工程师正在使用仿真来帮助环境的6种方式

2020年4月22日

2020年4月标志着50Th地球日纪念日。在这里,我们收集了8个现实世界的例子,介绍了如何使用多物理模拟来帮助环境并使世界变得更加可持续的地方。这里的故事强调了模拟在电动汽车,节能烤箱,生物燃料等生产中的重要性。

1.设计电动汽车组件

近年来,您可能已经注意到电动汽车可用的充电站数量激增 - 似乎每个停车场都有它们。随着电动汽车(EV)的正常运输方式,这种趋势只会继续增长,以成为传统内燃机车辆的选择模式。消费者对自己的环境表示关注,并希望投资造成较少空气污染的车辆。

大众汽车是一家推进电动汽车开发的公司,他在德国的Kassel工厂专门研究电动汽车的设计和生产。这家汽车制造商使用ComsolMultiphysics®软件来分析转子层压板的强度,这是所有电动驱动器中至关重要的零件。该小组还在整个组织中构建和分发仿真应用程序,以:

  • 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的电动汽车

构建的模拟应用程序的屏幕截图,用于研究电动汽车驱动器转子中的应力。
转子的标准应力结果。

在这里阅读完整的故事:“”模拟应用简化电动汽车电动机的开发透明

2.保存湖水环境

在世界范围内,湖泊被认为是地球淡水供应的重要组成部分。这些水体在每个环境中都发现,无论多么热或寒冷。湖泊也是数千种野生动植物的家园,包括鱼,海龟,青蛙和鳄鱼。

每年,这些宁静的水环境变得更加受欢迎的度假胜地。这种增加的人类活动是将这些湖泊抢劫的一种方法,而这种缺氧的水通常含有较高的有毒物质。一种在湖泊和大坝中处理受污染水的环保方法是将它们注入充满氧气的微泡。

Ritsumeikan University的一位研究人员使用模拟来帮助确定最佳,最具成本效益的方法将微泡注入日本的Sounoseki大坝。在解决解决方案之前,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多物理学来确定位置,深度和速度,将微泡引入大坝。

流线图在ComsolMultiphysics®中显示了储层中的微泡,这是使用仿真来帮助环境的一个示例。
在储层中模拟微泡。图片由Shuya Yoshioka博士提供。

在这里阅读完整的故事:“”湖水环境的恢复透明

3.提高建筑物的能源效率

加热和冷却系统

世界上大部分能源消耗源于建筑物的供暖和冷却。在加热和冷却建筑物时有助于节省能源的一种方法是使用基于吸附的加热和冷却系统,这些加热和冷却系统是由热而不是电动驱动的。吸收性气候控制系统可以减少用电和相关的CO2排放。但是,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
  • 变化的峰值通量
  • 动态行为是由复合和耦合的热和传质现象决定的

Fraunhofer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多物理学对水蒸气进行建模和通过固体传热,从而改善了交换器的几何形状。

热交换器模型的速度流线图。
热交换器设计的温度分布图。

仿真结果表明,空气,管道和电线(左)和空气中的速度幅度(右)中的速度流线和温度分布(右)。版权所有©Fraunhofer ise。

在这里阅读完整的故事:“”更好的加热和冷却建筑物的方法透明

Fenestration Systems

Fenestration或建筑物信封中的任何开口都包括窗户,门和天窗的安装。Fenrestration很重要,因为它有助于改善居民的舒适度,增强建筑物的整体美学,并提供进入和退出建筑物的场所。Fenestration系统(例如框架,玻璃和阴影附件)的组件甚至可以提高建筑物的能源效率。例如,这些组件可以帮助控制阳光和热量增益,这可以帮助减少建筑物中对加热,冷却和人造光的需求。

EURAC研究的科学家使用传热和流体流量模拟来帮助设计优化的Fenestration Systems。研究人员发现,Comsol多物理学是通过复杂的Fenestration系统分析热流的准确而有益的工具。他们在Fenrestration Systems上的工作可以帮助提高建筑物的能源效率,并增强居住者的视觉和热舒适度。

四个并排图显示了标准和复杂的Fenestration系统设计的CFD结果。
CFD结果表明,对流如何影响标准的Fenestration系统(左)和复杂的Fenestration System(右)中的窗口温度。

在这里阅读完整的故事:“”能源效率的复杂的塞胁式系统透明

4.保护核废料存储设施

核废料会对地球生命造成不利影响。高水平的核废料暴露特别危险,因为它可能导致出生缺陷,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的原因。核废料存储设施通常将这种危险物质封闭在混凝土中的紧密钢鼓中。但是,这些钢鼓不能免疫腐蚀,这就是为什么完全防止这些设施的腐蚀至关重要的原因。

