工程师利用模拟帮助环境的6种方法

2020年4月22日

2020年4月是50岁th地球日的周年纪念。在这里,我们收集了8个真实世界的例子,说明多物理模拟是如何帮助环境和使世界成为一个更可持续的地方。这里的故事突出了模拟在生产电动汽车、节能烤箱、生物燃料等方面的重要性。

1.电动汽车零部件设计

最近几年,你可能已经注意到可供电动汽车使用的充电站数量激增——似乎每个停车场都有充电站。这一趋势只会继续增长,因为电动汽车(ev)正逐步成为替代传统内燃机汽车的交通方式选择。消费者对他们的环境表示关注,希望投资于空气污染更少的汽车。

推动电动汽车发展的一家公司是大众汽车,它在德国卡塞尔的工厂专门设计和生产电动汽车。这家汽车制造商使用COMSOL Multiphysics®软件来分析转子层合板的强度,这是所有电动驱动的关键部件。该集团还在整个组织内构建和分发模拟应用程序:

  • 自动化转子的测试过程
  • 提高产品质量
  • 帮助更快地开发市售电动车辆

为研究电动汽车驱动转子的应力而建立的仿真应用程序的截图。
转子的标准化应力结果。

阅读这里的完整故事:“仿真应用简化了电动汽车电机的开发

2.保护湖水环境

在世界各地,湖泊被认为是地球淡水供应的重要组成部分。这些水体存在于任何环境中,无论热或冷。湖泊也是数千种野生动物的家园,包括鱼、乌龟、青蛙和短吻鳄。

每年,这些宁静的水上环境都成为越来越受欢迎的度假目的地。这种增加的人类活动是这些湖泊缺氧的一种方式,而这种缺氧的水通常含有高浓度的有毒物质。一种处理湖泊和水坝污染水的环保方法是注入充满氧气的微气泡。

立命馆大学(Ritsumeikan University)的一位研究人员利用模拟来帮助确定向日本的弦关大坝(Sounoseki Dam)注入微气泡的最佳和最具成本效益的方法。在找到解决方案之前,他们需要预测影响大坝的不同环境现象的行为,包括:

  • 水流
  • 温度
  • 化学反应
  • 扩散

研究人员使用COMSOL Multiphysics来确定微气泡进入大坝的位置、深度和速度。

在COMSOL Multiphysics®中,流线图显示了储层中的微气泡,这是使用模拟来帮助环境的一个例子。
模拟水库中的微气泡。图片由Yoshioka Shuya博士提供。

阅读这里的完整故事:“湖泊水环境恢复

3.提高建筑物的能源效率

加热和冷却系统

世界上很大一部分能源消耗来自于建筑物的供暖和制冷。在给建筑供暖和制冷时,一种帮助节约能源的方法是使用基于吸附的供暖和制冷系统,这是由热量而不是电力驱动的。吸收式气候控制系统可以减少电力使用量和相关的CO2排放。然而,这些系统的开发是具有挑战性的,因为它们具有:

  • 不连续的操作周期
  • 变化的峰值能量通量
  • 动力学行为是由复杂的、耦合的传热传质现象决定的

弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(ISE)的研究人员使用数值模拟和实验来分析和设计这些吸附系统的优化热交换器。研究人员使用COMSOL Multiphysics模拟水蒸气和固体传热,从而改进了换热器的几何形状。

换热器模型的速度流线图。
热交换器设计的温度分布图。

仿真结果显示了空气,管道和电线(左)和空气中的速度分布的速度流和温度分布(右)。版权所有©fraunhofer ise。

阅读这里的完整故事:“更好的热和凉爽的建筑方法

开窗法系统

FeneStration或建筑信封中的任何开口,包括窗户,门和天窗的安装。FeneStration很重要,因为它有助于提高居住者的舒适度,增强建筑物的整体美学,并提供进入和退出建筑物的地方。更eneStration系统的组件,例如框架,玻璃和遮光附件,甚至可以提高建筑物的能效。例如,这些组件可以帮助控制阳光和热量增益,这有助于降低建筑物中加热,冷却和人造光的需求。

欧洲研究中心的科学家利用传热和流体流动模拟来帮助设计优化的开窗系统。研究人员发现,COMSOL Multiphysics是一个准确和有益的工具,用于分析通过复杂的开窗系统的热流。他们在开窗系统上的工作可以帮助提高建筑的能源效率,并提高居住者的视觉和热舒适度。

