文档介绍：多物理场耦合技术的研究进展与发展趋势
1
内容提要
一、数值模拟技术及其应用
二、多物理场耦合模拟技术研究进展
三、多物理场耦合模拟技术面临的挑战
四、多物理场耦合模拟技术发展趋势
五、结语
2
一、数值模拟技术及其应用
数值计算在社会发展、经济建设和科学探索方面取得巨大成功在于其强大的预测能力和对复杂物理系统的模拟;
数学模型及其离散、计算机算法及实现是数值模拟技术的核心;
计算分析软件交易市场兴旺,本身市值数十亿美元,附加值数万亿美元;除产品开发外还用于医疗、国防、及试验研究;
数值计算在认识自然现象和预测物理事件方面同样有重要应用;如大气变化、海流、河水表面流、地下石油储备、冰山和大陆板块运动等。
3
可在毫秒量级详细研究车辆结构和乘客的安全性,优化设计,减少事故。
例:汽车碰撞数值模拟
4
例:数值风洞模拟
5
例:切除动脉瘤手术数值模拟
用流体力学和流固耦合理论模拟手术过程血液流动,选择最佳手术方案。
6
例:地下石油流动、油气、水流过复杂多孔介质数值模拟
工程师解决无法搭建实验条件的情况下,数值模拟技术的优势得以充分体现出来。
7
二、多物理场耦合模拟技术研究进展
早期的数值模拟主要关注于某个专业领域,比如应力或疲劳,这与当时计算机的计算能力相对应,许多较复杂问题的数值模拟不可能完成;
物理现象都不是单独存在的,常见的耦合问题有流-固耦合、电-热耦合、热-结构耦合、热-电-结构耦合、声-结构耦合、流体-反应耦合、流体-热耦合等;
计算机的发展为我们提供了更灵巧、更简洁而又更快速的算法,强劲的硬件配置,使得对多物理场的数值模拟成为可能;
8
二、多物理场耦合模拟技术研究进展
各种物理场现象都可以用(偏)微分方程来描述,如热、电、力,多物理场的本质是(偏)微分方程组;
数值模拟的本质是将(偏)微分方程组离散成代数方程组,常见的方法有限差分方法(FDM)、有限元方法(FEM)、有限体积法(FVM);
在实用性、适用性以及扩展性方面,FEM方法具有更大的优势,有限元的未来是多物理场耦合分析;
9
压电扩音器(Piezoacoustic transducer)可以将电流转换为声学压力场,或者反过来,将声场转换为电流场。这种装置一般用在空气或者液体中的声源装置上。仿真研究了在施加一个幅值200V,震荡频率为300 KHz的电流后,晶体产生的声波传播。
例:压电扩音器模拟
10