COMSOL Multiphysics 在化学工程领域的应用案例集.pdf

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1、中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-1-案例 案例 1、电化学专题 1、电化学专题 电化学是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学，包含电泳，电渗、电化学反应等。COMSOL Multiphysics 提供专业的应用模式来分析带电料子在溶液中的迁移、对流和扩散，电化学反应等，广泛应用于 HPLC、电解工业、电化学工业等。剃须刀刀罩的电化学加工（Philips 公司）高档电动剃须刀的刀罩要求很精密，常采用电化学方法加工。其中包含可控电化学分解的阳极（刀罩）、预成型的阴极（模具）和电

2、解液。电解液中不仅含有金属离子，还含有副产物气体，后者会增加表面电解质的库仑力，必须通过调整电势来即时地进行补偿；由于反应热和电阻热，电解液的温度应该得到控制；由温升引起的热应力会影响刀罩的强度；求解域会随着电解过程而发生变化。种种现象表明这是个非常复杂的多物理场问题。利用 COMSOL Multiphysics 的电磁、化工、结构力学模块中各种应用模式的直接耦合，可以得到很好的描述。电渗泵中的流场分布(COMSOL 模型库)当一种极性流体（例如水）和一种固体（例如玻璃）接触时，固体表面将产生电荷，并影响流体中的电荷分布，形成一种双电层。靠近流道壁的电荷被强拉至表面，如果加入电场则可以改变流体

3、内部的电荷分布，驱动流体流动。这个电渗流泵就是利用了这种现象（A.Brask 等人和Y.Takamura 等人），利用COMSOL Multiphysics提供的电渗流模型，完美地分析了其中的Stokes流和传导介质之间的耦合关系。模型库MEMS 模块Microfluidics Modelselectroosmotic micropump 2d 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-2-燃料电池专题 燃料电池专题 燃料电池具有清洁、高效等优点，已广泛应用于便携式电子产品，汽车等运输交通工具，住宅供电

4、，以及社会各方面的供电系统。COMSOL Multiphysics 是燃料电池数值模拟研究领域中最为成熟的商业软件之一，已成为国内外许多研究单位必备研究工具。质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的浓度分布和流场（COMSOL 模型库）未来汽车使用的干净高效的主要能源之一是 PEMFC 燃料电池，燃料通过电化学反应而不是燃烧来转化成电能，从而驱动电动机相当高效地运转。下图描述了其工作原理：氢的氧化反应和氧的还原反应分别发生在阳极和阴极，电子在阳极释放到外部电路，最终回到阴极。在PEMFC中，涉及电流平衡，质量传递方程（描述反应物、水和氮气扩散的Maxwell-Stefan扩散方程）和动量传递（气体

5、流动）等多种复杂的物理现象。在COMSOL Multiphysics中，通过耦合多物理场仿真，分析了图示这种燃料电池的能效、各种物质深度的分布、影响失效的因素，以及如何优化或调整设计方案。模型库化工模块Electrochemical Engineeringpemfc 固体碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆中燃料 H2的分布（德国马格德堡和马普所）燃料电池通常会以串联方式形成电堆，提高功效，安全性是其中的最关键因素之一。本例中，每八个 MCFC 分配一个间接式重整器，与其他电池形成多达 342 个电池的电堆，燃料气体经过重整后进入到电池的阴极发电。其中气体的流动受到管道、反应热、电阻热等的影响，还必

6、须考虑电化学反应中的电荷守恒等。在 COMSOL Multiphysics 中，以这八个电池为周期性单元，模拟了整个电堆中的温度、浓度、电荷等的分布，为电堆的设计提供指导意义。M.Pfafferodt,P.Heidebrecht,and K.Sundmacher，Symmetric Stack Model of a Molten Carbonate Fuel Cell(MCFC)with Indirect Reforming，COMSOL 2008 年会 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-3-流

7、体计算 流体计算 COMSOL Multiphysics 通过有限元方法求解 CFD 问题，提供更精确的结果，更容易实现与其他物理场之间的耦合分析，如物质的对流和扩散、温度、电磁、化学反应等等。自定义的求解 PDE 的功能，可以快速求解各种非牛顿流体本构模型。利用参数化求解方法模拟高雷诺数的流场 COMSOL Multiphysics 预置了很多流体力学应用模式，如层流、湍流、非牛顿流、两相流（水平集和相场）、泡状流、混合物模型等，此外，通过与自定义 PDE 耦合，可以实现各种自建本构模型的流体的模拟。本例采用参数化求解器，逐渐提高入口流速，最终得到高速流动情况下流场的分布。油滴在水中的上浮过