四个并排图,显示标准和复杂的更新系统设计的CFD结果。
CFD结果显示了对流如何影响标准开窗系统(左)和复杂开窗系统(右)的窗户温度。

阅读这里的完整故事:“高效节能的复合开窗系统

4.保护核废料储存设施

核废料可能导致地球上生命的不利影响。高水平的核废物暴露是特别危险的,因为它可以导致出生缺陷,癌症,甚至死亡。放射性废物的负面影响可以持续数千年,这就是为什么必须安全地存储废物。核废料储存设施常常将这种有害物质保持在混凝土中的紧密钢桶中。然而,这些钢桶不能免疫腐蚀,这就是为什么必须完全防止这些设施的腐蚀。

Sogin s.p.a.是意大利一家负责核退役和放射性废物管理的国有公司,它使用模拟技术来帮助设计节能除湿系统。这些系统用于防止低放射性废物桶的腐蚀。使用COMSOL Multiphysics和热传递模块,该公司能够开发两个除湿器的设计布局:

  • 减少滞留气穴
  • 使单位以最大效率运行
  • 帮助降低鼓腐蚀的风险

显示核废料储存区气流速度的结果图。
模拟结果显示了储存区域的气流速度。

阅读这里的完整故事:“与核废料储存设施的腐蚀作斗争

5.减少食品行业的能源消耗

食品运输车辆

在全球范围内,食品部门是五大能源消耗行业之一,并负责37%的温室气体排放.食品运输车辆,如冷藏卡车拖车,是食品工业不断增长的能源消耗的一个较大因素。冷藏车通常能源效率低,依赖于传统柴油发动机驱动的制冷装置。将食品运输对环境造成的影响降至最低的方法之一是设计使用清洁能源技术的冷藏系统。

Sunwell Technologies Inc.是全球领先的先进食品保鲜和冷却技术供应商,开发了运行在Deepchill™热电池上的制冷系统。Deepchill™热电池是一种可充电的,比传统的保持冰箱系统冷却的方法更环保的方法。为了帮助优化他们的热电池设计,Sunwell技术公司与麻省大学达特茅斯分校的计算多相流小组合作。

计算多相流小组使用多物理模拟来支持Sunwell的实验工作,包括他们的热电池技术。该小组使用COMSOL Multiphysics对制冷系统的传热和流体动力学进行了模拟。在他们的模拟中使用的模型允许小组进行以下研究:

  • 具体的设计标准
  • 特定区域的平均和最高温度
  • 绝缘性能和自然对流

冷冻装置的自然对流和温度分布的仿真结果。
通过使用Deepchill™热电池,制冷单元冷却期间的自然对流和温度分布。

阅读这里的完整故事:“制冷系统的集群模拟

可持续的烤箱

烘烤饼干是必不可少的,包含几个机架,可以消耗很多能量?如果您猜到了传统的烤箱,则会正确。这种厨房用具仅使用大约10-12%的输入电源来加热它的准备食物。幸运的是,更可持续的烤箱选项正在成为可用的。

全球最大的家电制造商惠而浦公司(Whirlpool Corporation)就是一家正在研究提高其家用烤箱资源效率的公司。惠而浦研发中心的研究人员通过观察以下几个方面的传热过程来研究烤箱的能耗:

  • 对流
  • 传导
  • 辐射

使用COMSOL Multiphysics,研究人员可以可视化在国内烤箱内发生的传热过程,并测试升高其烤箱设计的能源效率的新策略。

节能烤箱的温度分布图。
漩涡浴缸Minerva烤箱的模型,显示了烤箱表面的预测温度分布。

阅读这里的完整故事:“模拟提高热和能源效率在惠而浦公司

6.加速生物燃料生产

化石燃料的潜在替代品是一种可再生能源:生物燃料。这种替代能源产生的污染更少,同时仍有能力为建筑供暖、发电和运输行业提供燃料。由植物原料生产的生物燃料,也称为生物质,是:

  • 可再生
  • 清洁燃烧
  • 碳中和

然而,生物燃料的广泛使用通过其复杂的生产过程部分停止。为了加快生物燃料的生产过程,国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员转向多境地模拟。使用模拟,研究人员能够分析热解,一种用于将生物质颗粒转化为液体生物燃料的热化学过程。

NREL的主要工作包括研究生物质颗粒的大小、形状和内部微观结构。利用COMSOL Multiphysics,研究人员创建了一个模型来表示生物质颗粒的内部微观结构,这让我们了解了生物质中的传热和传质。

硬木生物质颗粒的模型几何形状和温度分布的并排图。
模型几何特征流体域周围的硬木生物量粒子(左)。从共轭传热的瞬态模拟得到的温度分布(右)。

阅读这里的完整故事:“使生物燃料成为具有成本效益,可再生能源的能源

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