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Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Introduzione all'uso di Comsol
Multiphysics
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI
CAGLIARI FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
ANNO ACCADEMICO
2013-2014
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Docente del corso prof. Mariangela Usai
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Generalità
COMSOL Multiphysics (FEMLAB) è un potente Software commerciale per la modellazione e la risoluzione di tutti i problemi scientifici ed ingegneristici che si basano sulle equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE).
In particolare permette la soluzione di problemi dei campi bidimensionali e tridimensionali
Per la risoluzione del modello, COMSOL Multiphysics impiega il metodo degli elementi finiti (FEM)
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Generalità
Sul sito della COMSOL al seguente indirizzo di posta elettronica***:
http://www.comsol.com/models/comsol-multiphysics
*** si può accedere al sito attraverso un motore di ricerca con la parola chiave COMSOL
è possibile consultare i tutorial che mostrano una panoramica delle varie caratteristiche e potenzialità del software COMSOL Multiphysics.
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Generalità
Le equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE) consentono la modellazione di una larga quantità di fenomeni scentifici ed ingegneristici
Il metodo agli elementi finiti (FEM) è una tecnica numerica che permette la risoluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali
Comsol Multiphysics può essere impiegato in tante e diverse aree di applicazione che presentano analogie formali nei modelli analitici relativi.
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
L’ambiente di simulazione multi fisica: COMSOL Multiphysics® simulation environment facilita tutte le fasi del processo di modellazione con le quali si definisce:
Impostazione della dimensione del problema e scelta delle unità di misura,
sistema di coordinate,
natura fisica del sistema in esame,
Tipo di analisi ( es. dominio del tempo o della frequenza)
Creazione o importazione della geometria del sistema
Impostazione della natura dei materiali
Definizione della mesh,
Impostazione delle condizioni di convergenza e di arresto per la risoluzione delle grandezze di campo relative per poi
Risoluzione del modello impostando il modulo opzionale opportuno
Visualizzazione dei risultati e analisi con il post- processing.
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Generalità
Nell’ambiente di simulazione di COMSOL, si possono impostare
velocemente i dati relativi a tutte le fasi della impostazione del
modello, grazie ad una serie di interfacce di modellazione
predefinite per applicazioni che vanno dal
fluidodinamica e trasferimento di calore
alla meccanica strutturale e
analisi elettromagnetiche.
Le proprietà del materiale, le sorgenti e le condizioni al contorno
possono essere tutte funzioni arbitrarie delle variabili
dipendenti, come il tempo o la frequenza.
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Generalità COMSOL esegue una simulazione Multiphysics in pochi
minuti. Sono disponibili molti esempi di riferimento per la
soluzione di applicazione di modello multifisici in grado di
risolvere molti tipi di problema comuni.
A tale scopo l'utente ha può selezionare diversi sistemi fisici
dal menu Multiphysics e definire le interdipendenze e può
specificare le Equazioni alle derivate parziali (PDE, Partial
Differential Equations), e accoppiarle con altre equazioni e
sistemi fisici.
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA
ED ENERGETICA
Generalità Aree di applicazione di COMSOL per le quali sono previste
terminologie e metodi specifici di soluzione
AC/DC Systems Acoustics Biomedical Engineering Biotechnology Chemical Engineering Chemical Reaction Engineering Electro- & Magnetostatics Electrochemistry Filter Design Fluid Mechanics (CFD) Geophysics Heat Transfer Hydrology, Subsurface Flow
Material Science MEMS Nanotechnology Numerical Analysis, PDE, FEA Optical Systems & Photonics Optimization Petroleum Engineering Physics RF Systems Semiconductor Devices Structural Mechanics Teaching
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Generalità
Creare o importare la geometria
Generazione della mesh del modello
Definire le proprietà dei materiali e le condizioni al contorno
Risolvere il modello impostando il modulo opzionale opportuno
Visualizzazione dei risultati e post- elaborazione
In COMSOL Multiphysics i principali passi per la modellazione sono:
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Avvio di COMSOL Multiphysics
Windows
Eseguire il doppio click nell'icona COMSOL Multiphysics 3.5a
Linux
Nel prompt dei comandi digitare comsol
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Costruzione del modello
Model Navigator
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Costruzione del modello
Model Navigator
Aprire un nuovo file con NEW
Selezionare le dimensioni spaziali dal menu space dimension.
Selezionare il modello di nostro interesse
Fare click su ok
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Costruzione del modello
Graphical user interface
Nel menu “File”
salvare il modello con “save”
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Costruzione del modello
Barra di modalità di navigazione
Draw mode
Point mode
Edge mode (3D only)
Boundary mode
Subdomain mode
Mesh mode
Postprocessing mode
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Costruzione del modello
Setting up Axes and Grid
Options → Axes/Grid Settings
Il primo passo è quello di settare i limiti della regione di definizione del campo, impostando i limiti sull’asse x e sull’asse y e impostando le dimensioni del reticolo della griglia di visualizzazione
Laboratorio di ELETTROMAGNETISMO APPLICATO ALL'INGEGNERIA ELETTRICA ED ENERGETICA
Costruzione del modello Creazione della geometria del modello attraverso l'impiego della Draw Toolbar e del Draw Menu
Attraverso l'impiego della Draw Toolbar o del Draw Menu è possibile impiegare una vasta varietà di funzioni per la realizzazione semplificata della geometria di interesse.
Draw Menu
Draw Toolbar
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Costruzione del modello
2D
3D
Creazione della geometria del modello 2D e 3D con la Draw Toolbar e o il Draw Menu
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Costruzione del modello Definizione delle condizioni al contorno
Boundary Settings with”Boundary Settings Dialog Box”
COMSOL Multiphysics differisce tra le condizioni al contorno esterne (exterior boundary) e quelle interne (interior baundary):
Exterior boundary → il contorno esterno del dominio di modellazione
Interior boundary → interfaccie che dividono il dominio di modellazione in sottodomini
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Costruzione del modello
Definizione delle caratteristiche dei materiali
Attraverso l'impiego del “Subdomain Settings Dialog Box” si definiscono le proprietà dei materiali e le condizioni iniziali nei diversi sottodomini
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Costruzione del modello
Generazione della Mesh
Free Mesh e raffinazione della mesh:
in automatico è possibile realizzata una mesh iniziale grossolana la quale può essere ulteriormente raffinata attraverso il tasto Refine Mesh
Personalizzazione della Mesh
è possibile personalizzare la mesh aprendo il “Free Mesh
Parameters dialog box” scegliendo Free Mesh Parameters
nel menu Mesh
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Risoluzione del modello
Computing the Solution
Solve:
consente la risoluzione del problema semplicemente
cliccando sul tasto “solve” sulla barra principale
Personalizzazione dei parametri di risoluzione
nel caso in cui è necessario impostare i parametri di
risoluzione, questo può essere fatto aprendo il “Solver
Parameters dialog box” scegliendo “Solver Parameters ”
nel menu Solve
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Visualizzazione dei risultati
Postprocessing and Visualization
COMSOL Multiphysics permette l'impiego di diversi strumenti di postprocessing e di visualizzazione dei risultati:
Creazione di una vasta varietà di plot:
Surface, Slice, Isosurface, Contours, Streamline, etc
Integrazione sul dominio e sul contorno di qualunque quantità per la computazione del flusso totale, cariche, induttanze, forze di reazione e valori medi.