8、程模拟（COMSOL 模型库）在油滴上浮过程中，两相的分界面的拓扑结构随时间发生变化，采用水平集方法或相场方法可以很好地跟踪这种界面的运动。上图中，从右到左生动地显示了油滴从下方上升到上方的油层，并在油水界面处形成波纹及融合过程。模型库化工模块Multiphase Flowfreeze drying 冷冻干燥过程模拟（COMSOL 模型库）冷冻干燥，或冷冻脱水是在真空中通过冷冻物质，然后使冰或其他冷冻的溶剂升华来干燥热敏物质的一个过程，常用于食物、血浆和抗生素等。本例在 COMSOL Multiphysics中通过移动网格（ALE）模拟结冰区域的变化，质量和能量传递方程来描述其中的相变、温度及

9、物质浓度的分布等。模型库化工模块Multiphase Flowfreeze drying 毛细现象模拟（COMSOL 模型库）表面张力和壁面粘附力经常被用来传递MEMS器件中的微流道内的流体。本例中，在水面附近放置一根毛细管，由于表面张力作用，驱使水上升到毛细管中，直到满足重力平衡关系。在 COMSOL Multiphysics 中通过水平集方法或相场方法，计算了流速、压力及水面的形状和位置等。模型库MEMS 模块Microfluidics Flowcapillary filling 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:

10、www.CnT 邮箱:-4-泵和阀设计 泵和阀设计 COMSOL Multiphysics 提供多种专家方案解决泵和阀的转动部件的仿真，包括移动网格技术（Moving Mesh）以及函数控制求解域的材料物理属性等。泵内叶片旋转过程中流体流线分布（意大利卡塔尼亚大学）利用 COMSOL Multiphysics 模拟了无焰燃烧炉中的燃烧，其中燃料气体和空气、废气等的混合效果是运行的关键。通过模拟，有助于开发者设计和优化燃烧炉的结构和工艺条件。利用参数化几何法模拟流体阀中阀片的上下运动（COMSOL 模型库）一般情况下，对运动物体的仿真大多采用移动网格来处理，但对于类似本例这种包含周期性开合的流体

11、阀装置，采用移动网格来计算存在计算量大等弊端。COMSOL Multiphysics 提供一种参数化几何方法，通过定义很大的粘度来描述阀片，给定这种粘度材料属性随时间的变化，就可以生动地描述出阀片地周期性上下运动。模型库基本模块Fluid Dynamicsfluid valve 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-5-混合器设计 混合器设计 混合器用来将不同性质的流体通过混合过程，混合成一种分散均匀的流体，其作用包括混合、促进乳化和溶解，强化热交换过程，以及强化传质和反应等。利用 COMSOL M

12、ultiphysics 进行设计混合器，达到最佳的混合效果，减少混合时间等均是制约化学工艺生产过程的关键问题。湍流反应器内的速度场切片图和流线图（COMSOL 模型库）折流板反应器常见于工业生产中，多用来产生强制湍流，提高混合效率。这类反应器必须得到优化，避免过多的折流造成不必要的压力降和湍流。通过数值仿真，分析了反应器中的停留时间，测量示踪元素在反应器中出现的时间，从而为设计者提供充足的信息。在 COMSOL Multiphysics 中，同时耦合计算 k-湍流模型（流体）、物质的对流和扩散模型（质量传递），并引入一个示踪剂浓度脉冲来分析它通过反应器的行程。模型库化工模块Mixers and

13、 Stirred Vessselsturbulent residence time 水槽中旋转盘带动流体流动（COMSOL 案例库）在 COMSOL Multiphysics 中通过装配、移动网格以及湍流模型，模拟了搅拌器内部的流体在搅拌桨旋转作用下的流动。中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-6-反应器设计 反应器设计 COMSOL Multiphysics 提供优化工具箱，非常方便地把反应动力学过程耦合到传递过程的模拟中，实现反应器的设计和优化。反应器中催化介质的最优化布置（COMSOL 模型库

14、）一般反应器中的催化介质为多孔材料，会减缓流体反应介质的流速，降低产率。反过来，流体在没有催化介质存在时流速高，但是反应率低。如何平衡这两者之间的关系，成为设计反应器中催化介质堆放模式的关键。本例通过优化算法，找到了在指定的压力降情况下，最佳的催化剂分布方案，得到了最大的反应率。模型库化工模块Transport and Reactionsmicroreactor optimization 聚合反应中单体浓度分布（COMSOL 模型库）在聚合物的工业合成过程中，流体动力学和快速化学反应之间的复杂相互作用对反应器的性能有极大的影响，显著地影响转化和产量。混合和反应效果影响到聚合物链的平均长度，分子

