COMSOL Multiphysics在多物理场仿真模拟和分析领域已经建立了快速革新的的良好信誉。新的4.2a版本在COMSOL Multiphysics旗舰产品成功史上添加了新的一笔。通过引入工程师和科学家们感兴趣的新功能，COMSOL正在创造一个在广度和深度无与伦比的集 成分析平台。在4.2a版本中主要的创新点如下：
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粒子追踪模块 在CFD，电磁，声学和其他应用领域，追踪粒子和物理场之间的相互作用。 Creo™ Parametric实时链接 与PTC™公司新的设计软件进行无缝双向的CAD集成。 更快速和高效的参数化扫描 对于大量的参数化扫描控制内存的使用，并能够快速建立响应图。 导入数字高程图(DEM) 导入拓扑表面数据，并结合到固体区域中，用于诸如流体，结构、或电磁等各种物理场的分析。 导入图像 基于照相数据或者扫描数据，以材料查找表的形式导入2D图像。 交互式切片图和等值面图 绘制面图和切片图时进行快速交互式定位。 |
COMSOL Multiphysics V4.2a介绍视频 |
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| 磁勘探是一种铁矿勘探中常用的地质学勘探方法。这幅图片显示了根据导入的地形数据模拟所表征的地下几何结构。被动式磁勘探依赖于精确的区域性磁异常图形。本案例求解铁矿在地磁场作用下产生地表和空中的磁异常图形。 |
目 录
粒子追踪模块
粒子追踪模块扩展了COMSOL Multiphysics在流场或电磁场中的轨迹计算功能，包括粒子与物理场之间的相互作用。所有模块都可以和粒子追踪模块进行无缝结合，可以引入驱动粒子运动的额外的建模工具和物理场。
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| 质谱仪用来分离和鉴别中的不同物质，广泛应用于材料工程和环境科学。本图显示在一个四极透镜中不同分子量的离子的运动轨迹。电场中同时包含直流和交流部分，这是实现质谱仪功能的要素。 | 本例模拟计算了石英粒子通过一个静态混合器的轨迹。由于粒子具有质量，只有一定数量的粒子能到达出口，这可以通过后处理来得到，还可以计算传递属性。 |
Creo™ Parametric实时链接
新增与 Creo Parametric的实时链接，COMSOL Multiphysics能够与来自PTC的新设计软件进行无缝集成。通过建立两个应用程序之间的链接，在CAD模型中一个特征的改变会自动更新 COMSOL Multiphysics的几何形状，同时保留物理设置。Creo Parametric中指定的所有参数能够与模拟的几何进行相互作用，从而实现CAD的参数扫描和优化设计的多物理场仿真。Creo Parametric的实时链接包括CAD导入模块的所有功能，能够实现来自所有主流的CAD软件的文件导入和削除。
COMSOL Multiphysics自带丰富的模型库，可以通过与Solidworks实时链接的统一窗口界面进入。并且可以生成动画与图像，并且一系列性能的改善使大模型的同步速度更快。
对MATLAB的实时链接模块进行了大量优化，提高了性能和内存处理，并增加了更新的功能，包括一个用于浏览COMSOL案例库的用户界面。
五个新案例库教程演示了如何有效地结合COMSOL Multiphysics和MATLAB脚本。这些模型显示MATLAB LiveLink的独特功能，如在MATLAB中提取数据，在嵌套的MATLAB for循环中运行模型，在MATLAB中使用以前的结果数据，并从COMSOL桌面调用外部MATLAB函数：
在一个高度集成的环境中，与SpaceClaim的实时链接能够将直接建模和多物理场模拟融合，能够实现蕞理想的设计和促进CAD和CAE团队间的合作。
与SpaceClaim的实时链接允许用户能够直接从SpaceClaim里导入一个三维几何图形到COMSOL Multiphysics中。在COMSOL模型中同步的几何与SpaceClaim的几何保持关联，这意味着在几何上的设定，例如物理或者网格设定，在 随后的同步中仍然被保留。实时链接界面是双向的，这样就可以让用户能够在COMSOL的模型中修改SpaceClaim中的几何。
