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COMSOL Multiphysics® 3.4 – höhere Geschwindigkeit und Präzision bei geringerem Speicherbedarf

Eigenkontakte in der Dichtungsmanschette eines Schaltknüppels. Die Abbildung zeigt die Gesamtverschiebung. Durch die Unterstützung von Mehrkern-Prozessoren können solche Analysen mit COMSOL 3.4 innerhalb kürzester Zeit vorgenommen werden.

Mehrphasen-Strömungsanalyse für die Tröpfchenbildungin einem T-Glied. Emulgierungsvorgänge wie der hier untersuchte treten beispielsweise bei der Herstellung von Lebensmitteln, Kosmetika und pharmazeutischen Produkten auf.

Erwärmung durch die Absorption von hochfrequenter Strahlung in menschlichem Gewebe. Diese multiphysikalische Analyse zeigt in einem Querschnitt- und Grenzschichtplot die spezifische Absorptionsrate für die Strahlung eines Mobiltelefons.

Multiphysikalische Kopplung thermischer, struktureller und elektromagnetischer Phänomene in einem Mikrowellenzirkulator. Im Rahmen einer Untersuchungsreihe verglichen Prof. Darrell Pepper und seine Forschungsgruppe an der University of Nevada (Las Vegas) COMSOL Multiphysics mit verschiedenen anderen Softwarelösungen für Simulationen auf der Basis der Finite-Elemente-Analyse. Bei dem hier abgebildeten Modell erreichte COMSOL Multiphysics bei gleichem Speicherverbrauch eine dreimal höhere Berechnungsgeschwindigkeit als eine FEA-basierte Spezialsoftware für elektromagnetische Simulationen.

Mit der neuen Version 3.4 von COMSOL Multiphysics® können dank der neuen Mehrkern-Prozessoren sämtliche Lösungsprozesse nun parallel verarbeitet werdenDas beschleunigt die Löser nicht nur, sondern schafft auch deutlich größere Präzision.Mit neuen Lösungsverfahren im Bereich der Strömungsmechanik können nun deutlich umfangreichere Modelle aus den Bereichen Chemietechnologie, Wärmeübertragung und Mikrofluidik simuliert werden. Das `Chemical Engineering´-Modul enthält eine leicht bedienenbare Oberfläche für die Simulation von Blasenströmungen, die unter anderem bei der Entwicklung von Waschmaschinen, Belüftern, Bioreaktoren und Anlagen für die Lebensmittelverarbeitung benötigt werden. Das `RF´-Modul vereinfacht durch konzentrierte Ports mit Spannungsanregung die Modellierung von Mikrostrips, Übertragungsleitungen, Koaxialkabeln und anderen TEM-Wellenleitern für Anwendungen im Leiterplattendesign.

Verkürzte Berechnungszeiten auf Mehrkern-Prozessorsystemen

In puncto Berechnungsgeschwindigkeit setzt COMSOL 3.4 auf Systemen mit Mehrkern-Prozessoren neue Maßstäbe. Die einzelnen Phasen des Workflows wie Netzgenerierung, Assemblierung und Lösung laufen parallel ab. COMSOL Multiphysics verwendet alle verfügbaren Prozessorkerne des Systems; bei Bedarf kann der Anwender die Anzahl der zu verwendenden Kerne auch selbst festlegen.

Die Netzgenerierung für Baugruppen (=Assemblies) läuft vollständig parallel ab, sodass keine speziellen Einstellungen an der Konfiguration mehr nötig sind, um die Geschwindigkeitsvorteile auszuschöpfen. Ebenfalls neu in Version 3.4 ist die Netzgenerierung für Grenzschichten, mit der sich Netze für thermische Grenzschichten, geladene Doppelschichten in AC/DC-Anwendungen oder viskose Grenzschichten für Fluidströmungen leicht und effizient erzeugen lassen. Der Anwender profitiert von geringerem Speicherbedarf und erhöhter Genauigkeit.