15、量的分布，交联，分键，所有这些特性直接影响到最终材料的参数性能。本例考虑多喷嘴反应器中的缩聚反应，在反应工程实验室中建立反应体系，然后导出到COMSOL Multiphysics中，与具体的流体动力学和反应器几何结构一起考虑。通过模拟讨论了混合的效果，反应器的流场以及它们对反应器性能的影响。模型库化工模块Transport and Reactionspolymerization multijet 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-7-蛇形管中的表面脱卤反应（COMSOL 模型库）脱卤是一种重要的

16、化学反应，典型的碳-卤之间的活化是在贵金属催化剂上进行的。本例中，反应物溶液在反应器中流动，在催化剂表面进行脱卤反应，这是一个典型的多维度、多物理场耦合。首先在 COMSOL 反应工程实验室建立反应体系，然后导出到 COMSOL Multiphysics，进行 3D 流动与 2D 表面反应耦合计算，分析物质浓度分布、反应率等。模型库反应工程实验室Microfluidicstortuous reactor 船式反应器的设计，通过 2D 轴对称模拟获得 3D 的显示效果（COMSOL 模型库）对称性很好的几何结构，常采用简化方法，例如，将柱状或球状结构简化为 2D 轴对称，这样可以极大地节省计算资

17、源和时间。在 COMSOL Multiphyiscs 中，可以利用拉伸耦合变量，直接将 2D 轴对称的计算结果经过坐标变换得到 3D 实体上的结果显示。模型库化工模块Transport and Reactionboot reactor 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-8-燃烧专题 燃烧专题 COMSOL Multiphysics 直接将燃烧物和氧化物的流动、扩散和对流，以及彼此之间的燃烧反应耦合计算，从燃烧的本质中进行数值模拟仿真，充分了解燃烧的全部特征。循环式甲烷燃烧器中的温度、燃料浓度等的

18、分布（C.Devals，加拿大阿尔伯塔大学）本例采用 COMSOL Multiphysics 模拟了催化流动反转反应器中的精益甲烷燃烧，通过对固相的质量和能量守恒方程，以及气相的流动方程的耦合计算，描述了燃烧过程中热、质量传递机理，分析影响反应器中的甲烷转化率、最大温度等的关键因素，例如甲烷入口浓度、气体速度以及开关时间等。C.Deval,A.Fuxman,et.al.,Combustion of lean methane in a catalytic flow reversal reactor,COMSOL 2006 年 二次燃烧炉中水分的浓度分布图（C.Giuliano 等，意大利卡塔尼亚

19、大学）本例中，通过 COMSOL Multiphysics 将 k-湍流模型、传热模型与化学反应等耦合，模拟了在循环发电设备中的热回收蒸汽发生器中的燃烧过程。其中，反应热作为热源影响到炉中的温度分布，这种温度分布反过来又影响到燃烧效率、燃料和废气的流动等。通过数值计算，可分析温度场、流场、各种物质（CO、H2、O2、CO2和 H2O）分布等等，确定合适的工艺条件，设计燃烧室阵列等。C.Giuliano,C.Salvatore,et.al.,Reacting flows in post-combustion burners of a heat recovery steam generator,5

20、th European thermal-sciences conference,2008 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址:www.CnT 邮箱:-9-多相流专题 多相流专题 相分离过程（COMSOL 模型库）当一个二元体系从稳定均匀单相状态冷却到相图中的两相区域时，就会出现相分离。在 COMSOL Multiphysics 中，首先通过引入一个随机数列表，定义整个域内的浓度涨落，然后利用相场应用模式计算相分离过程。通过内置的动画合成功能，可以清晰地看到相分离的整个过程。模型库化工模块Multiphase Flowphase separation 加热水杯中气泡上升过程模拟（模型库）沸腾流动是第一类相变，可以通过提高超出其饱和温度的温度来产生。例如，通过施加一个外部热通量到与液体接触的固体表面上，或者降低周围环境的压力。其中加热表面诱导的沸腾存在三种状态：泡核沸腾、过渡态沸腾、膜状沸腾。本例在COMSOL Multiphysics中利用相场两相流模型，模拟了在容器底部两个加热腔中的水蒸汽在持续加热状态下，导致稳定的薄膜沸腾的过程。通过自带的动画合成功能，可以看到两个加热腔产生的汽泡在水中的变形和融合过程。模型库化工模块Multiphase Flowboiling water