Семейство продуктов COMSOL®

 

Анализируйте тепловые процессы с помощью модуля «Теплопередача»

 

Современные инструменты моделирования теплопередачи

В модуле «Теплопередача», входящем в состав программного продукта COMSOL Multiphysics®, можно выполнить анализ теплопередачи теплопроводностью, конвекцией и излучением. Модуль «Теплопередача» содержит полный набор инструментов для выполнения тепловых расчетов и анализа влияния тепловых нагрузок. Можно найти распределение температуры и потока теплоты в устройствах, компонентах и зданиях. Для виртуального исследования реальных характеристик системы или устройства в рамках одной расчётной модели можно с лёгкостью связать несколько физических воздействий благодаря встроенным инструментам мультифизического моделирования.

Специализированные функции теплового анализа

Неизотермическое течение и сопряженный теплообмен

В модуле «Теплопередача» предусмотрены инструменты для моделирования неизотермических течений и сопряжённого теплообмена. С их помощью можно моделировать, например, теплообменные аппараты, системы охлаждения электроники и энергосберегающие устройства.

Реализованы модели ламинарного и турбулентного режимов течения как при вынужденной, так и при свободной конвекции. Предусмотрена возможность учёта влияния вязкой диссипации и работы сил давления на распределение температуры. Для моделирования турбулентности используются осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье — Стокса (RANS) и модели турбулентной вязкости, такие как k-ε, низкорейнольдсовая k-ε, алгебраические Y+ и LVEL. При совместном использовании с модулем «Вычислительная гидродинамика» также доступны дополнительные модели турбулентности: реалистичная k-ε, k-ω, модель переноса касательного напряжения (SST), v2-f и Спаларта-Аллмараса.

Сопряжение на границе раздела жидкой и твёрдой фаз осуществляется автоматически с использованием условий непрерывности, пристеночных функций или автоматического выбора модели пристеночной области в зависимости от используемой модели течения. Для моделирования свободной конвекции достаточно активировать учёт силы тяжести.

Пример моделирования неизотермического течения с помощью модуля «Теплопередача» COMSOL Multiphysics Модель кожухотрубного теплообменника с двумя теплоносителями

Тонкие слои и оболочки

Модуль «Теплопередача» содержит специальные модели тонких слоёв и инструменты моделирования слоистых материалов. С их помощью можно легко воспроизвести сложные структуры и проанализировать теплопередачу в слоях, толщина которых много меньше геометрических размеров других компонентов расчётной модели. Этот инструментарий применим к тонким слоям, оболочкам, тонким плёнкам и трещинам.

Для описания одиночных слоёв доступно несколько моделей. Для материалов с высокой теплопроводностью можно использовать модель термически тонкого слоя. В таком слое перенос теплоты осуществляется преимущественно в тангенциальном направлении, а изменением температуры по толщине слоя можно пренебречь. Модель термически толстого слоя, напротив, описывает материалы с низкой теплопроводностью, которые имеют значительное термическое сопротивление в направлении, перпендикулярном к поверхности слоя. В этом случае рассчитывается разность температур между двумя противоположными сторонами слоя. Наконец, в обобщённой модели используется полная форма уравнений теплопроводности, поэтому она является наиболее точной и универсальной. В слоистых материалах источники теплоты можно задавать так же, как и в обычных доменах модели. В частности, в слоях и на границах между слоями можно задавать источники или стоки теплоты, а на обеих сторонах оболочек — плотность теплового потока или условия теплообмена излучением.

Для подробного описания и отображения структуры слоистого материала, а также для сохранения и загрузки в файл настроенных конфигураций имеются специальные инструменты. Кроме того, с помощью универсальных средств визуализации результаты моделирования тонких слоистых структур можно представить так, как если бы они были получены с использованием трёхмерных моделей. В частности, можно строить поверхностные графики, графики в сечениях и графики распределения по толщине слоя. Инструменты моделирования слоистых материалов включены в состав модуля AC/DC и модуля «Механика конструкций», что позволяет строить мультифизические модели, например, электромагнитного нагрева или термического расширения таких материалов.

