Семейство продуктов COMSOL®

 

Анализ тепловых воздействий с помощью модуля Теплопередача

 

Программное обеспечение для расширенного моделирования теплопередачи

В модуле Теплопередача, входящем в состав программного продукта COMSOL Multiphysics® platform, можно выполнить анализ теплопередачи теплопроводностью, конвекцией и излучением. Модуль Теплопередача содержит полный набор инструментов для выполнения тепловых расчетов и анализа влияния тепловых нагрузок. Можно моделировать поля распределения температур и потоки тепла в устройствах, компонентах и зданиях. Для виртуального исследования реальных характеристик системы или устройства можно с легкостью связать несколько физических воздействий в одной модели средствами мультифизического моделирования, входящих в состав программного обеспечения.

Специализированные инструменты теплового анализа

Неизотермическое течение и сопряженный теплообмен

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

Реализованы модели ламинарного и турбулентного режимов течения как при вынужденной, так и при свободной конвекции. Предусмотрена возможность учета влияния вязкой диссипации и работы сил давления на распределение температуры. Для моделирования турбулентности используются осредненные 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] (/cfd-module) также доступны дополнительные модели турбулентности — реалистичная k-ε, k-ω, переноса касательного напряжения (SST), v2-f и Спаларта-Аллмараса.

Сопряжение на границе раздела жидкой и твердой фаз осуществляется автоматически с использованием условий непрерывности, пристеночных функций или автоматического выбора модели пристеночной области в зависимости от модели потока. Учет свободной конвекции легко включается с помощью выбора опции Гравитация.

Пример моделирования неизотермического потока с помощью COMSOL Multiphysics и модуля Теплопередача Модель кожухотрубного теплообменника с двумя теплоносителями

Тонкие слои и оболочки

Для моделирования теплопередачи в тонких слоях и оболочках в модуле Теплопередача предусмотрены специальные инструменты, обеспечивающие эффективность и точность вычислений. С их помощью можно изучить теплопередачу в слоях, геометрически намного более тонких, чем остальные элементы модели, и избежать необходимости использования трехмерной сетки в этих тонких слоях.

Модель термически тонкого слоя используется для моделирования высокопроводящих материалов в случаях, когда участие слоя в процессе теплопередачи осуществляется в основном по касательной и когда разностью температур между сторонами слоев можно пренебречь. Модель термически толстого слоя, напротив, описывает низкопроводящие материалы, создающие термическое сопротивление в направлении, перпендикулярном поверхности слоя. В такой модели вычисляется разность температур между двумя сторонами слоя. Наконец, обощенная модель обеспечивает высокую точность и универсальность, поскольку включает полные тепловые уравнения.

В тонких слоях можно задавать те же тепловые нагрузки, что и в обычных доменах модели. В частности, на слоях можно задавать источники или стоки тепла, а тепловые потоки и теплообмен излучением можно задавать на обеих сторонах тоникх слоев.

Теплообмен излучением между телами в прозрачной среде

В модуле Теплопередача для моделирования теплообмена излучением между твердыми телами в прозрачной среде с двухмерной, двумерной осесимметричной и трехмерной геометрией используется метод излучательности. Свойства поверхности можно задать как функцию от температуры, длины волны излучения или любой другой модельной переменной. Также можно задать характеристики прозрачности в пяти спектральных диапазонах.

Для учета 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 или прямым интегрированием по поверхности. Для экономии вычислительных ресурсов при моделировании можно использовать условия симметрии. Если геометрия расчетной области изменяется в процессе моделирования, например, при использовании подвижной сетки, угловые коэффициенты излучения пересчитываются автоматически.

 

Фазовые переходы

Модуль Теплопередача позволяет анализировать процессы теплообмена при фазовых переходах. В узле Phase Change Material (Область фазового перехода) интерфейса Heat Transfer (Теплопередача) реализована модель кажущейся теплоемкости, которая используется для описания фазового перехода. Модель учитывает изменение свойств материала и теплоту фазового перехода, в том числе позволяет рассчитать изменение объема при помощи подвижных сеток.

Библиотека приложений COMSOL® содержит учебные модели, в которых скорость межфазной границы рассчитывается с помощью интерфейса Deformed Geometry (Изменяемая геометрия) и условия энергетического равновесия Стефана на границе раздела фаз.

Анализ процессов теплопроводности, конвекции и излучения

Модуль Теплопередача предназначается для подробного анализа различных механизмов переноса тепла и раширяет спектр задач, которые можно решать с помощью основной платформы моделирования COMSOL Multiphysics®.

Теплопроводность

Для описания свойств материала можно использовать изотропный или анизотропный коэффициент теплопроводности, заданный постоянным значением или функцией от температуры (или любой другой модельной переменной).

Конвекция

Учет конвективного переноса тепла, обусловленного движением жидкости или газа. Можно включить в модель расчет работы сил давления и вязкой диссипации, а также смоделировать вынужденную и свободную конвекцию. При включении опции учета гравитации в интерфейсе Single-Phase Flow (Однофазный поток) свободная конвекция моделируется автоматически.

Излучение

Для расчета теплообмена излучением между твердыми телами в прозрачной среде в модуле Теплопередача используется метод излучательности, а перенос излучения в недиатермических средах моделируется с помощью методов Росселанда, сферических гармоник (P1-приближение) и метода дискретных ординат. Для описания распространения пучка излучения в поглощающих средах используется закон Бэра — Ламберта. Это явление можно моделировать совместно с другими механизмами теплопередачи.

