Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®

Bridget Paulus 07/02/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on Google+ Share this on LinkedIn

Свободная конвекция — тип теплопередачи, который встречается в разнообразных прикладных задачах. Например, это явление помогает поддерживать приемлемый уровень температуры как в небольших электронных устройствах, так и в больших зданиях. Независимо от области применения проектировщики могут использовать программный пакет COMSOL Multiphysics® для моделирования свободной конвекции воздуха как в двухмерных, так и в трехмерных задачах.

Передача тепла путем свободной конвекции

Свободная конвекция, которую также называют вязкостно-гравитационным режимом течения, обусловлена неоднородным распределением плотности среды (например, воздуха) в поле действия массовых сил, что приводит к возникновению движения среды и конвективному теплообмену. В отличие от принудительной конвекции, для создания потока жидкости не нужны ни вентиляторы, ни внешние источники — достаточно неоднородности температуры и плотности.

Свободная конвекция воздуха широко используется в различных отраслях. Благодаря этому явлению рассеивается тепло в электронных устройствах, что помогает предотвратить их перегрев. Кроме того, этот метод передачи тепла используется для обогрева и охлаждения зданий с помощью таких конструкций, как солнечные дымоходы и стены Тромба. В сельскохозяйственной промышленности свободная конвекция помогает в сушке и хранении различных продуктов.

buoyancy driven flow between circuit boards Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®
Свободная конвекция воздуха у поверхности вертикально расположенных печатных плат

С помощью программного пакета COMSOL Multiphysics® можно исследовать свободную конвекцию воздуха как в двумерных, так и в трехмерных задачах. Давайте рассмотрим один пример…

Моделирование свободной конвекции воздуха

В учебном пособии Buoyancy Flow in Air (Свободная конвекция воздуха) показано, как моделировать свободную конвекцию для двух типов геометрии:

  1. Двумерный квадрат
  2. Трехмерный куб

В обоих случаях все внешние границы изолированы, за исключением левой и правой, на которых установлена соответственно низкая и высокая температура. Разность температур (около 10 K) приводит к градиентам плотности воздуха, создавая свободно-конвективный поток. Обратите внимание, что куб имеет больше сторон, чем квадрат, что влияет на поток воздуха.

Чтобы упростить настройку модели, в программном пакете COMSOL Multiphysics есть несколько встроенных функций, которые можно использовать. Прежде всего, это интерфейс Nonisothermal Flow (Неизотермический поток), в котором процессы гидродинамики и теплопередачи взаимосвязаны. Можно также использовать Библиотеку материалов, чтобы легко задавать теплофизические свойства воздуха.

Далее, можно оценить режим течения, вычислив числа Грасгофа, Релея и Прандтля. Числа Грасгофа и Релея показывают, что режим течения ламинарный при характериной скорости движения 0,2 м/с. Что касается числа Прандтля, оно указывает на то, что вязкость не влияет на силы плавучести, действующие в воздухе, и что толщина погранслоя составляет около 3 мм.

Для получения дополнительной информации об оценке режима течения загрузите документацию для модели из Галереи приложений.

Примечание. В учебной модели Свободная конвекция воды рассматривается похожая модель с водой вместо воздуха.

Изучение результатов двумерного и трехмерного моделирования

Давайте сначала посмотрим на результаты, описывающие величину скорости воздуха в двухмерном квадрате. На левом рисунке ниже видно, что максимальное значение скорости воздуха 0,05 м/с достигается вблизи левой и правой границ. Хотя это значение немного ниже расчетной скорости, вычисленной с использованием чисел Грасгофа и Релея, это все-таки величина того же порядка. Кроме того, толщина пограничного слоя (3 мм) соответствует оценке, следующей из числа Прандтля.

Velocity of air 2D Square Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®
Velocity profile air 2D Square Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®

Величина скорости (слева) и профиль скорости (справа) воздуха в двухмерном квадрате

Как показано ниже, результаты для величины скорости в трехмерном кубе аналогичны результатам для двухмерного квадрата.

Velocity cube simulation results Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®
Величина скорости в кубе

Далее, давайте посмотрим на результаты расчета температуры в двумерной задаче. Одна конвективная ячейка заполняет квадрат, когда воздух течет по краям. Можно заметить, что скорость воздуха выше у левой и правой границ, где разница температур наибольшая.

Temperature field in 2D Square Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®
Поле температуры в квадрате

Трехмерные результаты показывают несколько иной сценарий. В кубе имеются небольшие конвективные ячейки в углах вертикальной плоскости, перпендикулярной нагретым сторонам. Как уже упоминалось, это различие, вероятно, связано с тем, как передняя и задняя стороны в кубе влияют на воздушный поток.

buoyancy natural convection in air Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®
Поля температуры и скорости в трехмерном кубе

Следующий шаг

В этом примере геометрические модели довольно просты, но он помогает вам получить базовые знания для моделирования свободной конвекции в более сложных моделях, описывающих реальные прикладные задачи.

Для получения дополнительной информации об этом примере перейдите в Галерею приложений, нажав на кнопку выше. Оттуда можно загрузить MPH-файл и пошаговые инструкции для создания модели.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги