計測エンジニアリングシステム株式会社

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COMSOL解析事例

COMSOL紹介( 導入/検討 )

計測

チュートリアル

熱電素子レッグ(ペルチェ効果解析)

この例では、 COMSOL Multiphysics ®の伝熱モジュールを使用して、熱電レッグの熱伝達と電場を解きます。ペルチェ効果はこのデバイスの冷却目的に使用されます。

*本解説は、COMSOL社のサイトから提供されているアプリケーションギャラリの例題モデルをポイント解説したものです。実際のモデルファイルやモデルの説明書はCOMSOL社のサイトからダウンロードしてください。
関連モデルファイル:https://www.comsol.jp/model/thermoelectric-leg-16365

解説動画はこちら(4:23秒)

チュートリアル

血漿中のDNAの分解

プラスミドDNAを標的部位に送達することは遺伝子治療の分野における大きな課題です。
この例では、化学反応工学モジュールと最適化モジュールを使用して、一般的なDNA分解プロセスに関与する3つの連続した反応の速度定数を求める方法を説明します。

*本解説は、COMSOL社のサイトから提供されているアプリケーションギャラリの例題モデルをポイント解説したものです。実際のモデルファイルやモデルの説明書はCOMSOL社のサイトからダウンロードしてください。
関連モデルファイル:https://www.comsol.jp/model/degradation-of-dna-in-plasma-1391

解説動画はこちら(9:41秒)

サブスク限定

回転電極による電解セルの電流分布解析 ~3次電流分布シミュレーション計算例 ~

回転電極は腐食測定、2次電池、燃料電池の研究、微量分析、ボルタンメトリー、めっき添加剤の分析 (CVS)種々のアプリケーションがある。
円筒形の絶縁体の底面に埋め込まれたディスク円盤型の電極が溶液と接触するように構成され、電極の中心を通る軸のまわりで回転する電極である回転電極は電極表面に強制的対流を生成し、電極/電解質インターフェースに熱のおよび濃度の大きな変化を防止できるため静止電極を用いる場合と異なり、一定回転速度において、定常電流電位曲線を得ることができる。
従って、回転電極は めっきや腐食における電極分極特性の測定によく利用されている。
図1には電解セルにおける回転電極の電流分布解析モデルを示す。電解質は\(0.3MCuSO_4\)と\(1.9MH_2SO_4\)で構成される酸性硫酸銅溶液である。直径6mmの回転ディスクを考慮する。直径3mmの作用電極が回転ディスクの下部中央に配置されている。

図1. 計算モデルの概要

本書では、流れ(層流)と電流分布の計算を連成するモデルおよび、2章以後に図2と図3の解析結果を得る手順を示す。
流体の慣性力と粘性力の比で表されるレイノルズ数を次の式で計算できる。

   \(R_e\)=\({ρωr_d}^2/μ\)

ここで、\(ρ\)は密度、\(μ\)は粘性係数、\(ω\)は回転速度、\(r_d\)は回転ディスクの半径である。
図1に示す回転ディスクは\(r_d\)=3mmであり、動粘度は\(ν\)(=\(μ/ρ\))= 1×10-6m2/sであるため、\(ω\)=2000rpm(つまり、209rad/s)の回転速度に対するレイノルズ数はRe=1881である。
層流から乱流への移行の臨界レイノルズ数は、回転ディスク(RDE)に対して105になるため、本モデルは層流の計算を行う。
計算は、COMSOLの層流と3次電流分布インターフェースを用いて行われた。計算用のパラメーターは表1に示す。

表1.計算用のパラメーター

アノードは接地として、カソード表面に分極特性および平均電流密度を与える。カソード表面の分極特性は以下のターフェル式で示される。

   \(i\)=\(-i_0exp10(-\frac{η}{b_c})\frac{c_w}{c_b}\)

ここで、\(i_0\)は交換電流密度、\(b_c\)はターフェル勾配、\(c_w\)はカソード表面濃度、\(c_b\)はバルク濃度である。過電圧は\(η\)=\(Φ_s- Φ_l-{E_e}_q\)であり、\(Φ_s\)は電極電位、\(Φ_l\)は電解質電位、\({E_e}_q\)は平衡電位である。