Durch Optimierungen der iterativen Verfahren wurden die Löser für strömungsmechanische Aufgaben deutlich verbessert. Mit den iterativen Solvern können jetzt auch Strömungsprobleme mit Millionen von Freiheitsgraden zügig berechnet werden. Ein weiterer neuer Löser sorgt für einen geringeren Speicherbedarf bei komplexen Berechnungen, wie z.B. bei Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Strukturen oder bei der Berechnung der Wellenausbreitung in thermisch verformten Strukturen. Insgesamt verkürzen sich die Lösungszeiten für Simulationen in der Strömungsmechanik gegenüber der Vorversion um bis zu 80 %.

Neue Werkzeuge im Bereich der Nachbearbeitung ermöglichen zudem die Berechnung des Volumens, der Fläche, des Schwerpunkts, des Trägheitsmoments wie auch anderer geometrischer Eigenschaften.

Mehrphasenströmungen und freie Konvektion im `Chemical Engineering´ und `Heat Transfer´ Modul

Im `Chemical Engineering´- und im `Heat Transfer´ Modul können erstmalig auch Strömungen mit variabler Dichte und freier Konvektion simuliert werden. Diese neuen Features bewähren sich insbesondere bei der Simulation von Mikrofluiden, von der Konvektion unterschiedlicher Substanzen wie auch von Strömungen in porösen Medien. Ebenfalls neu sind die Benutzeroberflächen für turbulente und laminare Strömungen mit variabler Dichte und für thermische Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Feststoffen. Als besonders nützlich erweisen sich diese Oberflächen etwa bei Anwendungen mit gekoppeltem Fluid- Wärmetransport.

Das `Chemical Engineering´ Modul verfügt in der neuen Version über eine leistungsstarke Oberfläche für die Simulation von Mehrphasenströmungen. So können Blasenströmungen simuliert werden, wie sie z.B. in Wäschern, Belüftern, Bioreaktoren oder Anlagen für die Lebensmittelverarbeitung auftreten. Anhand von Mischermodellen können außerdem Emulgierungs-, Ablagerungs- und andere Trennungsprozesse aus Chemie, Pharmazeutik und Lebensmittelverarbeitung simuliert werden.

Auch das `Heat Transfer´ Modul profitiert von der konsequenten Weiterentwicklung der Löser-Technologien. Neu hinzugekommen ist hier unter anderem die Netzgenerierung für thermische Grenzschichten, mit der sich bei der Modellierung von elektrischen Kühlsystemen und Wärmetauschern wie auch bei der Simulation der Wärmeabgabe an Feststrukturen die Genauigkeit steigern und die Anzahl der benötigten Elemente verringern lässt. Die Möglichkeit, die 3D-Wärmeabstrahlung zwischen Oberflächen achsensymmetrisch in 2D zu simulieren, entlastet den Arbeitsspeicher.

Parameterschätzung im Reaction Engineering Lab

Das Reaction Engineering Lab wurde um Funktionen erweitert, mit denen in einem Durchlauf nichtlineare Parameterschätzungen für unterschiedliche Versuchsdaten vorgenommen werden können. Neu ist auch die Möglichkeit, die zu schätzenden und die konstanten Parameter jeweils getrennt auszuwählen. Bei der Ausgabe werden Vertrauensbereiche und Standardabweichungen mit angezeigt.

SPICE-Import im `AC/DC´ Modul und punktförmige Ports im `RF´ Modul

Mit der SPICE-Oberfläche des `AC/DC´ Moduls können COMSOL Modelle nun ganz einfach als Bestandteil SPICE-basierter Schaltungssimulationen erstellt und ausgeführt werden. Ein interessantes Feature ist auch die Analyse schwacher Signale bei Untersuchungen der Wechselstromimpedanz, wie sie etwa in der Elektronik, bei der Entwicklung elektrischer Komponenten, in der Geophysik oder in der Elektrochemie durchgeführt werden. Eine Oberfläche, die periodische Randbedingungen und die Sektorsymmetrie unterstützt, vereinfacht die Modellierung elektrischer Motoren und Generatoren. Die grafische Oberfläche für periodische Randbedingungen wurde auch in das `RF´-Modul integriert, wo zudem die Oberfläche für Randbedingungen an punktförmigen Ports überarbeitet wurde, so dass die Wellenausbreitung in Übertragungsleitungen und Leiterplatten nun noch leichter zu modellieren ist.

