COMSOL Multiphysics在隐形材料上的应用

中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 1 - COMSOL Multiphysics 在隐形材料上的应用 科学家使用 COMSOL Multiphysics 进行计算机模拟，获得了世界第一个隐形斗篷的模型，使 得出现在科幻小说中的梦想成为现实。该研究被 Science 杂志评为 2006 年的科学突破。 科学家 Steve Cummer(左)和 David Schurig(右)，正在对试验设备进行调试， 他们准备对材料的特性进行检测。 建模软件被广泛应用于让事物隐藏的现象显露出来——显示在产品或过程中，无法由眼 睛或者仪器探测到的场或流动。然而杜克大学的研究小组向反方向着手：通过 COMSOL Multiphysics 的帮助，他们的的模型说明了，制造出使物体不可见的隐形材料是可行的[1]。 基于材料的特殊性质，研究人员建立了一个“隐形斗篷”的计算机模型，这将使得物体在某 种频率下隐形。成功地对模型进行模拟并进行了测试。 建模方法和步骤 研究小组有着丰富的数学建模经验，第一个模拟结果跟随伦敦大学的 Sir John Pendry 教授以及两位杜克大学的教授 David Schurig 和 David Smith，一起发了论文，讲述了薄壳 材料可以使得电磁波弯曲的理论特性，这将使得薄壳与置于其内的任何物质不可见。所需的 具有这些电磁场特性的薄壳材料尚未在自然界中被发现，而十年前尚未有能力制造此类材料。 但如研究小组所知，拥有特殊与复杂电磁场特性的材料，正以相当快的速度增加。现在 知道如何由金属构成的“隐形材料”，其特征与拥有随方向位置变化、或为左手材料（介 电常数ε与磁导率 μ为负值）的连续材料相对类似。然而因为极高的灵敏度，早期无法成 功制作出此材料。如无法建立一个拥有完全正确特性、几乎与理论相同的材料，则此材料将 派不上用场。研究小组开始反问自己，他们要做的是否类似于“尝试在细针上谋取平衡”， 或许可以容许误差？真正成功的建立期望模型的难度有多高？而最后若无法在软件上满足材 料的特性，则此方法是否可行？数值模拟在探测这些问上是相当出色的工具，因为材料并 非完美，如实际实验中不可避免的问题，能否纳入到考虑之中。若能完全在 COMSOL Multiphysics 中模拟理想与非理想的情况，则就有机会在实验中论证屏蔽的可能性。 中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 2 - 图 1：全波屏蔽模拟的计算值域和边界条件。PEC（完美导体）直径 0.2m，入射波频率 2GHz 的横电波（TE）偏振时谐均匀平面波。 在 COMSOL Multiphysics 中对简单的几何图形进行模拟（图 1）。使用射频模块，研究人 员求解一个以薄壳屏蔽完美导体（PEC）无限长圆柱的二维斗篷问题。PEC 薄壳是很强的电场 能量反射器，希望它能屏蔽各方向上的分散量。在左侧和右侧是完美匹配层（PMLs）的区域， 模拟了系统所处的无限域。均匀的平面波由接近区域左侧边界的均匀电流密度发射。顶部和 底部的边界是完美磁导体（PMCs），因此具有指向纸面外电场的均匀平面波，电磁波在这些 边界上将不会反射而结束传播。模型使用射频模块的平面混合模式波应用模式，所以将考虑 所有可能的反射场。 注意此模型没有模拟隐形材料的细节部分。反而在此应用中，研究人员模拟了各向异性 与平滑非均匀的连续材料。下一步是决定如何设计如 SRRs（裂隙环形谐振器）的结构，使其 接近期望的连续材料特性。一旦由一个单元得到期望的特性，将大量制造并期望获得正确的 总体性质。图 2a为理想斗篷薄壳的模拟结果，显示了斗篷有连续变化的介电常数与磁导率， 此特性定义于 COMSOL Multiphysics 的模型方程中。当它自左向右经过，平面波因屏蔽薄壳 产生平滑变形，就像河水经过岩石般。离开薄壳的波形好像是没有经过物体一般。在右侧的 观测将看到未受干扰的波形，使得物体变得透明并隐形。 科学家 Steve Cummer(左)和 David Schurig(右)，来自于北卡罗来州达拉莫杜克大学。 过去因为吸收作用，使得研究小组无法模拟或了解其他隐形材料的应用。研究小组于薄 壳的介电常数与磁导率加入真实能量吸收，而模拟结果（图 2b）显示屏蔽效果没有因能量吸 中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 3 - 收而失败。