COMSOL Multiphysics加速下一代发动机过滤系统开发
作者：Simwe 来源：中仿科技 发布时间：2012-11-30 【收藏】 【打印】 复制连接 【大 中 小】 我来说两句：(0) 逛逛论坛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
