Мультифизическое моделирование нагревательных контуров

12/02/2019

Нагревательные контуры вы можете встретить в самолетах, в светодиодных табло, медицинских запоминающих устройствах и т.п. Как и в случае многих других нагревательных элементов, работа этих контуров обусловлена резистивным нагревом — мультифизическим процессом, сочетающем в себе протекание электрических токов, теплопередачу и механические деформации. Для того, чтобы правильно рассчитать влияние этих явлений и других ключевых конструктивных факторов, инженеры могут создавать виртуальные прототипы нагревательных контуров с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®.

Области применения нагревательных контуров

Нагревательные контуры могут обеспечивать необходимый в широком спектре промышленных применений локальный нагрев продукта или жидкости. Часто используемые совместно с датчиками температуры, эти контуры находят применение в следующих областях:

  • Предотвращение обледенения и запотевания линз и ветровых стекол (например, для легковых автомобилей и воздушных судов)
  • Защита электронных устройств, расположенных на открытом воздухе (например, электронных информационных табло) от влажности и экстремальных перепадов температуры
  • Поддержание постоянной температуры медицинских препаратов, изделий и образцов во время испытаний или хранения
  • Нагрев клеящих и адгезионных материалов и жидкостей в рамках технологических процессов

Фотография электронного табло, работоспособность которого зависит от нагревательных контуров.
Электронное дорожное табло переменной информации Изображение предоствалено департаментом транспорта штата Орегон. Лицензия CC BY 2.0, посредством Flickr Creative Commons.

Работа таких контуров обычно основана на эффекте резистивного или джоулева нагрева, который сочетает в себе много различных физических явлений:

  1. При подаче напряжения по контуру начинает протекать электрический ток.
  2. Этот ток приводит к выделению тепла в следствие электрического сопротивления материалов.
  3. Повышение температуры обуславливает термические деформации устройства

Хотя в ряде приложений возникающие деформации могут быть полезными (например в термических приводах и актуаторах), они часто выступают источником проблем, которые должны предотвращены на этапе проектирования нагревательных контуров. Проводящие элементы контуров часто приклеиваются к другому нетокопроводящему материалу (подложке), и чрезмерный изгиб может привести к перенапряжению в клеевом слое и отслоению проводника, что, в свою очередь, может привести к его возгоранию. Разработчики также должны убедиться, что контур не перегреет жидкость или любой другой обрабатываемый продукт. Такой анализ достаточно нетривиален из-за множества физических явлений, связанных с резистивным нагревом, а также различных факторов (таких как подаваемое на контур напряжение, геометрическая форма, используемые материалы, условия окружающей среды и т.д.), которые влияют на эффективность нагревательного контура.

Используя программное обеспечение COMSOL®, инженеры могут оценивать и улучшать КПД нагревательных контуров, принимая во внимание всевозможные явления и рассматривая различные конструктивные решения. В следующем разделе мы рассмотрим один характерный пример: мультифизическую модель небольшого нагревательного контура. Следует отметить, что для создания этой модели потребуются следующие модули расширения: Теплопередача, Механика конструкций , а также либо AC/DC, либо MEMS.

Мультифизическое моделирование нагревательных контуров

Геометрия данной модели состоит из двух частей: проводящий слой и стеклянная пластина-подложка. Проводящий слой выполнен из нихрома — распространенного материала для резистивных нагревательных элементов — и имеет толщину 10 мкм и ширину 5 мм. Как показано ниже на рисунке, нагревательный элемент сделан в форме змейки, концы которой заделаны на серебряные контактные площадки. Верхняя сторона (там, где закреплен резистивный слой) стеклянной пластины находится на открытом воздухе, а нижняя сторона обращена к химически активной жидкости.

После отрисовки геометрии следующим шагом является описание физического процесса генерации и передачи тепла в следствие поданного напряжения (в данном случае 12 В). Для расчета э/м потерь, выступающих в качестве источника нагрева и возникающих в результате протекания тока в проводящем слое, можно использовать физический интерфейс Electric Currents, Layered Shell (Электрические токи в многослойных тонких оболочках). Этот интерфейс предназначен для решения закона сохранения тока в слоях, которые имеют малую геометрическую толщину, но при этом значимую в контексте физического явления. В рассматриваемом случае толщина слоя достаточно мала, чтобы исключить его как 3D-объект из геометрической и сеточной последовательности, что значительно упростит работу с этими узлами модели. В то же время, нулевая толщина не является подходящим приближением с физической точки зрения. Это связано с большим контрастом свойств материала в слое и в подложке. При решении уравнений интерфейс Electric Currents, Layered Shell использует заданную как параметр и никак не отраженную геометрически толщину. Для расчета теплопередачи используется аналогичный подход.

В модели используется эффективное граничное условие Thin Layer (тонкий слой) в физическом интерфейсе Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах), а также мультифизическая связка Electromagnetic Heating (Электромагнитный нагрев), которая обеспечивает автоматическое сопряжение физических явлений в процессе джоулева нагрева. Указанное граничное условие позволяет связать расчет тепловой задачи в проводящем двумерном слое и подложке для корректного расчета теплопередачи. В модели также учитывается, что тепло рассеивается в окружающий воздух посредством естественной конвекции.

