模拟腐蚀过程和腐蚀保护系统
建模仿真是了解腐蚀，以及设计和优化腐蚀保护系统的有力工具。“腐蚀模块”是 COMSOL Multiphysics® 的一个附加模块，使工程师和科研人员能够在直观的用户界面中有效地模拟腐蚀过程和保护系统，通过流程化的建模仿真描述电解质中的传输过程，包括离子和电中性物质的传输，以及金属结构中的电流平衡。除此之外，“腐蚀模块”提供的功能还可以详细描述电荷转移反应，这些反应是导致电解质-金属表面发生腐蚀的重要原因。
在这个模块中还具有一个热力学数据库，其中包含电极电位以及这些表面上最常见的氧化还原反应的动力学表达式的选择。您可以使用有限元法（FEM）和边界元法（BEM）在一维、二维和三维中模拟用于描述腐蚀和腐蚀保护系统的传输和反应过程。
“腐蚀模块”提供专门的工具用于简化各种腐蚀过程的建模。
COMSOL Multiphysics® 和附加的“腐蚀模块”为电化学和腐蚀建模提供了用户友好的建模界面，其中包含一次、二次和三次电流分布接口，可以模拟电流分布、具有极化曲线的表面动力学，以及具有本体平衡反应的质量传递效应。
每个用户界面都提供了不同级别的保真度，允许用户根据需要选择各种级别来充分准确地描述所需的系统，涵盖从欧姆效应到更复杂模型的各种应用，例如，包含多种物质的质量传递和平衡反应。COMSOL Multiphysics® 使您能够基于给定的物理系统，根据需要无缝添加尽可能多的物质和反应。
在对大气腐蚀进行建模时，金属表面的电解质层与结构尺寸相比通常非常薄。在这种情况下，比较有效的做法是假设电流密度在电解质薄层上呈均匀分布。基于该假设，可以计算表面的电流分布，而不必使用体积网格对极薄的电解质层进行离散化。此功能在电流分布，壳 接口中提供，与全三维离散化相比，它可以显著减少计算量。
由于管的长度和半径之间具有很大的长宽比，因此对管内的阴极保护进行建模可能具有一定的挑战性。一个简单的解决方案是忽略径向电位梯度，只求解沿管道的电位。这种解决方案将体积问题简化为线问题，这意味着可以在不牺牲精度的情况下明显降低计算负荷。
“腐蚀模块”提供了具有 270 多个条目的内置材料库，其中包含许多金属和合金在不同电解质中的平衡电位和极化数据（局部电流密度 vs. 电极电位）。
COMSOL Multiphysics® 提供了在不同的物理场接口之间创建任意耦合的功能。举例来说，您可以耦合使用结构力学接口与腐蚀接口来模拟应力腐蚀开裂（SCC）。此外，还可以通过多物理场耦合将传热效应纳入对温度高度敏感的腐蚀和腐蚀保护过程模型中。同样，湍流和多相流也可以与化学物质传递和腐蚀保护进行耦合建模。
“腐蚀模块”具有一个专门用于模拟阴极保护系统的接口。用户可以定义自己的表达式，或在预定义的边界条件之间进行选择，例如 Butler-Volmer 或 Tafel 方程，或者表示表面动力学的实验极化曲线。使用常用术语的定制特征使腐蚀和材料工程师能够高效地对牺牲阳极和外加电流系统进行建模。
通过描述阴极和阳极上的溶解和沉积物质，模型可以轻松地描述钙质沉积物以及它们如何随时间来改变极化。不仅如此，还可以计算特定位置的腐蚀速率。这些信息可以与输运方程进行耦合，以描述封闭腔和多孔材料等物体中的质量传递限制。
“腐蚀模块”包含预定义的多物理场接口，用于对电化学电池中的沉积或溶解过程所产生的变形进行瞬态建模。这种类型的建模可以通过使用变形几何来完成，其中边界的速度由电化学反应给出。
此外，水平集 和相场 接口可用于对腐蚀进行建模，其中腐蚀电极表面的拓扑结构因腐蚀过程而发生改变，例如，牺牲阳极系统中可能会发生这种情况。
在求解真实三维几何的物理方程时，数值方法需要将模型几何离散化为多个元素。除有限元法以外，“腐蚀模块”还使用边界元法。例如，电流分布，边界元 接口中的专用梁单元可用于模拟细长结构中的腐蚀。“腐蚀模块”中的 BEM 建模为求解阴极保护问题提供了一种经过充分验证的 FEM 替代方法，不仅如此，还简化了细长结构和非常大的电解质域（如海洋）的建模过程。
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