新版本提高了同步大型CAD模型的能力。
现在Siemens PLM的Parasolid®几何内核是下列产品的缺省几何内核：CAD导入模块、AutoCAD实时链接、Inventor实时链接、 Pro/ENGINEER实时链接、Creo Parametric实时链接、SolidWorks实时链接，以及SpaceClaim实时链接。
Parasolid内核能够实现更高级的几何操作，在COMSOL Multiphysics自身的几何建模环境下，允许创建和处理复杂的CAD模型。即使是在没有任何模块的情况下，用户仍然可以在COMSOL Multiphysics的环境中利用COMSOL的几何建模内核功能来创建自己的几何模型。
自动缩放功能可以在CAD建模中处理从微纳米器件到山河或者更大的尺度差异。
2D的x,y或者3D的x,y,z的表数据可以创建插值函数。在用户定义的容差基础上，利用三次样条插值或逼近给定的点。数据可以从文件导入或者直 接在插值曲线的设定窗口中输入。曲线可以是开放，闭合，或者转化为一个实体对象。此对象可以用在2D分析或者被拉伸，旋转，并组合实现3D对象。在3D中 的插值曲线能够被用来作为几何参数化扫描的脊轴或者去引导和控制网格密度，或者进行后处理。
现在可以在模型树的几何节点中的不同几何对象之间进行剪切-粘贴操作，这可以避免产生重复创建复杂的几何对象的乏味的操作或序列指令，从而可以提高几何创建和参数化操作速度。
扫掠网格现在可以被用在分离的表面。一个包含N部分的表面能够被扫掠到一个含有M部分的表面，N>=M。通常情况下，源面（被分为多个面）是对目标面的细化。
虚拟几何功能可用于向虚拟面进行网格的扫掠。
从另外一个模型文件中通过拷贝来插入一个几何序列到当前模型。在模型创建树的几何序列定义了几何对象和用于组合形成复合形状的操作序列。如果几何序列里涉及到函数或者参数，这些方程和函数也可以被插入到模型中。
扩展网格复制功能通过自动的刚性体转换可以从一个分块的面复制网格到另外一个相似的面。对于一些有高精度要求的周期性边界条件，例如结构分析中的循环对称，电磁波传导中的Floquet边界条件等，这个功能非常重要。新功能体现在复制域，复制面和复制边网格。
在3D中的工作面上可以进行交互式的绘制2D图形，这样更容易进行几何对象定位。通过勾选3D工作面上绘图来启用这个功能，它要求显卡支持纹理渲 染。缺省的仍然是2D工作面草图，但是可以通过改变选项来永久性的使用新功能。两个新的工具栏按钮提供工作面剪裁和利用工作面进行简单建模的工作面功能的 中心定位。
用户可以使用图像数据来表征2D材料分布或通过不同的颜色或灰度来分辨不同的区域。这些图像可以是以下格式：扫描电镜图（SEM）、计算机断层照相（CT），或磁共振成像（MRI）。
图像导入的重要应用之一是容易计算高非均质或多孔介质的等效体积平均材料属性，包括电导率、介电常数、弹性或多孔性，还可以将空间分布值转换成单一 的平均值。这些等效材料属性可用于模拟大型结构，无需详细的微尺度信息。这种方法有很多优点，例如避免经常遇到的图像片断和图像转换成几何的困难。还可以 极大地简化网格，节省内存，以及节约计算时间，特别是当对不同图像进行相同类型的分析需要重复很多次的情况。
导入的图像在COMSOL中作为插值函数，可用于各种模拟的需求。还可以通过导入getg3D结构的多层图像来进行3D分析。
基于地理信息系统（GIS）的拓扑图数据可以通过新增的数字高程图插值函数导入，它直接支持美国地质勘探局（USGS）的DEM文件格式。导入的 DEM面可以与其他面和实体组合成几何，并剖分网格。可以组合多个DEM面，相交、嵌入到其他几何对象，构建组合几何体。这个函数使用参数化面几何原型通 过改变底层近似面的节点数来控制解析度。因此，可以先基于粗糙的DEM数据进行快速的计算，得到令人满意的结果后，再调整细节水平直到得到所需的精度。其 优点在于精确控制内存用量和计算时间。