本モデルは、流れから電流分布までの弱連成計算を考慮し、以下の定常計算を行う。
ステップ1:定常層流(spf)
ステップ2:定常3次電流分布 (ネルンスト・プランク) (tcd)

図2は回転ディスクによる電解セル内の流速分布である。回転速度は300 rpmであり、回転ディスクの近傍に流れが加速されることが示された。

図2. 流速分布

図3(a)は回転速度300rpmの時の電解質電位および電解質電流密度の計算結果である。回転数による作用電極の近傍のイオン濃度変化および作用電極表面の電流密度分布はそれぞれ図3(b)と図3(c)に示された。

図3. 電流分布の計算結果

参考文献

1)L.Z. Tong, “Simulation Study of Tertiary Current Distributions on Rotating Electrodes”, Transactions of the Institute of Metal Finishing, 90 (3), 120-124 (2012).
2)D.R. Gabe, “Rotating electrodes for use in electrodeposition process control”, Plating & Surface Finishing 82, 69-76(1995)

*該当のCOMSOLモデルファイルと手順書をご要望のお客様は下記よりご請求ください。

チュートリアル

スライダークランク機構

このモデル例は、マルチボディダイナミクスの分野で数値計算アルゴリズムをテストするためのベンチマークモデルです。
このモデルは、スライダークランクメカニズムの動的挙動をシミュレートしています。この機構は動作中に特異な位置を通過します。ある点での加速度をリファレンスからの結果と比較することができます。

*本解説は、COMSOL社のサイトから提供されているアプリケーションギャラリの例題モデルをポイント解説したものです。実際のモデルファイルやモデルの説明書はCOMSOL社のサイトからダウンロードしてください。
関連モデルファイル:https://www.comsol.jp/model/slider-crank-mechanism-14651

解説動画はこちら(8:05秒)

一般

COMSOL News 2021(日本語版)

COMSOL News 2021 では、エンジニアや科学者がシミュレーションを用いた製品開発、シミュレーションの民主化、設計の最適化などに COMSOL Multiphysics® をどのように活用しているかを紹介しています。
グリーンエンジニアリングプロジェクトが文字通りに街の景観に緑を添えている様子や、潮流タービンが海の生き物を守りながらクリーンエネルギーを生成している様子などをご覧ください。
蛾の羽の遮音性能、高性能材料加工、バーチャルラボとシミュレーションのアプリを使った化学工学概念の教育など、現在の研究および学術的成果について知ることができます。

COMSOL News 2021表紙

目次

シミュレーションによる製品開発

ホームエンターテインメントシステム用の超薄型 Dolby AtmosⓇ 対応スピーカー技術の開発
(Dolby Laboratories, California, USA)
高電圧ケーブルの装甲損失の3Dモデリング
(NKT, Sweden)
リードレス心臓ペースメーカーの人体通信の調査
(MicroPort CRM, France)

設計の最適化

冷凍冷却技術のための熱交換器設計の最適化
(thermofin GmbH, Germany)
Darrieus 水車での発電, 魚の保護
(Physixfactor, Netherlands)
マルチフィジックスシミュレーションによるガス流れデバイスのスマートソリューションの設計
(Raychem RPG, India)

シミュレーションの民主化

シミュレーションアプリケーションを用いた遠隔教育の学生へのラボコースの提供
(New Jersey Institute of Technology, New Jersey, USA)
シミュレーションアプリによる自動車製品開発の促進
(Mahindra & Mahindra Limited, India)
音の光景: スピーカーの性能に対する筐体設計の影響
(L-Acoustics, France)

研究スポットライト

都市の中心部を緑化: 庭の柵の中に設置された都市の屋上排水システム
(TL-Engineering, Denmark)
音響カモフラージュのための蛾の羽の振動音響特性の解析
(University of Bristol, United Kingdom)
高性能タングステン材料のCVDプロセスの最適化
(Forschungszentrum Jülich GmbH, Germany)

ゲスト論説

アプリは検証, 検査, 認証業界のデジタル化を支える
(By James Dean, Plastometrex, United Kingdom)