因为入射的电磁能量在离开薄壳之前，部分被吸收，使得物体产生阴影。但其他 的波形，薄壳由简化材料组成时的分布场，其中只有磁场未受干扰，使得物体在其他方向变 得不可见。 下一个更具有挑战性的问题，是无法建立连续变化的隐形材料。研究小组必须以不连续 的圆柱层来模拟这种材料。如果以八个分离的同质圆柱层来模拟，将会发生什么呢？模拟结 果（图 2c）虽然并非完美，但仍清晰的显示其屏蔽效果。最后，在制造隐形材料中，同时控 制三个关键的电场参数是很困难的。可以将一个或两个参数设为常数，只有一个参数在变化， 仍得到合理的结果吗？图 2d显示了，当屏蔽效果的径向分量随着空间位置而变动。虽然有相 对多的散射，但波前的平滑形变仍显示了存在屏蔽效果。 下一步研究小组将制造八层隐形材料结构，包含之前提到的简化屏蔽薄壳参数（图 3）。 研究小组正确地建立了计算机模型，而实验测量结果与 COMSOL Multiphysics 模拟结果符合 得很好。 图 3：二维屏蔽结构，电磁场传播被限制在 x-y 平面上。对狭窄频率范围内的微波传播，放置 于结构中央的物体是隐形的。 COMSOL 在中国，中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的 CAE 产 品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的 一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院旗下各研究所都已选择使用 COMSOL Multiphysics 作为其科研分析的 CAE 主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国 的各分公司、CAE 技术联合中心，CAE 培训中心的成立，提供更专业的更周到的本地化技术服 务，目前众多企业也纷纷选用 COMSOL Multiphysics 作为企业的分析工具,应用全球最先进制 造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。 中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 4 - 参考文献： 1 .“The Promise of Plasmonics”, by Harry A. Atwater; Scientific American, April 2007 关于 COMSOL COMSOL 公司 在 1986 年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目前已在比利时、丹麦、芬兰、法 国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。关于公司的其他信息可以参 见 www.comsol.com 关于中仿科技 中仿科技(CnTech)是中国内地、香港、澳门领先的仿真分析软件和项目咨询解决方案的 供应商。CnTech 是中仿集团旗下的旗舰公司，总部设在香港，目前在全国设有四个分公司， 分别是上海、北京、武汉和深圳。除了强大的销售和技术支持网络之外，我们还设有专业的 售后服务团队和培训中心，为了更好的服务广大客户，公司将陆续在全国各大主要城市设置 业务分支机构。CnTech 业务包括项目咨询和专业软件的集成和实施等，凭借多年来广大客户 的支持和信任以及 CnTech 员工们的奉献精神和责任心，已为国内外数百家企业、高校及科研 院所提供专业软件系统及项目咨询等服务，服务领域涉及教学科研、机械工业、土木工程、 生物医学、航空航天、材料科学、化学化工、冶金科学、汽车工业、电子电器、气象环保、 采矿和石油工程等行业。 中仿科技是 COMSOL 公司在中国区独家总代理。CnTech 将始终怀着"谦虚、诚实、敬业" 的态度，秉承"关注客户需求、提升客户价值"的核心理念，始终遵循 "客户满意为止"的服务 准则，真诚地为客户排忧解难、出谋划策、坚持不懈，及时为国内外客户提供全球最前沿最 顶端的科技服务，力争成为仿真技术行业的典范！ 关于 CnTech 更多的软件产品以及服务信息，请登录公司网站：www.CnTech.com.cn 获取 更详尽资料