仿真和预测系列模块

洞察材料内部的微观过程，预测其宏观性能表现

GeoDict 提供了一整套丰富多样的仿真工具，可根据材料类型与应用场景灵活选用。借助 GeoDict 的"仿真和预测"系列模块，用户可以清楚看到材料在微观尺度上发生的各种物理过程，以及这些过程对材料宏观性能产生的影响。

大量科研与工业项目已经证明:

GeoDict 的仿真结果具有极高的可靠性,能够真实反映材料的实际行为表现。

不仅如此——这些仿真还能揭示许多在实验室条件下难以观测、甚至完全无法观测的材料内部过程。

如果您对仿真与预测有任何疑问，或希望进一步了解相关内容，欢迎随时联系覃思科技，我们的专业团队将竭诚为您解答。

模块总览

GeoDict 的仿真和预测模块覆盖流动、扩散、传导、力学、声学、过滤、电池等几乎所有关键物理过程，可与前述材料建模模块及图像分析模块无缝衔接，构成完整的"数字材料实验室"工作流程。

FlowDict — 流动仿真

FlowDict 模块用于模拟流动实验,并对仿真结果进行后处理,以预测材料的有效流动速度、流动渗透率及流动阻力等性能参数。

在 FlowDict 中进行流动实验需要输入以下内容:

• 结构或材料的三维表示;
• 密度恒定(不可压缩)的牛顿流体(气体或液体);
• 实验工艺参数,例如质量流量、压差及流动方向。

应用示例

• 确定机织物中的空气与水渗透率;
• 研究滤材中气体与液体的渗透率及压降;
• 预测完整滤芯中的体积流量与压力分布;
• 预测气藏中气体开采的渗透率;
• 表征含水层中地下水的流动特性;
• 预测三次采油中数字岩心的绝对渗透率。

主要功能 FlowDict 可执行以下五类计算:

• 给定压降条件下的平均流速;
• 给定平均流速条件下的压降;
• 完整或部分渗透率张量;
• 给定进出口压力条件下的体积流量;
• 给定进出口体积流量条件下的压力。

在后处理阶段,FlowDict 依据达西定律,基于平均流速、流体粘度、压降及材料厚度计算渗透率。达西定律仅适用于雷诺数接近零的极缓慢流动(蠕动流/斯托克斯流);对于压降与平均流速呈非线性关系的较快流动,则采用纳维-斯托克斯方程描述。无论快流还是慢流,FlowDict 均假设为不随时间变化的稳态流动(不考虑湍流等瞬态效应)。而对于不存在稳态解的极快流动,FlowDict 可利用福希海默(Forchheimer)近似来预测压降与平均流速。

FlowDict 支持以下方程的稳态流动计算(取决于孔隙体素、固体体素与未解析多孔体素的分布):

• 斯托克斯方程(EJ、SimpleFFT、LIR 求解器):适用于雷诺数接近零的缓慢流动,几何结构须在孔隙与固相体素上完全解析;
• 斯托克斯-布林克曼方程(SimpleFFT、LIR 求解器):适用于缓慢流动,几何结构包含孔隙、固相及多孔体素;
• 纳维-斯托克斯方程(SimpleFFT、LIR 求解器):适用于高雷诺数的较快流动,几何结构须完全解析;
• 纳维-斯托克斯-布林克曼方程(SimpleFFT、LIR 求解器):适用于较快流动,几何结构包含孔隙、固相及多孔体素;
• 达西方程(EJ、LIR 求解器):适用于缓慢流动,几何结构主要由多孔与固相体素组成,尤其适合处理医用级 CT 扫描获得的数字岩心。

常与 FlowDict 搭配使用的模块: ImportGeo-Vol(图像处理)、GrainFind、FiberFind、PoroDict + MatDict(材料分析)、GrainGeo、FiberGeo、FoamGeo、PleatGeo、WeaveGeo、PaperGeo(建模)、FilterDict、AddiDict、AcoustoDict、SatuDict(仿真)