Sogin S.P.A.是一家负责核退役和放射性废物管理的意大利国家公司,使用仿真来帮助设计节能的除湿系统。这些系统用于防止低级放射性废物的鼓中的腐蚀。使用comsol多物理和传热模块,该公司能够为两个除湿机设计开发一个布局:

  • 减少停滞的空气口袋
  • 使单元能够最高效率运行
  • 帮助降低鼓腐蚀的风险

结果图显示了核废料存储区域的气流速度。
模拟结果显示了存储区域中的气流速度。

在这里阅读完整的故事:“”在核废存储设施中与腐蚀作斗争透明

5.减少食品行业的能耗

食品运输车辆

在全球范围内,食品行业是耗尽能源的五大产业之一,负责37%的温室气体排放。食品运输车,例如冷藏卡车拖车,是食品工业不断增长的能源消耗的更大因素之一。冷藏车通常具有低能效率,并且取决于传统的柴油发动机驱动的制冷单元。帮助最大程度地减少食品运输环境足迹的一种方法是设计以清洁能源技术运行的冷藏系统。

Sunwell Technologies Inc.是高级食品保存和冷却技术的全球领先提供商,开发了在DeepChill™Thermo电池上运行的制冷系统。与保持冰箱系统冷藏的传统方式相比,DeepChill™Thermo电池是一种可充电,更环保的方法。为了帮助优化其热电池设计,Sunwell Technologies Inc.与马萨诸塞大学达特茅斯大学的计算多相流组合作。

计算多相流组使用多物理模拟来支持Sunwell涉及其热电池技术的实验努力。该小组使用COMSOL多物理学对冷藏系统中的传热和流体动力学进行了模拟。在模拟中使用的模型允许小组调查:

  • 特定的设计标准
  • 特定域的平均温度和最高温度
  • 绝缘性能和自然对流

制冷单元的自然对流和温度分布的仿真结果。
通过使用DeepChill™Thermo电池,冷藏单元冷却过程中的自然对流和温度分布。

在这里阅读完整的故事:“”制冷系统的集群模拟透明

可持续烤箱

烘烤饼干,包含几个架子并消耗大量能量的必不可少的东西?如果您猜到了常规烤箱,那您是正确的。该厨房设备仅使用其输入功率的约10–12%来加热所准备的食物。幸运的是,更可持续的烤箱选项已变得可用。

全球最大的家具制造商惠而浦公司是一家致力于提高其国内烤箱资源效率的公司。Whirlpool研发的研究人员研究了烤箱的能源消耗:

  • 对流
  • 传导
  • 辐射

研究人员可以使用Comsol多物理学,可视化家用烤箱内发生的传热过程,并测试提高其烤箱设计能源效率的新策略。

节能烤箱的温度分布图。
惠而浦密涅瓦烤箱的模型显示了烤箱表面的预测温度分布。

在这里阅读完整的故事:“”模拟提高了惠而浦公司的热量和能源效率透明

6.加速生物燃料生产

化石燃料的潜在替代以可再生能源的形式出现:生物燃料。这种替代能源会产生较少的污染,同时仍具有加热建筑物,发电并为运输行业加油的能力。由植物材料(也称为生物质)生产的生物燃料是:

  • 可再生
  • 干净燃烧
  • 碳中和

但是,生物燃料的广泛使用因其复杂的生产过程而部分停止。为了加速生物燃料的生产过程,国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员转向多物理学模拟。使用模拟,研究人员能够分析热解,这是一种用于将生物量颗粒转化为液体生物燃料的热化学过程。

NREL工作的主要部分包括研究生物质颗粒的大小,形状和内部微观结构。研究人员使用comsol多物理学创建了一个模型来代表生物质粒子的内部微观结构,该模型可以深入了解生物质中的热和传质。

硬木生物量颗粒的模型几何形状和温度分布的并排图形。
模型几何形状具有围绕硬木生物量颗粒的流体结构域(左)。来自偶联传热的瞬态模拟(右)的温度分布。

在这里阅读完整的故事:“”使生物燃料成为具有成本效益的可再生能源透明

更多使用模拟帮助环境的示例

是否想了解有关仿真与环境应用程序的关系的更多信息?查看这些相关的博客文章:


评论(0)

发表评论
乐动体育app
加载...
探索comsol乐动体育赛事播报博客