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科研干货

发布时间:2017-06-15     来源:未知 查看:打印  关闭
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起源:百纳知识

原题目:科研干货|纹影办法的comsol仿真演示

ONE—问题描写

  

图1.1 平行光纹影系统模型

对于经典的平行光纹影系统,空间默认折射率为1,;光源为单色光源(取波长为660nm的单色光为光源);聚光透镜为直径5cm,焦距5cm的凸透镜;准直透镜与纹影透镜均为直径10cm,焦距20cm的凸透镜;狭缝与滤光光阑均为直径为12cm,厚度为0.5cm,中心有一直径为0.4cm的圆形小孔的圆柱体;~分离为:10cm,10cm,20cm,2cm,6cm,2cm,20cm,20cm。

而扰动区我们内的扰动源我们用如下图的一个圆台取代,圆台中折射率为1.1。

  

图1.2 扰动源形状示意图

  

TWO——根本实践

纹影方法(schlieren method)是一种经典的光学显示技术,广泛应用于透明介质不均性的研究。例如用来观测气流的边界层、气体传热、气体流动以及风洞或水洞流场等。平行光纹影系统的原理是利用光在被测介质中的折射率正比于介质的密度的原理,通过滤光光阑滤去通过折射率改变部分的光芒,从而在成像面上将扰动区折射率的变化进行可视化。

  

THREE——comsol求解过程

利用 COMSOL Multiphysics 的界面操作求解的详细过程如下:

  

3.1

设置求解环境

(1)启动COMSOL Multiphysics,在“新建”任务窗格中单击“模型向导”,如图3.1.1所示。

  

(2)在“选择空间维度”任务窗格中单击“三维”选项,在翻开的“选择物理场”任务窗格中单击“光学”|“射线光学”|“几何光学(gop)”模块,单击“增加”按钮,如图3.1.2 所示。

  

(3)在“选择研究”任务窗格中单击“预置研究”|“射线追踪”选项,然后单击“完成”按钮,进入“模型开发器”界面,如图3.1.3所示。

  

图3.1.3选择研究

  

3.2

设置

在“模型开发器”任务窗格中右击“全局定义”,在弹出的快捷菜单中选择“参数”命令,在“设定”任务窗格中设置参数,如图3.2.1 所示。

图3.2.1设置参数

  

3.3

几何模型的创建

(1)在“模型开发器”任务窗格的“组件1”选项中,右击“几何1”,在弹出的快捷菜单中选择“零件”,选择“零件库”,如图3.3.1所示。

图3.3.1 选择

(2)点选“零件库”任务窗格的“Ray Optics Module”选项中的“Spherical Lenses”的“spherical equi convex lens 3d”,点击添加到几何。如图3.3.2。

图3.3.2 凸透镜

(3)点击“几何1”中的“三维球形等凸透镜1”,在设置栏中修改参数,如图3.3.3。

图3.3.3 设置凸透镜1参数

(4)右击“几何1”中的“三维球形等凸透镜1”,点击“生成副本”,点击“三维球形等凸透镜2”,在设置栏中修改参数,如图3.3.4。

图3.3.4 设置凸透镜2参数

(5)右击“几何1”中的“三维球形等凸透镜1”,点击“生成副本”,点击“三维球形等凸透镜3”,在设置栏中修改参数,如图3.3.5。

图3.3.5 设置凸透镜3参数

(6)在“模型开发器”任务窗格的“组件1”选项中,右击“几何1”,在弹出的快捷菜单中选择“圆柱体”命令,如图3.3.6所示。

图3.3.6 创立圆柱体

(7)点击“圆柱体1”,在“设定”任务窗格设置圆柱体属性,如图3.3.7 所示。

图3.3.7 圆柱体1

(8)右击“圆柱体1”,点击“生成副本”,点击“圆柱体2”, 在“设定”任务窗格设置圆柱体属性,如图3.3.8 所示。

图3.3.8 圆柱体2

(9)右击“几何1”,选择“布尔运算和分割”——“差集”。点击差集1,将圆柱1设为增添对象,圆柱2设为减去对象。

(10)右击“圆柱体1”,点击“生成副本”,点击“圆柱体3”, 在“设定”任务窗格设置圆柱体属性,如图3.3.9所示。

图3.3.9 圆柱体3

(11)右击“几何1”,选择“变换”——“镜像”。点击镜像1,将差集1(dif1)设为输入对象,选择“保存输入对象”,属性如图3.3.10。

图3.3.10 镜像

(12)右击“几何1”,选择“圆锥体”,点击“圆锥体1”,设置属性,如图3.3.11。

图3.3.11 圆锥体

(13)右击“几何1”,选择“长方体”,点击“长方体1”,设置属性,如图3.3.12,点击“构建所有对象”。

图3.3.12 长方体

  

3.4

资料设置

右击材料,增加三份空材料。设置材料1折射率实部为n,几何体选择所有域;材料2折射率实部为n1,几何体选择三个透镜;材料3折射率实部n2,几何实体选择圆锥体。

  

3.5

物理场设置

(1)点击“几何光学”,在“强度计算”中选择“盘算强度”。

(2)右击“几何光学”,选择“壁”,点击“壁1”设置“壁前提”为“解冻”,边界选择两个光阑的所有边界以及长方体所有边界。

(3)右击“几何光学”,选择“从格点释放”,点击“从格点释放1”,设置属性,如图3.5.1。

图3.5.1 从格点释放

  

3.6

网格设置

右击网格,选择“自由剖分四面体”,点击“自由剖分四面体网格1”,将几何实体层设置为“整个几何”,点击尺寸,将单元格尺寸设置为:校准“一般物理”,预定值“细化”。点击全体构建。

  

3.7

求解设置

FOUR——结果显示

(1)选择“结果”,右击“数据集”,在弹出的快捷菜单中选择“截面”,点击“截面1”如图4.1设置属性。

图4.1 从格点释放

(2)右击“结果”,选择“二维绘图组”,右击“二维绘图组1”,选择“更多绘图”,选择“庞加莱图”,点解“庞加莱图1”,数据选择“截面1”,右击“庞加莱图1”,选择“颜色表达式”,点击“颜色表达式1”,如图4.2设置。点击绘制。

图4.2 颜色抒发式

(3)最后成果如图4.3和4.4

图4.3 射线追踪

  

图4.4 庞加莱图

  

FIVE——创新点

介绍了纹影法中的平行光纹影系统的工作原理,并使用comsol对其进行了仿真演示。应用几何光学模块,由射线数来近似表达扰动区中折射率转变对成像的影响,下降了计算难度。

  

SIX——参考文献

[1] 张旭, 黎苏.高速纹影摄影技巧在喷雾场和流场测试中的应用. 东北师大学报天然科学版.1992(3):71-75.

[2] 李 华,杨臧健 . 纹影系统中物平面的选择与刀口的设置.试验流体力学。2011(25)3:91-95.

小编:辉辉

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