通过DEM导入创建的几何结构类属于COMSOL环境，与机械CAD的处理方法类似。这表明COMSOL Multiphysics的全部功能都可用于DEM结构表征，进行单场或多物理场模拟，例如地下水流动，电磁场，声学，以及结构力学等。
参数化扫描可用于累积探测表，启用一个探针将多参数数据写入一个表中。例如，两个独立嵌套参数扫描的结果等。通过数据表，可以创建表图，绘制2D响应表，，结果随参数变化的1D图等。
新增的参数化扫描的节约内存的用户接口，可以更容易地跑大型参数化扫描，它用于在每个参数步中只需要保存少量的标量，而不是全部解的情况。
提升了瞬态自适应和自动重剖分网格的功能，前者的算法可以在粗糙的网格中经过预解来预测网格细化程度。对于两相流模拟，这使得自适应的网格更贴近相界面，提高计算精度。
新增了一个求解类型，通过组合稳态和瞬态求解来完全控制涉及多种不同物理现象的模拟。在每个瞬态步中，可以自动地使用不同求解和物理场的稳态解。这 对于粒子追踪特别重要，其中的粒子轨迹模拟是瞬态的，而粒子作用力却是由稳态场决定。新的工具在瞬态求解步设定窗口的底部来勾选，称为未求解变量值，可用 于物理选择的组合，即在同一个设定窗口。
新增的连接数据集用来比较不同网格、瞬态步或参数值对应的结果。可以使用差、和、乘、除以及其他一些常用的计算。例如一种主要应用是绘制两个不同网格收敛求解的结果之间的差异。
复合片图可以快捷地创建多种不同方向的片图的组合结果图，缺省的选项是创建与x,y,z平面平行的三个方向的组合片图。复合片图是一种快速分析3D计算域内部结果图的方法，它属于3D绘图组的更多图中的选项由。
外部数据可以导入到数据表中，导入的数据可以是电子表格，也可以是文本文件，可用于分析和绘制实验数据与模拟结果的差异。
现在绘图的标题部分，提供一个定制设定来创建定制的标题。当选择定制时，可以填入下列各种类型的选项：数据集及其相位和解，类型、描述、表达式，单位等。也可以添加用户定义的前缀和后缀。
所有的标量都可以显示成片图或等表面图，既可以预定义的表达式，也可以是用户定义的表达式。V4.2a里面新增的功能是片图和等表面图可以通过一个 滑动条来交互式的定位。可以通过指定分布数量或准确定位片图，同样，也可以这样来定位等表面图。等表面图还可以用另一个物理量来显示颜色。只需要简单地选 择一个复选框就能从交互式或非交互式相互切换。
后处理中新增了一些操作，对于瞬态模拟， timeint() 可用来对已有的瞬态解进行时间积分。 timeavg() 则用来对已有的瞬态解进行时间平均。
对于小信号和预应力分析， lintotalavg() 计算线性化解的所有相位的平均值， lintotalrms() 计算线性化解的所有相位的均方根（RMS）， lintotalpeak() 计算所有相位的蕞大值。
可以在模型创建树中同时选择多个节点，删除整个模型分支。新增向前节点和向后节点箭头按钮可以帮助在模型步骤之间快速的浏览。
V4.2a的模型创建树清楚的表明所有物理接口的缺省节点，在模型树中，左上角的D表明这个节点是一个缺省节点。
插值表新增了一个自动求函数的逆函数的功能。此功能在1D的插值表的设定窗口中可用。如果原始函数的名字为int1(x), 它的逆函数缺省就为int1_inv(x)， 这两个函数名字都是可以进行编辑的。插值表函数和逆函数在大多数的可编辑域中，如初始条件，材料设定，边界条件和结果，都是可用的。
对于偏微分方程，常微分方程和微分代数方程的基于方程的接口支持单位的输入。通过声明因变量和源项的量，方程接口定义和显示所有方程项和量的单位。 这使得可以混合使用基于方程的建模和其他物理接口，充分利用模型的单位系统。当处理无量纲的数据和结果时，也可以选择关闭单位。
对于基于方程的建模，当用户定义自己的表达式或方程式，能够使用材料库的材料属性变量。一个新材料容器变量root.material简化了访问材 料数据。例如，root.material.rho是密度rho，和几何中定义在每一个域中的材料的密度是一样的。后处理时，可以输入表达式 material.rho创建一个展示所有材料密度的图。
单位操作可用于偏微分方程建模，本例中nitf.Cp*nitf.rho 将自动得到正确的单位 J/(m^3*K) 。如果表达式得到错误的单位，就会显示橙色。