Ermüdungsanalyse im ´Structural Mechanics´ Modul

In der neuen Version des `Structural Mechanics´ Modul können hoch- und niederzyklischen Ermüdungsschäden prognostiziert werden. Anhand der eingegebenen Belastungsdaten und deterministischer, stochastischer oder auch nichtproportionaler Daten zur Materialermüdung werden unter Verwendung von COMSOL Script Ermüdungsschäden berechnet.

COMSOL 3.4: Die wichtigsten Neuerungen im Überblick

• Parallelisierte Netzgenerierung, Assemblierung und Berechnung
• Speichereffiziente Solver für Chemietechnologie, Wärmetransport und Mikrofluidik
• Erweiterte Möglichkeiten beim Postprocessing, u. a. Berechnung des Schwerpunkts und anderer geometrischer Eigenschaften
• Einfache Modellierung der Kühlung von Elektronikkomponenten und der freien Konvektion mit Nutzeroberflächen für Strömungen variabler Dichte
• Netzgenerierung zur Darstellung von Grenzschichten in Strömungen, bei der Wärmeübertragung und in der Elektromagnetik
• Oberflächen für Blasenströmungen zur Modellierung von Wäschern, Belüftern, Bioreaktoren, Anlagen für die Lebensmittelverarbeitung und Siedevorgängen
• Mischmodelle über spezielle Nutzeroberfläche für Zweiphasenströmungen für die Simulation von Emulgierungs-, Ablagerungs- und Separationsprozessen sowie von Wirbelbetten
• Nichtlineare Parameterschätzung
• Piezoakustische Multiphysik-Modellierung von Mikrofonen und Ultraschallgeneratoren
• Vollständige 3D-Hochfrequenzanalyse für gedruckte Leiterplatten und Übertragungsleitungen mit Randbedingungen an punktförmigen Ports
• Ermüdungsanalyse und achsensymmetrische Kontakte

Die COMSOL Produktlinie

COMSOL Multiphysics ist eines der führenden wissenschaftlichen Softwarepakete für die Modellierung von physikalischen oder chemischen Prozessen. Seine besondere Stärke ist die Multiphysik, also die Kopplung und Berechnung verschiedener Phänomene innerhalb eines Modells. Für spezielle Anwendungsbereiche sind Zusatzmodule erhältlich. Ein weiteres Produkt aus der COMSOL Produktreihe ist COMSOL Script, eine interaktive Skriptsprache, die sowohl als allgemeines wissenschaftliches Werkzeug eingesetzt als auch innerhalb von COMSOL Multiphysics betrieben werden kann, um z.B. Modellierungen und Parameterstudien zu automatisieren oder spezielle Nutzeroberflächen zu erstellen. Im COMSOL Reaction Engineering Lab können durch einfache Eingabe chemischer Formeln kinetische und thermodynamische Analysen vorgenommen werden. Das gesamte Soft¬warepaket ist erhältlich für Windows, Linux, Solaris und für Macintosh. Weitere Informatio¬nen finden Sie unter www.femlab.de oder www.comsol.com.

Die FEMLAB GmbH und COMSOL AB

Die FEMLAB GmbH ist ein Tochterunternehmen von COMSOL AB, Stockholm. COMSOL AB entwickelt und vertreibt seit 1986 Softwarelösungen für die Forschung und Entwicklung. Inzwischen hat sich das Unternehmen zu einem der führenden im Bereich wissenschaftlich-technischer Simulationssoftware entwickelt. Der Hauptsitz des Unternehmens ist in Stockholm mit eigenen Niederlassungen in Deutschland, Dänemark, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, in den Niederlanden (für die Benelux Länder) Norwegen, in der Schweiz und in den USA.

COMSOL und FEMLAB sind eingetragene Warenzeichen von COMSOL AB. COMSOL Multiphysics, COMSOL Script, und COMSOL Reaction Engineering Lab sind Warenzeichen von COMSOL AB.. Andere Produkte oder Produktnamen sind Warenzeichen oder eingetragene Warenzeichen der jeweiligen Inhaber.