SatuDict — 毛细压力与两相流性质仿真

SatuDict 模块处理多孔材料中两种不同流体相(气体或液体)的分布问题。这些流体相的饱和会改变多孔介质的性能,例如流动渗透率、扩散系数、热导率及电导率,这些性能因而随材料的饱和度变化,被称为"相对"或"有效"性能。

SatuDict 模拟由毛细力主导的两种不可混溶流体相的分布过程,可计算与饱和度相关的材料性能,包括毛细压力曲线、相对渗透率、相对扩散系数、相对热导率、相对电导率及电阻率指数。此外,后处理功能还支持对压汞法(MICP)曲线拟合 Thomeers 模型,以及基于阿尔奇定律(Archie's law)拟合电阻率指数。

应用示例

• 岩石在混合润湿条件下完整滞后循环及相对渗透率的仿真;
• 岩石电阻率指数及饱和度指数 m、n(包含薄水膜效应)的计算;
• 岩石中汞的侵入与抽出过程及未解析孔隙度的仿真;
• 个人护理与卫生用品材料的毛细压力与流体分布;
• 电池电极中电解液的浸润过程;
• 燃料电池气体扩散层(GDL)中相对气体扩散系数的计算。

主要功能 SatuDict 基于孔隙形态法(Pore Morphology Method, PMM)预测两相流动,该方法融合了几何形态学运算与物理仿真两种手段。PMM 计算得到一系列准稳态两相流体分布,用于计算与饱和度相关的各项性能。该方法支持在孔隙-固体界面处设定单一或多种接触角,也可处理同一结构内同时存在大于 90° 与小于 90° 接触角的混合润湿情形。SatuDict 提供准稳态与动态两种计算方式,其中动态方式可捕捉两个准稳态之间的流体分布变化,从而提高计算步数与精度。

• 毛细压力曲线:基于预测的流体分布,依据杨-拉普拉斯(Young-Laplace)方程计算毛细压力曲线,并通过后处理计算各流体分布的分层饱和度,以获取流体渗透深度信息;
• 压汞侵入与抽出:利用 PMM 与杨-拉普拉斯方程分别计算压汞侵入(MICP)与压汞抽出(MECP),前者提供孔喉尺寸信息,后者提供孔体信息,同时可确定孔隙中残留汞量;对于压汞侵入过程,还可应用 Thomeer 模型预测未解析孔隙度、排驱压力及孔隙几何因子;
• 相对渗透率:基于流体分布及 FlowDict 中提供的流动求解器,分别预测侵入相与被驱替相的相对(及有效)渗透率;
• 相对气体扩散系数:与相对渗透率类似,基于流体分布及 DiffuDict 中的扩散求解器,分别预测两相的相对扩散系数;
• 相对热导率:基于流体分布及 ConductoDict 中的传导求解器进行预测;
• 电阻率指数(相对电导率):基于流体分布及 ConductoDict 中的传导求解器进行预测。此外,仿真中还会在油-固界面引入混合体素,以考虑小于体素长度的薄水膜效应;后处理阶段可依据阿尔奇定律计算饱和度指数与胶结指数等阿尔奇参数。

常与 SatuDict 搭配使用的模块: ImportGeo-Vol(图像处理)、PoroDict + MatDict(材料分析)、FiberGeo、GrainGeo、WeaveGeo(建模)、ConductoDict、DiffuDict、FlowDict(仿真)

DiffuDict — 迂曲度与有效扩散系数仿真

DiffuDict 模块用于模拟扩散过程,并对仿真结果进行后处理,以预测多孔介质的迂曲度、迂曲度因子、相对扩散系数及有效扩散系数。

DiffuDict 计算所用的多孔介质,既可以是通过 CT 扫描仪或 FIB/SEM 等三维成像设备获得并导入的结构,也可以是 GeoDict 生成的工程化结构。根据孔隙尺寸的不同,扩散流体可被视为连续介质,也可被视为离散分子——分子通过与孔壁及彼此的反射发生扩散。努森数(Kn)描述了孔径与流体分子平均自由程之间的关系,决定了应采用哪种模型:努森数较大时,孔壁作用在扩散中占主导地位;努森数较小时,扩散主要由分子间相互作用主导;当努森数接近 1 时,两种效应都很重要,可通过离散分子模型进行仿真。