V4.2a的CFD模块中新增了著名的k-ω湍流模型，对应于所谓的改进Wilcox模型。尽管这个模型比标准的k-ε模型要求更高，但是它能给出 更精确的解。CFD模块的湍流模型的用户接口采用平均雷诺数的NS方程（RANS），求解平均的流速场和平均压力。除了新的k-ω湍流模型，从之前的版本 中，不同的湍流粘度模型可用：标准k-ε模型、低Reynolds数k-ε模型和Spalart-Allmaras模型。
新增两相流的Euler-Euler模型能够处理和气泡流、混合物模型类似的模拟，但是它不仅限于低浓度分散相。此外，Euler-Euler模型能够处理两相之间在密度上有较大差异的情况，例如空气中固体颗粒的情况，适用于做流化床的模拟。
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| 两相流化床中固体相体积分数的截图，分别对应于四个不同时刻：t = 10s, 13s, 16s, 和 19s。空气从床底部注入，然后与固相一起通过两个竖直口注入。固体入口质量流率用来保持床顶部出口流率。 |
对于单相流来说，新增的内壁边界条件更容易定义一个在两种流体域上的薄壁条件。不再需要在两边定义实体域和壁的边界条件，这样会产生一个密集的网格。这个新的边界条件出现CFD模块和传热模块，可以和结构力学模块和MEMS模块中的流固耦合一起应用。
外部辐射源能够在传热模块中被定义为一个在无限远处的源或者是一个有限距离处的点源。在热传和任何支持面-面辐射的接口中可用。当定义一个在无限远处的源，每单位面积上的功率作为输入。这通常用于入射太阳辐射。当定义一个在有限距离的点源，给出的输入量是总输入功率。
传热模块的另外一个重要的新功能是，当采用面-面辐射模式时，用户可以在边界的两侧定义自己的辐射。这个新功能在传热模块和任何支持面-面辐射模式中可用。
结构力学模块现在支持壳的偏移，这个新增的壳属性能模拟薄层结构中心面到COMSOL原始几何边界存在偏移的情况。同样应用于导入的CAD模型。
从上一版本开始，预应力模式和频率响应分析对于实体也是可行的，现在也可以对壳进行这些分析。当对于几何非线性分析，一个壳可以预变形或者被施加预应力，被改变的模态分析会采用一个精细和通用的线性化算法进行自动的计算。应用包含任意预应力的壳结构的振动分析。
结构力学模块，声学模块和MEMS模块有一个对通用的各向同性，正交各向异性或者常见的各向异性的材料的支持。除了之前可行的标准材料顺序，Voigt材料数据顺序现在也是可行的。声学模块的弹性波和孔隙弹性波接口中默认的是Voigt记号。
总共9种不同的方法去指定弹性数据。在新版本中，弹性数据能够通过组合杨氏模量和剪切模量给出
在结构力学模块中包含5个重要领域的新案例：
声学模块的声压界面包含了几个新的流体模型。在声学模块中，可以通过几种方法计算能量损耗。高级的用户界面覆盖了所有热粘声现象。另外一种引入能 量损耗是通过在声压接口中直接作用被称作等效流体模型的方法。这样就在热声模型中引入了流体的衰减属性。模型中包含由于热传导和粘弹性，在一定的多孔材料 中模拟阻尼耗散，和某些纤维材料的宏观经验模型。在适用的情况下，例如求解一个孔隙弹性模型，等效的流体模型在计算上更高效。
在孔隙弹性波，热声，和结构-声学交互作用中，完美匹配层（PML）用来吸收出射的声波和弹性波。自从上一版本，对于弹性波，压电波，声压波和电磁 波，就可以使用PML。它是一个人为的材料，能够高效的消除波，用来表示一个无限的计算域。对于一个大范围的频率和接触角，完美匹配层给出很小或者没有任 何反射，从而给出一个无反射概念的边界条件。
声学模块的新版本有一个新的为热声-固耦合的多物理场接口，可以在2D，2D轴对称和3D模型中的频域中可用。热声-固的交互作用的接口结合了热声和结构力学接口的特征。
声学模块包含了两个重要领域的新案例：
新增一个全局矩阵计算工具用来在一个步骤中计算和显示整个集总参数矩阵。结果矩阵直接在一个表中显示出来，并且可用于参数或者频率扫描。此项功能对于所有的集总参数可用：电容，电感，阻抗，以及导纳。
在V4.2中引入的小信号分析现在可以自动进行差分电感计算。这个功能同样适用于其他集总参数，例如电容和电抗。
准静态电磁模块可以很容易耦合的新增的粒子追踪模块，计算带电粒子在电磁场中的轨迹。新增了两个新的案例：
新增全局矩阵计算工具能在一个步骤内计算和显示整个S-参数矩阵。对于频率或几何扫描，它能够在一个表里计算和显示整个矩阵 --可以通过利用新增的表图和表的面特征功能来绘制一个响应图或者面图。
新增一个机电多物理场耦合接口，耦合固体力学和静电，并采用移动网格模拟静电驱动器。应用范围包括有偏压的谐振器的模态计算和频率响应分析，以及牵引电压的计算。
新增机电案例教程：一组2D和3D的偏压谐振器案例，展示了如何模拟稳态分析，频率响应，正常模式，牵引电压和瞬态响应。3D版本的案例在更新案例库中找到。
薄膜阻尼的用户界面已经被很大程度的简化了。现在可以直接在固体力学界面下直接添加薄膜阻尼到一个边界上。在一个流体-薄膜属性的子节点下，可以定 义流体属性，气体属性，和稀薄效应。在边界的子节点上，可以定义：压力或边界流。和之前版本一样采用多物理场耦合，仍然提供薄膜-阻尼和固体力学的耦合， 薄膜-阻尼壳界面。
对于模拟在滑移流体区域内的非等温和等温流体，新增滑移流接口能够模拟气流，包括贴近壁面的一个薄层的气流（Knudsen层），此处的气体非常稀薄。该新增功能可用于2D和3D。
新增滑移流的基准案例，展示了在两个密闭的腔室之间，通过一个带有导热墙的微流道的气体情况。此模型采用了新增的滑移流界面。
一个新的过渡流界面，能够模拟Knudsen数从层流极限到分子流极限的全方位的等温流动。过渡流接口适用于2D。
一个新增的蕞低Knudsen数的案例，使用过渡流界面，显示一个平行板之间的稀薄气体的流速在Knudsen数约为1时蕞低（Knudsen的蕞低）。
通过等离子模块结合粒子追踪模块，现在可以实现离子能分布函数和角分布函数的计算。离子能分布函数在半导体生产和表面处理中非常重要，主要是由于通过对它的控制可以对微纳米结构的纵横比进行比较准确的控制。
现在可以绘制出电容性耦合等离子体的周期平均量。提供了新的CCP基准案例，此案例可以复现一维的电容性耦合等离子体的基准案例的结果。此模型是由一个恒定电流而不是恒定电压驱动的。离子电流，能量沉积，电子密度，离子密度和离子通量都和已发表的数据进行比对。
新的化学反应工程模块改善了CHEMKIN的导入和参数估计。在模型库中新增了如下案例：
新增的无限元能够在无界域或者无限域内的电极和电解液的电流平衡。无限元是人为的建模域，施加在主模型的外面，自动缩放方程到无限大空间。使用这种技术可以缩放模拟区域并且提高模拟的精度，降低计算成本。在模型创建器中的模型定义中直接加入无限元节点。
在电池与燃料电池模块的新版本中，增加了两个新案例模型：
电池与燃料电池模块内新增了一个用于锂离子电池模拟的电极功率输入边界条件，它还可以用于其他电池的模拟。用户可以在平均功率密度和总功率两个之间选择。
有时电镀模拟包含了周围比较大的一个区域，事实上，往往只有一个小的几何细节会对电镀过程有影响。这样的一个区域可以用一个无限大的区域去模拟，从 而达到节省计算量的要求。新增的无限元可以实现这个功能，并包含现有的电极和电解质溶液的电流平衡。在模型创建器中的模型定义中直接加入无限元节点。
新增的案例展示了微型接头凸起的电镀过程。电镀是一个受限传质过程，案例中研究了不同流速对电流密度分布的影响。微型接头凸起被应用于各种电子领域的连接器件，例如液晶显示器和驱动芯片。具体的操作步骤有HTML和PDF两种版本的文档。
在电极表面上凸起的位置通过抗光蚀掩模来控制。从一致性和形状来说，电流分布的控制至关重要，这样可以保证形状和微型接头凸起的可靠性。
关于中仿科技
中仿科技(CnTech)成立于2003年，是中国先进的仿真分析软件和系统解决方案的提供者。中仿科技依靠自主创新研发拥有自主知识产权的中仿CAE系 列产品，同时与国际上先进的数值仿真技术公司拥有长期而紧密的合作关系，具备较强的自主研发能力和创新能力，能够为中国企业和科研机构提供优秀的仿真 技术解决方案。公司总部设在上海，目前在北京、武汉设有分公司。更详细的信息请参考：www.cntech.com
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