Теплообмен излучением в прозрачной среде

Для моделирования теплообмена излучением между поверхностями с учётом диффузного и смешанного диффузно-зеркального отражения, а также в полупрозрачных слоях в модуле «Теплопередача» реализован метод излучательности. С его помощью можно решать задачи в двумерной и трёхмерной постановках, а также в двумерной осесимметричной постановке для диффузно-отражающих поверхностей. Свойства поверхности могут быть заданы как функции от температуры, длины волны излучения, угла падения луча или любой другой модельной переменной. Характеристики прозрачности можно задать в произвольном количестве спектральных диапазонов.

Для учёта солнечного излучения и излучения в окружающую среду доступны специальные опции, которые позволяют задать разный коэффициент поглощения (степень черноты) для коротковолнового (характерного для солнечного излучения) и длинноволнового (характерного для излучения окружающей среды) частей спектра. Кроме того, по географическому положению и времени суток можно легко определить направление солнечного излучения.

Угловые коэффициенты излучения рассчитываются методом полукуба, методом трассировки луча или прямым интегрированием по поверхности. Для экономии вычислительных ресурсов при моделировании можно использовать условия плоской или секторной симметрии. Если геометрия расчётной области изменяется в процессе моделирования, например, при использовании подвижной сетки, угловые коэффициенты излучения пересчитываются автоматически.

 

Фазовые переходы

Использование модуля «Теплопередача» существенно упрощает моделирование фазовых переходов при решении задач теплового анализа. Можно использовать модель кажущейся теплоёмкости Phase Change Material, в которой учитываются изменения свойств материала и теплота фазового перехода, а также изменение объёма материала и топологии межфазной границы.

Альтернативный подход реализован в модели Phase Change Interface. В этом случае скорость межфазной границы рассчитывается из условия энергетического равновесия Стефана на границе раздела фаз, при этом фазы могут иметь разные значения плотности. В комбинации с методом подвижной сетки этот подход крайне эффективен для моделирования фазовых переходов при условии сохранения топологии межфазной границы.

Анализ процессов теплопроводности, конвекции и излучения

Инструменты модуля «Теплопередача» позволяют проводить детальный анализ всех трёх механизмов переноса теплоты, расширяя спектр задач, которые можно решать с помощью базовой платформы COMSOL Multiphysics®.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала можно задать как изотропную или анизотропную величину, которая описывается постоянным значением или функцией температуры (или любой другой модельной переменной).

Конвекция

Моделируется конвективный перенос теплоты, обусловленный макроскопическим движением жидкости или газа. Можно учесть работу сил давления и вязкую диссипацию, а также смоделировать вынужденную и свободную конвекцию.

Излучение

В модуле «Теплопередача» для расчёта теплообмена излучением между поверхностями в прозрачной среде используется метод излучательности, а перенос излучения в недиатермических средах моделируется с помощью методов Росселанда, сферических гармоник (P1-приближение) и метода дискретных ординат. Методы сферических гармоник и дискретных ординат также применяются для расчёта излучения в поглощающей и рассеивающей среде, например, для моделирования диффузии света в неизлучающей среде. Для описания распространения светового пучка в поглощающих средах используется закон Бугера — Ламберта — Бера. Это явление можно моделировать совместно с другими механизмами теплопередачи.

Поля скорости и температуры в светодиодной лампочке Результаты теплового анализа светодиодной лампочки. Показано распределение температуры на поверхности печатной платы и LED-чипов, а также поле температуры воздуха в колбе лампы. Линии тока снаружи колбы отображают величину скорости, а стрелки внутри колбы визуализируют направление движения воздуха.

Какие задачи позволяет решать модуль «Теплопередача»?

В случаях, когда расчёт теплопередачи является основной целью исследования или входит в состав более объёмного и сложного анализа, почти наверняка потребуется изучение нескольких физических явлений одновременно. С помощью инструментов мультифизического моделирования COMSOL® можно выполнить полный и тщательный анализ в единой среде моделирования, последовательно рассматривая все физические явления. Интуитивно понятный инструментарий позволяет учесть процессы переноса теплоты при моделировании любых физических процессов в исследуемой системе.

Следующие примеры демонстрируют лишь некоторые возможности численного анализа в COMSOL Multiphysics®, дополненном модулем «Теплопередача».

Для моделирования различных режимов электромагнитного нагрева уравнения теплопередачи решаются совместно с уравнениями, описывающими электромагнитное поле. Инструменты модуля «Теплопередача» позволяют анализировать процессы резистивного, индукционного и микроволнового режимов нагрева.

Результаты такого мультифизического моделирования будут полезны при проектировании и анализе работы подземных кабелей, плавких предохранителей, катушек индуктивности, и во многих других задачах.

Для расширения возможностей моделирования электромагнитного нагрева функции модуля «Теплопередача» можно дополнить функциями, представленными в модулях AC/DC, «Радиочастоты», «Геометрическая оптика» и «Волновая оптика».

Пример моделирования электромагнитного нагрева в линейном индукционном нагревателе В модели линейного индукционного нагревателя магнитное поле (круглая секция), создаваемое током, проходящим через обмотку, вызывает повышение температуры в четырёх трубах.

В интерфейсах модуля «Теплопередача» реализованы надёжные методики моделирования теплопередачи в пористых средах с учётом теплопроводности твёрдой матрицы и теплопроводности и конвекции подвижной фазы, заполняющей поры. Для автоматического расчёта эффективных характеристик и свойств пористой среды на основе соответствующих свойств твёрдой и жидкой фаз представлены различные методы осреднения. Встроенные функции позволяют также смоделировать рассеивание теплоты в пористой среде, обусловленное извилистой траекторией движения жидкости в порах.

Чтобы рассчитать конвективный теплоперенос в пористой среде, интерфейсы модуля «Теплопередача» можно использовать совместно с интерфейсами модулей «Вычислительная гидродинамика», «Течения в пористых средах» или «Течения в грунтах», в которых реализованы уравнения Дарси и Бринкмана.

В случае, когда условие локального термодинамического равновесия в пористой среде не применимо, можно воспользоваться специальным интерфейсом LTNE. В нём решаются отдельные уравнения для температуры жидкости и пористой матрицы с учётом условий теплообмена на границе раздела «жидкость — твердое тело» в порах.

Пример моделирования теплопередачи в пористых средах Модель неизотермического течения воды в трещине геотермального дублета как пример расчёта теплообмена в пористой среде

Тепловое расширение — очень распространённое явление, в результате которого в материале могут возникать значительные температурные напряжения. Этому эффекту нашлось полезное применение, например, оно используется для соединения деталей с натягом, а также на этом эффекте основана работа биметаллических температурных датчиков. Однако температурные напряжения могут быть и нежелательным явлением. Например, они могут отрицательно воздействовать на конструктивные элементы зданий, и тогда в конструкции должны быть предусмотрены температурные компенсаторы. Также негативному воздействию подвержены устройства, работающие в условиях больших перепадов температуры и циклических тепловых нагрузок.

Тепловой анализ позволяет оптимизировать конструкцию и, в зависимости от конкретной задачи, либо минимизировать тепловое расширение, либо, наоборот, сделать его максимальным. Выполнить моделирование теплового расширения и проанализировать его влияние на конструкцию можно с помощью мультифизических инструментов модуля «Теплопередача».

Если интерфейсы модуля «Механика конструкций» дополнить функциями модуля «Теплопередача», откроются новые возможности для анализа термонапряжённого состояния материала в устройствах, компонентах или системах; например, можно будет учесть конвективный теплообмен или смоделировать теплопередачу в тонких оболочках.

Доступны математические модели для расчёта контактного термического сопротивления, которое зависит среди прочего от механического давления в зоне контакта. Можно учесть вклад теплообмена излучением в малом зазоре между контактирующими поверхностями. Контактное давление и ширину зазора можно рассчитать на основе решения механической задачи.

Пример моделирования термического напряжения в программном обеспечении для проведения теплового анализа График распределения температуры на лопатке статора турбины, подверженной термической деформации

Термоэлектрические эффекты Пельтье — Зеебека — Томсона можно моделировать путем связывания физических интерфейсов, предназначенных для расчёта электрических токов и температуры в твёрдых телах.

