Моделирование свободной конвекции воздуха в пакете COMSOL Multiphysics®

Bridget Paulus 07/02/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter 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

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль CFD Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Геометрическая оптика Модуль Механика конструкций Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Химические реакции Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Термовязкостная акустика Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта