức Newton,
Lagrangian hoặc Hamilton từ cơ học cổ điển.
- Mơ–đun dịng chảy của ống (Pipe Flow Module): Mơ phỏng dòng chảy của
ống cung cấp sự phân bố vận tốc, áp suất, nồng độ vật chất và nhiệt độ dọc theo đường ống và kênh, đồng thời nó cũng có thể mơ phỏng sự truyền sóng
âm và hiệu ứng búa nước.
- Mô–đun Plasma (Plasma Module): Mô–đun Plasma mang đến các công cụ dễ sử dụng để nghiên cứu các plasmas nhiệt độ thấp. Mô–đun được thiết kế cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà thực nghiệm trong lĩnh vực khoa học
plasma để lập mơ hình phóng điện khơng cân bằng xảy ra trong nhiều lĩnh
vực kỹ thuật.
- Mơ–đun dịng chảy polyme (Polymer Flow Module): Mơ–đun dịng chảy polyme là một phần bổ sung cho COMSOL Multiphysics được sử dụng để
xác định và giải quyết các vấn đề liên quan đến chất lỏng không phải
Newton với các đặc tính nhớt, dẻo, dày cắt hoặc làm mỏng cắt.
47 phép các kỹ sư trong nhiều ngành khác nhau, chẳng hạn như khai thác mỏ, y sinh và ngành công nghiệp thực phẩm, phân tích và tối ưu hóa các quy trình của họ trong một môi trường thân thiện với người dùng. Các ứng dụng
như vận chuyển nhiều pha trong môi trường xốp có thể được giải quyết
trong một cách tiếp cận đa vật lý đầy đủ.
- Mô–đun tia quang học (Ray Optics Module): Mơ–đun tia quang học là một tiện ích bổ sung cho phần mềm COMSOL Multiphysics cho phép lập mô hình truyền sóng điện từ với phương pháp theo dõi tia. Các sóng lan truyền
được coi là các tia có thể bị phản xạ, khúc xạ hoặc hấp thụ tại các ranh giới
trong hình học của mơ hình.
- Mô–đun RF (RF Module): Mô–đun này cho phép bạn phân tích các thiết kế RF trong các tình huống đa vật lý bao gồm lị vi sóng và làm nóng RF trong cùng một mơi trường phần mềm. Mặc dù mơ hình EM truyền thống cho phép bạn kiểm tra vật lý RF một mình.
- Mô–đun bán dẫn (Semiconductor Module): Mô–đun này cung cấp các cơng cụ chun dụng để phân tích hoạt động của thiết bị bán dẫn ở cấp độ vật lý
cơ bản. Mơ–đun dựa trên các phương trình khuếch tán trơi, sử dụng các mơ
hình vận chuyển đẳng nhiệt hoặc không đẳng nhiệt. Mô–đun này giúp bạn mô phỏng một loạt các thiết bị thực tế như bóng bán dẫn lưỡng cực, bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại–bán dẫn, bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại–oxit–bán dẫn, bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện, điốt
Schottky, và các điểm nối.
- Mô–đun Cơ học kết cấu (Structural Mechanics Module): Mô–đun này mang
đến cho bạn các công cụ và chức năng mô hình hóa được thiết kế riêng để
phân tích ứng xử cơ học của kết cấu rắn (ví dụ mức ứng suất và biến dạng; biến dạng, độ cứng, v.v.). Kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật dân dụng, địa cơ, cơ sinh học và các thiết bị MEMS là lĩnh vực ứng dụng phổ biến của mô–đun này.
- Mơ–đun dịng chảy ngầm (Subsurface Flow Module): Mơ–đun dịng chảy ngầm dành cho các kỹ sư và nhà khoa học muốn mơ phỏng dịng chất lỏng
bên dưới mặt đất hoặc trong môi trường xốp khác và cũng kết nối dòng chảy
này với các hiện tượng khác, chẳng hạn như tính đàn hồi, truyền nhiệt, hóa học và điện từ trường.
- Mơ–đun sóng quang học (Wave Optics Module): Mô–đun song quang học bao gồm một phương pháp bao chùm tia chuyên biệt có thể được sử dụng
để mô phỏng các thiết bị quang học lớn với tài ngun tính tốn ít hơn nhiều
so với các phương pháp truyền thống. Có các tính năng có sẵn để mơ hình hóa hệ thống quang học, chẳng hạn như phân cực miền, rất hữu ích cho việc truyền sóng phi tuyến. Thư viện vật liệu bao gồm các quan hệ phân tán đối với chiết suất của hơn 1400 vật liệu, bao gồm một số lượng lớn kính dùng cho thấu kính, vật liệu bán dẫn và trong các lĩnh vực khác.
Về giao diện sử dụng, COMSOL có giao diện thân thiện với người dùng:
48 truy cập vào các chức năng như mở / lưu tệp, hoàn tác / làm lại, sao chép / dán và xóa. Bạn có thể tùy chỉnh nội dung của nó từ (Customize Quick Access Toolbar) bằng cách mũi tên hướng xuống ở bên phải của thanh công cụ.
- RIBBON: Các tab ruy–băng có các nút và danh sách thả xuống để điều
khiển Trình xây dựng ứng dụng – Nhấp vào nút này để chuyển sang Trình tạo ứng dụng và bắt đầu xây dựng ứng dụng dựa trên mơ hình của bạn. - Cây mơ hình (Model tree): Cây mơ hình cung cấp một cái nhìn tổng quan
về mơ hình và tất cả các chức năng và hoạt động cần thiết để xây dựng và giải quyết
Hình 1.46 Giao diện chính của COMSOL – nửa bên trái [104]
- Dựng mơ hình (Model builder): Cửa sổ dựng mơ hình với cây mơ hình và các nút trên thanh công cụ liên quan cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về mơ hình. Q trình mơ hình hóa có thể được kiểm sốt từ các menu. - Cửa sổ cài đặt (Settings window): Nhấp vào bất kỳ nút nào trong cây mô
hình để xem cửa sổ Cài đặt liên quan của nó được hiển thị bên cạnh trình tạo mơ hình. Cửa sổ cài đặt đây là cửa sổ chính để nhập tất cả các thông số
49 kỹ thuật của mơ hình, bao gồm kích thước hình học, đặc tính của vật liệu,