Скриншот модели нагревательного контура в интерфейсе ПО COMSOL Multiphysics®.
Скриншот, демонтсрирующий некоторые настройки модели нагревательного контура.

Для расчета термических деформаций (и оценки возможного расслоения) прочностной анализ реализован через два физических интерфейса. В данном случае, для стеклянной пластины используется интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела), а для проводящего слоя — интерфейс Membrane (Мембрана), который отлично подходит для описания тонких слоев.

Анализ результатов расчет нагревательного контура

Теплопередача и нагрев

После проведения расчета модели можно визуализировать тепло, генерируемое в проводящем слое. Максимальное тепловыделение возникает там, где плотность тока самая высокая: на внутренних изгибах проводящих дорожек. Такая концентрация тока обусловлена тем, что градиент потенциала обратно пропорционален расстоянию между заземлением и электрическим терминалом. Поскольку внутренние изгибы представляют собой кратчайший путь, то в их окрестности естественным образом концентрируется ток. Проинтегрировав по поверхности резистивного слоя, можно получить суммарную тепловую мощность, генерируемую на электрическом сопротивлении, равную ~13.8 Вт.

График распределения плотности тока в проводящем слое
Визуализация генерацию тепла в резистивном слое нагревательного контура.

Плотность тока (слева) и рассеиваемая контуром удельная мощность (справа).

Для определения КПД устройства можно провести оценку потребляемой электроэнергии, а также сгенерированной и рассеянной тепловой мощности. Здесь входная мощность (выраженная как произведение V*I, которые в данном случае составляют 12 В и 1.15А) равна полной тепловой мощности: 13,8 Вт. Как показано ниже, самая высокая температура наблюдается в центральной части проводящего слоя и составляет 154.1°C. Проинтегрировав рассеиваемую удельную мощность по площади нижней поверхности пластины, можно получить количество тепла, которое передается в жидкость, 8.5 Вт. Аналогично при расчёте количества тепла, рассеиваемого в окружающий воздух получаем 5.3 Вт. Эти расчеты не только демонстрируют, что конструкция относительно эффективна при нагревании жидкости, поскольку при этом ей передается 62% тепловой энергии, но и подтверждают выполнение закона сохранения энергии в рамках расчета, поскольку объем подведенной э/м энергии равен объему рассеянного тепла.

График распределения температуры в слое и по подложке.
Распределение температуры в проводящем слое и в пластине с отметками максимальной (154.1ºC или 309.5ºF) и минимальной (77.2ºC или 171ºF) температуры

Скриншот расчета рассеянной мощности через основание нагревательного контура.
Скриншот расчета рассеянной мощности через верхнюю плоскость нагревательного контура.

Тепло, рассеиваемое через нижнюю (~8.5 Вт) и верхнюю (~5.3 Вт) стороны нагревательного контура.

Напряжения, деформации и расслоение

В рамках исследования механических напряжений можно определить, произойдет ли поломка нагревательного контура. В рассматриваемой модели проводящий слой и пластина деформируются приблизительно на 50 мкм, при этом изгиб происходит в сторону, обращенную к окружающему воздуху. Изгиб приводит к нагрузке на конструкцию, особенно на внутренние углы контура, где эффективное напряжение достигает наивысшего значения порядка 13 МПа. Тем не менее, это существенно ниже максимального предела текучести как стекла, так и нихрома (250 и 360 МПа, соответственно), что означает, что оба элемента не будут повреждены в процессе работы.

Распределение напряжения по Мизесу в нагревательном контуре.
Распределение напряжения по Мизесу в нагревательном контуре.

Таким образом нам осталось выяснить: останутся ли слои связаны между собой. Чтобы определить наличие расслоения, следует проверить напряжение между слоем нихрома и стеклянной пластиной. В данном случае напряжение также намного меньше предела текучести поверхностной адгезии (50 МПа), что указывает на то, что эти два элемента в процессе работы будут неразрывны.

Распределение напряжения на границе раздела слоя и подложки.
Напряжение между проводящим слоем и пластиной.

Как показано в этом примере, разработчики могут использовать ПО COMSOL® для анализа нагревательных контуров с учетом различных физических явлений, вовлеченных в процесс их работы. Полученные результаты затем они могут использовать для оптимизации конструкции устройств. Например, при проектировании нагревательного контура для высокоточного применения (например, для корпусирования полупроводниковой электроники) разработчик может уменьшить степень деформации.

Дальнейшие шаги

Вы можете самостоятельно просмотреть все шаги создания модели нагревательного контура. По нажатию на расположенную ниже кнопку откроется Галерея моделей и приложений, в которой содержится документация по приведенному выше примеру и связанный с ним MPH-файл. Отметим, что для скачивания этого файла потребуется действительная лицензия на ПО.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