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COMSOL周期性边界条件的应用

作者:Simwe    来源:中仿科技    发布时间:2012-08-01    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

在将真实的物理问题转化为仿真模型时,为了通过有限的计算资源获得尽可能高的计算精度,模型简化是必要的。模型简化的前提是所模拟的物理问题具有结构、材料属性及边界条件的对称性或均匀性,以此为基础,可通过特定的方程及边界条件建立模型,例如降维方程,镜像/周期性/旋转对称边界条件,或根据工程经验将某些计算域简化为边界等等。

当处理空间或时间上具有周期性的物理问题时,采用周期性边界条件(Periodic/Cyclic Condition),可将复杂结构的模拟简化为周期单元,在不失精确度的前提下,大大降低计算量。

COMSOL提供的周期性边界条件包括四种类型:

 1.连续性周期边界(Continuity),指在源和目标边界上的场值相等;
 2.反对称周期边界(Antiperiodicity),源和目标边界上场值符号相反;
 3.弗洛奎特周期性边界(Floquet periodicity),源和目标边界上场值相差一个位相因子,位相因子由波矢和边界相对距离确定。Continuity和Antiperiodicity边界可以认为是Floquet periodicity边界在位相分别为0和π情况下的两个特例。
 4.循环对称性边界(Cyclic Symmetry),源和目标边界上场值相差一个位相因子,位相因子由计算域所对应的扇形角和角向模式数决定。

以下是几个典型应用:

1. 微纳光学领域内的光子晶体(Photonic Crystal)、表面等离子体激元(Surface Plasmon)阵列结构及超材料(Metamaterial),这几种结构均由空间上周期性重复的散射体构成,当计算透射率及能带结构时,常常可采用Floquet perioidcity边界将结构简化。

超材料能带分析
Metamaterial.mph

2. 作为压电传感器件的声表面波器件(Surface Acoustic Wave, SAW)的本征频率问题计算。

压电声表面波器件的共振频率下的位移场(左)和电势(右)分布才
Acoustics Module/Industrial Models/Saw_gas_sensor

3. 飞机、轮船、风力发电机中的涡轮机,或是旋转电机结构往往具有旋转对称性,在进行电磁场或振动模态分析时,可采用Cyclic Symmerty类型周期性边界简化。

叶轮的振动模态
Structural Mechanics Module/Tutorial Models/impeller

值得注意的是,周期性条件的引入会导致模型的非线性增强,这常常会导致计算的收敛性问题。为了提高计算收敛性,在网格剖分时,需要注意使互为周期性的两个边界上网格完全一致。在COMSOL中可先剖分周期性边界对中的一个边界,然后复制网格(Copy mesh)来实现两个边界上网格的一致性,详见参考模型。

http://i.cntech.com.cn/forum/post/show.html?tid=13539

   
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