应用示例

• 确定孔隙的迂曲度;
• 估算含或不含微孔层的气体扩散层的有效扩散系数;
• 估算多孔介质的相对扩散系数;
• 计算催化层内部的浓度与通量分布;
• 计算多孔介质的努森数;
• 确定电解液中离子的传输行为或活性材料内部的扩散情况。

主要功能 DiffuDict 可通过不同扩散模型计算迂曲度、迂曲度因子、努森数、相对扩散系数及有效扩散系数,具体采用哪种模型取决于努森数(Kn):

• 体相拉普拉斯扩散(Kn < 0.01):努森数较小时,流体被视为连续介质,多孔介质内部的浓度分布由拉普拉斯方程控制,再依据菲克第一定律由所得浓度通量确定有效扩散系数,并通过与流体体相扩散系数比较得到相对扩散系数与迂曲度因子;
• 分子扩散(0.01 < Kn < 10):针对努森扩散与拉普拉斯/连续扩散之间的过渡区间,除模拟分子在孔壁处的离散反射外,还同时考虑分子间碰撞,气体的平均自由程是该区间仿真的关键参数;
• 博桑克近似(Bosanquet Approximation,0.01 < Kn < 10):在中等努森数范围内,通过对纯努森扩散与纯拉普拉斯扩散取平均来估算有效扩散系数;
• 努森扩散(Kn > 10):努森数较大时,通过模拟单个分子在孔壁处的反射,获得分子随时间变化的均方位移,并据此计算有效扩散系数;
• 扩散实验仿真:若结构中含有多孔的组成材料,该功能可计算稳态扩散通量与浓度分布,并可将其他命令预测得到的扩散性能作为输入,将纳米尺度的努森扩散结果放大(upscale)至微米尺度的扩散实验。

常与 DiffuDict 搭配使用的模块: ImportGeo-Vol(图像处理)、GrainFind、FiberFind、PoroDict + MatDict(材料分析)、FiberGeo、FoamGeo、GrainGeo、PaperGeo、WeaveGeo、GridGeo(建模)、AddiDict、BatteryDict、ConductoDict、ElastoDict、FlowDict、SatuDict(仿真)

ConductoDict — 热导率与电导率仿真

ConductoDict 模块用于模拟热传导与电传导实验,并对仿真结果进行后处理,以预测材料的有效热导率与有效电导率;此外还可计算温度场与电位分布,以及热流密度、电流密度和电场的分布情况。

在 ConductoDict 中进行传导实验需要输入以下内容:

• 结构或材料的三维表示;
• 结构中各组成材料的传导系数;
• 实验工艺参数,例如计算域进出口边界处的温度或电位。

应用示例 ConductoDict 的算法已成功应用于隔热材料、碳纳米管等众多工业与科研项目,例如:

• 中密度纤维板(MDF)样品、铸铁微结构、燃料电池气体扩散层等材料的传热性能;
• Ag/SnO 材料的电导率;
• 砂岩等岩石的电导率及地层因子(Formation Factor)。

主要功能 ConductoDict 支持利用 LIR 或 EJ 求解器进行热与电传导仿真:

• 计算热导率:通过针对各关注方向求解稳态热传导方程,得到热导率张量。计算中考虑各组成材料的热导率(可为各向同性、横观各向同性或正交各向异性),并可指定不同材料之间(或同种材料不同对象之间)的接触热阻。计算结果最终以单一的有效热传导张量表示整个数据集,同时可在图形界面中可视化温度与热流分布;
• 计算电导率:通过求解结合电流连续性方程与欧姆定律的电位控制方程,得到电导率张量。同样考虑各组成材料可为各向同性、横观各向同性或正交各向异性的电导率,并可设定接触电阻以模拟不完美接触。计算结果输出整个数据集的有效电导率张量,同时计算并可视化电位、电流密度及电场分布;此外还可基于孔隙流体电阻率计算地层电阻率因子(Formation Resistivity Factor),这是石油物理及地球物理领域中的一项关键性能参数。