Необходимые для расчёта свойства можно загрузить из библиотеки термоэлектрических материалов, в которой представлены такие вещества, как например, теллурид висмута и теллурид свинца. Кроме того, всегда можно задать свойства материалов самостоятельно. Подключение дополнительного модуля AC/DC обеспечит расширенные возможности моделирования электрических токов и полей.

Пример моделирования термоэлектрического эффекта с помощью программного пакета COMSOL Термоэлектрический охладитель. График распределения температуры построен на термоэлектрических элементах. Конусы показывают направление электрического тока в устройстве

Инструменты модуля «Теплопередача» позволяют анализировать эффективность систем охлаждения, что особенно актуально при выполнении исследований, связанных с проектированием электронных устройств и компонентов, например микросхем или систем электропитания. Моделирование различных механизмов теплопередачи поможет найти оптимальные рабочие характеристики и условия эксплуатации. Можно моделировать системы охлаждения на тепловых трубках, которые используются в микроэлектронике и в компьютерах.

Моделирование охлаждения электронного оборудования должно быть точным и рациональным. Некорректные результаты численного анализа в дальнейшем могут привести к отказам оборудования или к неэффективной его компоновке. Модуль «Теплопередача» позволяет моделировать системы охлаждения с высокой точностью и вычислительной эффективностью. С помощью библиотеки деталей радиаторов охлаждения, входящей в состав модуля, можно легко создавать сложные геометрические модели.

Пример моделирования охлаждения электронных компонентов блока питания в COMSOL Распределение температуры внутри блока питания компьютера. В модели рассчитывается принудительное охлаждение устройства воздухом. Поток создается вентилятором, воздух поступает внутрь корпуса через решётку, закрывающую входное отверстие

Теплообменные аппараты широко применяются в различных отраслях промышленности. Теплообменники используются для водоподготовки, при переработке природных ресурсов, в ядерной энергетике, при производстве пищевых продуктов и напитков, в составе холодильного оборудования и во многих других областях.

В состав библиотеки приложений включены учебные модели для нескольких типов теплообменников:

  • Концентрические трубчатые теплообменники
  • Теплообменники типа «труба в трубе»
  • Кожухотрубные теплообменники
  • Компактные теплообменники
  • Оребрённые трубчатые теплообменники

Для расчёта теплообменника необходимо учесть перенос теплоты в твёрдых элементах конструкции и в подвижном теплоносителе. Твёрдые стенки разделяют потоки, чтобы обеспечить теплообмен без смешивания теплоносителей, которые переносят энергию на большие расстояния. Физические интерфейсы COMSOL Multiphysics® позволяют моделировать процессы в таких аппаратах, в том числе вынужденную конвекцию и фазовые переходы.

Теплообменник с поперечным током теплоносителя, смоделированный с помощью среды COMSOL Multiphysics и модуля Теплопередача Визуализация поля скорости жидкости (в виде графиков скалярного поля) и распределения температуры (в виде изоповерхностей) в теплообменнике с перекрёстным током теплоносителей
Пример моделирования теплопередачи в теплообменном аппарате с помощью среды COMSOL Multiphysics® Визуализация поля скорости жидкости (в виде стрелок) и распределения температуры (в виде изоповерхностей и линий тока) в теплообменном аппарате
Теплообменник типа «труба в трубе», смоделированный с помощью среды COMSOL Multiphysics и модуля Теплопередача Визуализация поля скорости течения во внутренней трубе (в виде стрелок) и распределения температуры во внешней трубе (в виде поверхностей) в теплообменнике типа «труба в трубе»
Теплопередача в оребренной трубе, смоделированная с помощью  COMSOL Multiphysics® и модуля Теплопередача Визуализация расхода жидкости (в виде конусов) и распределения температуры (в виде поверхностей) в оребрённой трубе

Разработка систем управления тепловыми режимами является неотъемлемым этапом проектирования зданий, поскольку инженеры должны учитывать колебания температуры и влажности в элементах конструкции здания. Модуль «Теплопередача» позволяет рассчитать температурные поля в деревянных каркасах, оконных рамах, пористых строительных материалах и в других компонентах здания. Встроенные инструменты помогут проанализировать условия конденсации и испарения влаги на поверхностях ограждающих конструкций здания.

