COMSOL幾何、仿真模型及電容量預(yù)測(cè)

科技的進(jìn)步需要相關(guān)設(shè)備具有更好的性能。當(dāng)然，這意味著設(shè)計(jì)本身變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜。仿真為此類設(shè)備的分析和優(yōu)化提供了一種有效途徑，并進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。今天，讓我們看一看來(lái)自布法羅大學(xué)（University of Buffalo）的研究團(tuán)隊(duì)是如何設(shè)計(jì)多物理場(chǎng)模型和仿真 App，從而將專業(yè)的仿真技術(shù)推廣到更為廣闊的工業(yè)領(lǐng)域。

借助仿真推進(jìn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新

在任何行業(yè)，對(duì)創(chuàng)新的追求都是一個(gè)永恒的主題。以消費(fèi)類電子產(chǎn)品為例，目前的設(shè)計(jì)重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到了系統(tǒng)的小型化和輕量化上。而在汽車行業(yè)，燃料效率是車輛設(shè)計(jì)中的優(yōu)先考慮因素。在各種情況下，不僅需要確保技術(shù)可靠性，還要能迅速將其推向市場(chǎng)才能滿足消費(fèi)者的需求。

創(chuàng)新技術(shù)跨越了從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到汽車行業(yè)的眾多領(lǐng)域。左圖：觸摸屏筆記本電腦。圖像摘自 Intel Free Press。已獲CC BY-SA 2.0許可，通過(guò)Wikimedia Commons共享。右圖：電動(dòng)汽車。圖像由 Mariordo 拍攝。已獲CC BY-SA 2.0許可，通過(guò)Wikimedia Commons共享。

借助仿真可以使設(shè)計(jì)流程的每一步均擺脫對(duì)物理原型的需求，進(jìn)而可以在質(zhì)量和效率之間取得平衡。仿真專業(yè)人員可以在建模環(huán)境中進(jìn)行一系列測(cè)試，以獲取最優(yōu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)。雖然一些公司可能已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種方法的優(yōu)勢(shì)，但在他們的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)仿真專業(yè)人員的全程跟進(jìn)合作，來(lái)完成模型的搭建和更新。

憑借著在科研和教學(xué)時(shí)積累的多物理場(chǎng)建模經(jīng)驗(yàn)，來(lái)自紐約州立大學(xué)布法羅分校的工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的 Ed Furlani 教授找到了一種幫助這些組織持續(xù)創(chuàng)新和成長(zhǎng)的方法。由布法羅大學(xué)的研究生組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)為眾多企業(yè)建立多物理場(chǎng)計(jì)算模型和仿真 App，從而為上述問(wèn)題提供了解決方案。

布法羅大學(xué)的 Furlani 教授和他的研究生在一個(gè)高性能計(jì)算中心進(jìn)行建模和 App 開(kāi)發(fā)，以推進(jìn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。

通過(guò)模型和仿真 App 將建模技術(shù)推廣到各行各業(yè)

由布法羅大學(xué)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的模型已對(duì)多個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品及工藝創(chuàng)新提供了幫助。例如，在膜技術(shù)領(lǐng)域，高選擇性復(fù)合薄膜被認(rèn)為是未來(lái)擴(kuò)展薄膜系統(tǒng)應(yīng)用的可行技術(shù)。為優(yōu)化其節(jié)能設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了模型以分析層厚、孔隙率、及選擇性對(duì)薄膜性能的影響。

同時(shí)，在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，雙電層電容器（electric double-layer capacitors，簡(jiǎn)稱EDLC）由于擁有較高的電容量而從眾多傳統(tǒng)電容器中脫穎而出。通過(guò)開(kāi)發(fā)模型來(lái)對(duì)此類設(shè)備的電容量、平衡電荷積累和離子傳輸進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)仿真，使團(tuán)隊(duì)對(duì) EDLC 性能有了更深刻理解，可以在后續(xù)步驟中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

EDLC 的幾何、仿真模型及電容量預(yù)測(cè)圖。

雖然這些原始模型已幫助將仿真技術(shù)推廣到了不同行業(yè)，F(xiàn)urlani 和他的團(tuán)隊(duì)仍在繼續(xù)努力。為符合不同企業(yè)的個(gè)性化需求，并使更多人在設(shè)計(jì)流程中獲益，他們開(kāi)始對(duì)這些模型的進(jìn)行封裝并建立簡(jiǎn)化界面，根據(jù)用戶的需求對(duì)界面布局進(jìn)行定制。“有了仿真 App，您可以便捷地對(duì)用戶界面進(jìn)行自定義，并為不同公司的用戶添加他們感興趣的參數(shù)，這是一個(gè)非常有用的功能。”Furlani 在COMSOL News2016 上的刊載的文章中這樣說(shuō)道。

為分析 EDLC 而開(kāi)發(fā)的仿真 App。

為了進(jìn)一步推動(dòng)團(tuán)隊(duì)的發(fā)展及創(chuàng)新，作為 App 的補(bǔ)充，該團(tuán)隊(duì)將COMSOL Sever?安裝在學(xué)校超算中心的計(jì)算集群上使用。這種高性能的計(jì)算環(huán)境為 App 用戶提供了一種訪問(wèn) App 的簡(jiǎn)化方式，同時(shí)也使布法羅大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)可以更為方便地對(duì) App 進(jìn)行管理和部署。

學(xué)生如何從設(shè)計(jì)和管理仿真 App 的過(guò)程中受益

布法羅大學(xué)的研究生在設(shè)計(jì)仿真 App 的過(guò)程中獲取了很多經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)會(huì)讓他們今后在其他領(lǐng)域的研究中獲益。僅就一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，App 可以幫助他們更好地學(xué)習(xí)工程概念。這是因?yàn)?，App 的開(kāi)發(fā)是為了隱藏底層模型的復(fù)雜性，仿真 App 為新接觸仿真或 COMSOL 軟件的學(xué)生提供了一個(gè)有用的入門(mén)介紹，有助于鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)其他特征和功能進(jìn)行更深入的探索，進(jìn)而可以讓他們?cè)诮－h(huán)境中更為得心應(yīng)手地進(jìn)行操作。

除了作為教學(xué)工具，讓學(xué)生參與開(kāi)發(fā)仿真 App 的另一目的是幫助他們提升自己的業(yè)務(wù)技能。從設(shè)計(jì)、修改到針對(duì)用戶的技術(shù)支持，學(xué)生學(xué)會(huì)了及時(shí)處理用戶在整個(gè)使用階段提出的問(wèn)題和請(qǐng)求，以確保其擁有良好的用戶體驗(yàn)，這同時(shí)對(duì)促進(jìn)良好的合作伙伴關(guān)系有著重要的意義。