常与 ConductoDict 搭配使用的模块: ImportGeo-Vol(图像处理)、GrainFind、FiberFind、PoroDict + MatDict(材料分析)、各类适用的材料建模模块、SatuDict(仿真)

ElastoDict — 力学性能与变形仿真

ElastoDict 有助于表征复杂材料的力学性能,并借助基于三维微结构的精确仿真来理解和优化材料。例如,可对材料的各向异性刚度、损伤及失效进行仿真。与 GeoDict 一贯的工作方式相同,用户可直接基于三维图像数据(例如显微 CT 扫描或 FIB-SEM 测量数据)进行计算,无需耗时的网格划分——ElastoDict 直接在已分割的图像数据上进行仿真,大幅简化了流程。

此外,新材料设计方案的性能同样可基于三维结构模型进行计算——这些模型可利用 GeoDict 的结构生成模块创建,例如 FiberGeo、PaperGeo 或 GrainGeo。在微结构尺度上得到的精确结果,可用于改进部件级仿真。与所有其他 GeoDict 模块一样,ElastoDict 直接在体素几何上运行;相较于传统有限元仿真,这省去了复杂的前处理步骤,让仿真工作的启动变得容易得多。

借助仿真回答力学性能与变形相关的问题,对于多种材料的研究都至关重要。例如,ElastoDict 模块可用于仿真 PEM 燃料电池中气体扩散层(GDL)在夹紧压力下结构如何变化,或岩石样本在原位条件下性能如何改变。所有这些 ElastoDict 仿真都借助集成于其中、由 Fraunhofer ITWM 开发的 FeelMath 求解器,以高速且极其节省内存的方式运行。自 GeoDict 2023 起,还新增了 Math2Market 自主研发的 LIR 求解器用于有效刚度计算,该求解器已在流动仿真(FlowDict)、传导仿真(ConductoDict)及电池仿真(BatteryDict)中得到充分验证。

主要功能 ElastoDict 提供三种选项:

• 有效刚度(Effective Stiffness):通过直接在三维体素图像上求解相应的偏微分方程,精确计算复杂微结构的线弹性性能。结果包括局部应变、应力和位移场,完整的刚度张量,以及材料呈正交各向异性、横观各向同性或各向同性的判定信息。此外,GeoDict 结果查看器还提供了多种后处理工具,便于对材料力学响应及潜在优化方向进行深入分析。另有"有效刚度-AF"选项,可基于解析近似快速估算微结构的完整刚度张量;
• 变形(Deformations):可执行考虑非线性效应的复杂变形仿真,例如在三维微结构的任意方向上设置标准拉伸实验。组成材料的模型可包含损伤、失效、塑性变形、粘性效应等多种特性,还可通过 UMAT 接口(兼容 Abaqus)创建用户自定义材料子程序。仿真结果包括应力-应变曲线,以及材料出现损伤和最终失效的局部区域信息;此外还支持循环加载或剪切实验,并可为每个变形计算步骤输出变形后的三维结构,以供进一步可视化与分析;
• 弯曲测试(Flexural Test):可分析材料在弯曲载荷下的响应,支持三点弯曲测试仿真并可直接与实验室结果比较。与 GeoDict 中大多数应用一样,仿真只需材料结构中具有代表性的一小部分区域,但该结构必须包含梁的完整高度。弯曲测试基于"变形"选项构建,支持该选项下的所有材料模型类型,尤其是塑性、损伤与失效模型。

ElastoDict 可用于预测泡沫、非织造材料、机织物、滤材、多孔金属材料、复合材料、陶瓷、岩石、气体扩散层、电池材料等多种材料的刚度性能,并可模拟非织造材料、泡沫及复合材料在拉伸、压缩、弯曲等大变形工况下的力学行为。