Специальные инструменты модуля «Теплопередача» предназначены для оценки тепло- и влагоёмкости, тепловых эффектов испарения и конденсации, а также для моделирования диффузионного и конвективного переноса влаги, в том числе с учётом влияния турбулентного перемешивания.

Модель теплопередачи для теплового анализа строительных материалов Распределение температуры (поверхности и изоповерхности) и тепловой поток (стрелки) в ограждающей конструкции здания

С помощью моделирования теплопередачи можно анализировать различные процессы и явления в медицинской сфере, например, абляцию опухолей, работу кожных датчиков и некроз тканей. Специальные функции модуля «Теплопередача» позволяют моделировать тепловые процессы в биологических тканях.

В состав модуля входит интерфейс для решения уравнения переноса теплоты в биологических тканях и моделирования тепловых процессов с учётом свойств крови, скорости перфузии крови и интенсивности метаболического тепловыделения. В расчёт можно легко включить источники теплоты, обусловленные микроволновым, резистивным, лучевым нагревов или тепловым эффектом химических реакций.

Пример моделирования нагрева биологических тканей в программной среде COMSOL Multiphysics Анализируются характеристики излучения диэлектрического зонда конической формы, используемого для диагностики рака кожи, и колебания температуры кожной ткани

Процессы переноса влаги и испарительного охлаждения играют важную роль в технологиях, связанных с сушкой и испарением, в том числе в таких областях, как строительная физика и пищевая промышленность.

Для анализа этих процессов в модуле «Теплопередача» предусмотрены интерфейсы переноса влаги в воздухе и во влажной пористой среде, в том числе в неизотермических условиях. С их помощью можно рассчитать давление насыщения, учесть испарение влаги на поверхности твёрдого тела и в объёме пористой среды при моделировании испарительного охлаждения, и таким образом оценить влияние теплоты испарения на распределение температуры. Также доступен специализированный интерфейс для расчёта переноса теплоты и влаги в строительных материалах.

Пример моделирования испарительного охлаждения с помощью модуля «Теплопередача» Моделируется охлаждение стакана горячей воды потоком сухого воздуха комнатной температуры с учётом испарения воды

Эффективный анализ теплопередачи с помощью приложений для моделирования

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы посвятить новым проектам, если бы вам не приходилось выполнять однотипные расчёты для ваших коллег. С помощью среды разработки приложений, встроенной в COMSOL Multiphysics®, вы можете создавать приложения, которые упростят процесс моделирования, проконтролируют ввод исходных данных и вывод результатов расчёта. С помощью приложений ваши коллеги смогут проводить типовые расчёты самостоятельно.

В приложении легко задать новые расчётные параметры, например тепловые потоки, рабочие условия, свойства материалов или параметры геометрической модели. Моделирование можно выполнять столько раз, сколько это необходимо, без перенастройки всей расчётной модели. Приложения ускорят проведение ваших собственных исследований. Кроме того, открыв доступ к приложениям своим коллегам для самостоятельной работы, вы сэкономите время и силы для выполнения других задач.

Процедура проста:

  1. Преобразуйте вашу сложную модель теплопередачи в приложение с простым пользовательским интерфейсом
  2. Настройте приложение, добавив поля для ввода и вывода данных пользователя
  3. Предоставьте доступ к приложению вашим коллегам или клиентам с помощью COMSOL Server™ или COMSOL Compiler™
  4. Позвольте вашим коллегам или клиентам проводить расчёты и исследования без вашей помощи

Создавая и используя приложения, вы расширите возможности моделирования в пределах вашей рабочей группы, организации, учебного класса или клиентской базы.

Демонстрационное приложение Forced Air Cooling with Heat Sink (Принудительное охлаждение с радиатором), созданное с помощью среды разработки приложений COMSOL Multiphysics. Проверьте различные конфигурации радиатора с помощью приложения. Меняйте форму и размеры рёбер и основания радиатора, размеры канала и рабочие параметры; анализируйте поля скорости и температуры; рассчитайте рассеиваемую мощность и перепад давления

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг:
Запрос
информации
о программе