常与 ElastoDict 搭配使用的模块: ImportGeo-Vol(图像处理)、GrainFind、FiberFind、PoroDict + MatDict(材料分析)、GrainGeo、FiberGeo、FoamGeo、PleatGeo、WeaveGeo、PaperGeo(建模)

FilterDict — 过滤仿真: 滤材、滤芯与整机过滤器

FilterDict 是一款功能强大的模块,用于仿真从滤材、滤芯元件到整机过滤器中的颗粒过滤过程。此外,通过预设参数配合用户输入,还可仿真错流过滤,以及带外壳的整机过滤器内部流动。FilterDict 是 Math2Market GmbH 在德国注册的商标。

FilterDict 是学术界与工业界广泛使用的先驱软件工具,也是市场上唯一能够在标准硬件(16GB 内存的 64 位 Windows 或 Linux 计算机)上实现该功能的软件。近期，Math2Market还积极投入室内空气过滤系统的仿真研究,探索其最佳布置方案,以提升颗粒去除效率,并有望降低病毒感染风险。

应用示例

• 非织造滤材中的气溶胶过滤;
• 柴油颗粒过滤器(DPF)或汽油颗粒过滤器(GPF)蜂窝结构中的烟尘过滤;
• 机油多次通过(multi-pass)测试台架仿真;
• 微流控器件中的微米级颗粒过滤与堵塞现象;
• 褶皱滤芯元件中的颗粒追踪;
• 高效空气过滤器(HEPA)褶皱的堵塞过程;
• 室内空气净化器及其房间布置方案。

滤材(Media)层面的功能 滤材可以是任何类型的多孔介质,典型包括非织造材料、机织材料(金属、纺织或塑料)、泡沫、膜材料(如海水淡化用膜)或纤维素纸,FilterDict 也可仿真通过土壤、砂粒等介质的过滤过程。这些滤材均可进行分析、优化,或从零开始进行全新设计;即使是纳米纤维滤材,FilterDict 也能通过引入滑移效应实现精确仿真。借助 FilterDict,对于真实的非织造材料模型(300×300×600 计算单元),仅需一次流场计算即可在数小时内完成滤效计算;而滤芯寿命仿真由于需要反复重新计算流场,可能耗时数天。FilterDict 对滤效与压降演变的预测已在众多工业及科研项目中得到广泛验证,预测结果与实测数据的误差通常在 10%–20% 以内。

• 初始滤效:通过在三维滤材结构中追踪颗粒运动,确定滤材的过滤效率及最易穿透粒径(MPPS)。颗粒运动仿真可包含拦截、惯性碰撞、布朗运动及静电吸附等效应,并提供多种颗粒-滤材接触模型(初次接触即捕获、范德华力/哈马克常数模型、筛分模型)以模拟不同的过滤机制,用户自定义函数可完全控制这些模型参数;
• 初始压降:借助 FlowDict 模块提供的流动求解器确定滤材的初始压降,快速流动采用纳维-斯托克斯方程建模,缓慢流动则采用斯托克斯方程;
• 滤芯寿命与容尘量:可在单次通过(Single Pass)或多次通过(Multi Pass)实验中仿真滤芯的堵塞过程,确定压降随时间的演变及容尘量,仿真涵盖从深层过滤到表面滤饼过滤的完整过滤区间。

褶皱滤芯与整机过滤器层面的功能 理想的滤芯应具备较大的容尘量(DHC)与较高的滤效,同时保持较低的压降,而这三项性能通常相互制约。为提升容尘量,FilterDict 可在未解析多孔介质(如单个或多个褶皱、褶皱元件及柴油颗粒过滤器结构)上,以单次通过实验的方式仿真滤芯的堵塞过程。

• 滤芯元件:针对褶皱滤芯等滤芯元件,FilterDict 可确定滤芯寿命、压降演变、随时间变化的分级滤效以及容尘量;褶皱中的滤材可以是非织造或机织滤材,用户可通过选择平板滤材并指定几何形状与褶皱数量,对褶皱滤芯进行优化或全新设计。所采用的穿透模型考虑了不同类型颗粒在各类未解析多孔介质中的过滤可能性,仿真涵盖从深层过滤到表面滤饼过滤的完整过滤区间,并已通过与实验结果的比对及数值参数调整加以验证;
• 带外壳的整机过滤器:针对带外壳的整机过滤器,可通过 ImportGeo-CAD 模块导入 CAD 格式(*.stl 及/或 *.obj)的各零部件几何,并将其转换为 GeoDict 体素数据。用户需定义流动的进出口,以及各滤芯部件(流体、固体、多孔部分)的特性,包括微观尺度滤材特性(如渗透率)。整机过滤器内褶皱的滤材同样可以是非织造或机织滤材。单次通过寿命仿真可确定压降随时间的变化、分级滤效以及每批次的积尘量;
• 蜂窝结构:针对柴油颗粒过滤器(DPF)及汽油颗粒过滤器(GPF)等蜂窝结构,FilterDict 可用于设计与优化,以实现更低压降、更高滤效及更长使用寿命。典型仿真流程包括:利用 GrainGeo 建模陶瓷滤材、利用 FlowDict 仿真通过滤材的气流并利用 FilterDict 仿真烟尘颗粒的传输与沉积、将沉积颗粒转化为多孔介质,并确定烟尘层的堆积密度与粘性流动阻力。气体过滤在分子层面的仿真则可借助 AddiDict 模块实现。

常与 FilterDict 搭配使用的模块: GeoDict Base(必需)、FlowDict(必需,用于计算流场及压降或平均流速)、ImportGeo-Vol(可选,用于导入并分割 µCT 图像、生成三维微结构模型)、材料建模模块(可选,用于建立滤材的三维微结构模型)、PleatGeo(可选,用于生成褶皱元件的未解析多孔介质)、GridGeo(可选,用于生成蜂窝结构模型的未解析多孔介质)、ImportGeo-CAD(可选,用于导入外壳的 STL/OBJ 文件并转换为体素数据)

AddiDict — 平流与扩散传输仿真

AddiDict 模块用于仿真并预测颗粒或分子通过平流(advection)与扩散(diffusion)进行的传输过程。驱动颗粒平流传输的流场,由外部压降或指定的平均流速决定,并利用 FlowDict 中提供的求解器进行计算。平流与扩散传输现象既可通过直接的颗粒动力学方法建模,也可通过求解基于场的平流方程并结合拉普拉斯扩散来实现。

这两种方法都可用于分析质量的时间依赖分布、出口或分层浓度、停留时间、穿透曲线等统计量。此外,还可利用朗缪尔(Langmuir)和托特(Toth)吸附等温线进行吸附过程仿真。

应用示例 AddiDict 适用于研究工业与自然过程中多孔介质内悬浮液和乳液中颗粒的传输问题,例如:

• 废水处理;
• 污染物的地下扩散;
• 膜的污堵(fouling);
• 油藏中的海水回注;
• 地下水中颗粒吸附有机污染物的行为;
• 气体、污染物、蒸汽的过滤与捕集过程中的吸附作用,以及碳捕集与封存(CCS);
• 催化器中尾气处理过程的建模。

主要功能

• 颗粒与分子追踪:AddiDict 通过平流与扩散追踪颗粒运动。在三维数字结构模型中,示踪实验从颗粒的初始放置开始,追踪其运动轨迹,直至颗粒离开计算域或到达将其收集的结构表面。驱动平流的流场由外部压降或指定平均流速决定,并利用 FlowDict 中的求解器计算;扩散则通过随机游走算法建模,既可表示大颗粒在周围流体中的布朗运动,也可表示单个分子自身的扩散运动。颗粒与固体或多孔组分的相互作用可通过多种方式建模,使颗粒在碰撞后保持静止,或反弹后继续在结构中传输。后处理阶段可计算穿透曲线、随时间变化的颗粒浓度,以及简单的一级化学反应;
• 基于场的传输浓度仿真:与"追踪颗粒与分子"不同,该功能采用连续介质力学方法,以浓度场本身(而非追踪单个颗粒)作为主要变量,可模拟溶质在溶剂中的摩尔浓度,同时捕捉由溶剂运动引起的传输(平流)以及由高浓度向低浓度区域的扩散驱动运动。求解算法集成于 LIR 求解器中,驱动平流所需的流场可利用 LIR、EJ 或 SimpleFFT 求解器计算,用户可根据需要灵活选用其中一种或两种传输机制。该求解器可处理从纯扩散(佩克莱数 Pe = 0)到纯平流(Pe = ∞)的全部佩克莱数范围,涵盖所有传输机制;此外,该传输算法与 LIR 求解器流动计算所生成的自适应网格完全兼容。后处理阶段可绘制穿透曲线,以及垂直于流动方向各切片的本征平均浓度;
• 吸附仿真:吸附类工艺广泛应用于各类日常场景中的污染物与异味去除。这类工艺通常依赖具有巨大内部亚微米表面积的材料,例如活性炭或分子筛——在农业领域,这些材料有助于防止化肥、农药等的暴露风险,同时对保障饮用水安全及废水处理也至关重要。利用 AddiDict 的吸附功能,通过仿真示踪颗粒在结构中的运动及其与多孔体素的相互作用,可对这类过程进行建模:在多孔活性区域内,基于传输浓度与平衡浓度求解相应的吸附控制方程,计算结果包括给定物质随时间变化的穿透行为,以及多孔活性区域内局部吸附负荷随时间的变化。

常与 AddiDict 搭配使用的模块: ImportGeo-Vol(图像处理)、GrainFind、FiberFind、PoroDict + MatDict(材料分析)、GrainGeo、FiberGeo(建模)、SatuDict(仿真)

AcoustoDict — 声吸收参数仿真

AcoustoDict 模块可视为一个"数字驻波管",能够对多孔微结构的声学性能进行仿真。基于数字模型或 CT 扫描数据,计算得到一组描述材料声学行为的参数;这些参数可作为经验性 Delany-Bazley 模型的输入,借助该模型,AcoustoDict 能够预测材料随频率变化的声吸收曲线。

主要功能

• 仿真组件:执行流动仿真,并基于结果预测 Delany-Bazley 模型所需的输入参数;
• 材料数据库组件:将上述仿真或直接测量所获得的吸声曲线存储,供后续使用。针对同一材料,可存储并比较多个不同压缩程度下的吸声曲线——例如非织造材料在声学材料制造工艺中常被压缩至特定厚度,由此可交互式地预测其他压缩程度下的吸声曲线;
• 匹配(Match)功能:自动在数据库中查找与目标吸声曲线最接近的材料,并自动考虑现有材料压缩至新厚度后的性能变化;
• 叠层(Stack)功能:预测由最多四层不同材料(可含空气间隙)组成的夹层结构的整体声吸收性能,可交互式地单独调整每一层的排列顺序与厚度,叠层整体的吸声曲线随之实时更新。

配套模块: GeoDict Base(必需,提供基础功能)、ImportGeo-Vol(用于导入并分割 µCT 图像、生成三维结构模型)、FlowDict(用于基于数字结构模型预测声吸收性能;若仅需使用基于直接测量结果建立的材料数据库功能,则可省略 FlowDict)

BatteryDict — 锂电池建模与仿真

BatteryDict 是 GeoDict 中用于电池单元建模、以及锂离子电池电化学循环仿真的模块,既可采用完全解析(微观尺度)的求解器进行精细仿真,也可采用快速(介观尺度)方法进行高效仿真。现代锂离子电池对更高能量密度、更快充电速度、更高安全性及更长使用寿命提出了严苛要求,同时衰减、产热、锂枝晶析出以及固态电池等新概念也为研发过程带来了显著复杂性,BatteryDict 正是为应对这些挑战而提供的一套全面的数字化电池研发解决方案。除锂离子体系外,同样先进的技术还支持对钠离子电池进行真实的建模与仿真。

BatteryDict 集成了两款强大的求解器:由 Math2Market 自主研发的 LIR 求解器,以及由 Fraunhofer 工业数学研究所(ITWM)开发的 BEST 求解器("电池与电化学仿真工具",Battery and Electrochemistry Simulation Tool)。用户可获得指定充电倍率或充电电位下的充电曲线,并将其与相应的平衡曲线进行比较。BatteryDict 还可分析电池材料的微结构,识别材料及电解液中的非活性区域。

主要命令

• 设计电池(Design Battery):基于 GeoDict 生成的材料模型建立电池数字结构,通过指定电极的间距与取向确定电池单元几何,涵盖阳极材料、阴极材料、隔膜、作为对电极的锂储层,以及阳极与阴极侧的集流体等各组分的数量与位置(包括降低电池能量密度的未连通组分);
• 分析电池(Analyze Battery):检查数字电池模型中连通与未连通的材料,展示阳极与阴极中各体积分数分布,用于减少未连通材料并核对正负极配比是否平衡;
• 充电电池(Charge Battery):在微观尺度上,提供三种可用于完全解析式充电仿真的求解器——LIR 求解器注重快速、节省内存的充电仿真,尤其适合大尺寸结构;此外还集成了电池仿真领域知名的 BESTmicro 及其升级版本(自 GeoDict 2023 起提供),支持在完全解析的微观尺度充电仿真中使用浓度依赖型参数。在介观尺度上,则采用 BESTmeso 求解器,基于已加载的微结构计算活性表面积、体积分数等有效参数,并在电池单元尺度上启动仿真——此类介观尺度仿真运行速度更快、内存占用更少,虽无法追踪局部锂离子浓度及电导率等的变化细节,但非常适合在大尺寸结构上快速获得仿真结果;
• 半电池充电(Charge Half Cell):仿真半电池的充放电过程;
• 衰减(Degradation):BatteryDict-Degradation 附加功能采用 FeelMath 力学求解器,计算电化学循环过程中锂嵌入引起的电池结构应力与应变,可视化预期的体积变化,并识别应力应变峰值区域,从而在优化电池电极结构、最小化力学衰减、延长电极预期寿命方面提供重要参考。

应用示例

• 检查电池单元中的非活性材料;
• 采用不同边界条件(指定充电倍率或指定电位)进行仿真;
• 确定电池结构的连通容量;
• 通过比较电池电位随荷电状态的变化与开路电压,评估电池性能;
• 追踪各类过电位的具体来源,以改进结构、提升循环性能;
• 观察充电过程中每个颗粒内部锂离子浓度的变化;
• 监测锂嵌入过程中产生的力学应力与应变,评估结构的力学衰减情况。

常与 BatteryDict 搭配使用的模块: GeoDict Base(必需)、ImportGeo-Vol(图像处理)、GrainFind(-AI)、PoroDict + MatDict(材料分析)、GrainGeo(建模)、ConductoDict、DiffuDict、ElastoDict(仿真)

结语

从单相流动、两相饱和、扩散、传导、力学变形,到颗粒过滤、声学吸收与电池电化学循环，GeoDict的仿真和预测系列模块几乎覆盖了材料研发中所需的全部关键物理过程。这些模块均可直接在三维体素图像上运行，无需耗时的网格划分，能够与GeoDict的材料建模及图像分析模块紧密衔接，帮助用户在虚拟环境中快速、可靠地完成材料性能的预测、验证与优化，大幅缩短研发周期、降低实验成本。

如您希望进一步了解 GeoDict 仿真和预测模块在具体应用场景中的表现，或希望获取免费试用许可，欢迎联系覃思科技，我们将根据您的实际需求提供专业的技术支持与解决方案建议。