Пример моделирования переноса тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics и модуля Теплопередача. Модель свободной конвекции в электрической лампе, построенная с учетом переноса тепла теплопроводностью и излучением.

Что можно моделировать с помощью модуля Теплопередача

В случаях, когда расчет теплопередачи является основной целью исследования или входит в состав более объемного и сложного анализа, почти наверняка потребуется изучение нескольких физических воздействий одновременно. С помощью функций мультифизического моделирования программного обеспечения COMSOL® можно выполнить полный и тщательный анализ в единой среде моделирования, последовательно рассматривая все физические явления. С помощью интуитивно понятного подхода к моделированию можно учесть теплопередачу во всех физических явлениях, происходящих в исследуемой системе.

В следующих примерах рассмотрены лишь некоторые возможности анализа, доступные в COMSOL Multiphysics® и модуле Теплопередача.

Различные режимы электромагнитного нагрева моделируются с помощью совместного решения уравнений теплопередачи и электромагнитных полей. С помощью модуля Теплопередача можно проанализировать воздействие джоулева, индукционного и микроволнового нагрева.

Эти возможности мультифизического моделирования полезны при проектировании и анализе подземных кабелей, плавких предохранителей, катушек индуктивности, а также во многих других задачах.

Можно воспользоваться расширенными возможностями моделирования электромагнитного нагрева, используя модуль Теплопередача вместе со следующими модулями: модуль AC/DC, модуль Радиочастоты, модуль Геометрическая оптика и модуль 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 четырех трубах.

В модуле Теплопередача имеются интерфейсы, реализующие надежные методики моделирования теплопередачи в пористых средах с учетом теплопроводности и конвекции в твердой матрице и подвижной фазе, зполняющей поры. Можно выбрать различные методы осреднения, чтобы определить действующие характеристики теплопередачи, которые рассчитываются автоматически на основе соответствующих свойств твердых и жидких материалов. Можно также использовать встроенный функционал для расчета рассеивания тепла в пористых средах вследствие движения жидкости по извилистой траектории через поры.

Модуль Теплопередача можно использовать вместе с модулем Вычислительная гидродинамика и модулем Течения в пористых средах для расчета поля течения в пористых средах (закон Дарси и более общее уравнение Бринкмана) и сопряжения с моделью теплопередачи.

Для описания локального термодинамического равновесия можно использовать интерфейс LTNE, в котором реализованы уравнения для расчета полей температуры в жидкости и пористой матрице, а также условия сопряжения на границе раздела «жидкость — твердое тело» в порах.

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

Тепловое расширение — очень распространенное явление, следствием которого является возникновение значительных температурных напряжений. Это эффект может быть полезным, как например, при посадке с натягом и при использовании биметаллических температурных датчиков, но может бытть и нежелательным. Например, температурные напряжения могут отрицательно воздействовать на элементы конструкции зданий, из-за чего возникает необходимость в компенсационных стыках. Также негативное воздействие испытывают устройства, подверженные большим перепадам температурам и циклическим тепловым нагрузкам.

Тепловой анализ позволяет оптимизировать тепловое расширение так, чтобы свести его к минимуму или, наоборот, довести до максимума в зависимости от конкретной задачи. Это явление можно смоделировать и проанализировать с помощью модуля Теплопередача, благодаря мультифизическим связям.

При использовании модуля Теплопередача вместе с [модулем Механика конструкций] (/products/structural-mechanics-module) открывается больше возможностей для анализа термического напряжения в устройствах, компонентах или системах — например, расчет сопряженной теплопередачи или теплопередачи в тонких оболочках.

Имеются модели для расчета контакного термического сопротивления, которое зависит, в том числе, от механического давления в зоне контакта. Можно учесть вклад теплообмена излучением в малом зазоре между контактирующими поверхностями. Давление в месте контакта и ширина зазора определяются из 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 расчета электрических токов и температуры в твердых телах.

Необходимы для расчета свойства можно задать, используя библиотеку термоэлектрических материалов, в которой присутствуют такие вещества, как например, теллурид висмута и теллурид свинца. Кроме того, всегда можно задать свойства материалов самостоятельно или связать модуль AC/DC с модулем Теплопередача, чтобы обеспечить 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

Модуль Теплопередача позволяет моделировать системы охлаждения, что особенно актуально при выполнении исследований, связанных с проектированием электронных устройств и компонентов, например микросхем или систем электропитания. С помощью моделирования различных механизмов теплопередачи можно обеспечить оптимальные условия работы и повысить эффективность. COMSOL также позволяет моделировать процессы в тепловых трубках, используемых в микроэлектронике и компьютерах.

При анализе охлаждения электронного оборудования важно обеспечить эффективность и точность моделирования, чтобы избежать отказов и нерациональной компоновки. Модуль Теплопередача позволяет моделировать системы охлаждения с высокой точностью и вычислительной эффективностью. С помощью библиотеки деталей радиаторов охлаждения, включенной в состав модуля, можно с легкостью построить 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 решетку, закрывающую входное отверстие

Теплообменные аппараты нашли применение в самых разных областях, таких как водоподготовка, переработка природных ресурсов, ядерная энергетика, производство пищевых продуктов и напитков, охлаждение, заморозка и другие.

В Библиотеке приложений содержатся учебные модели для следующих типов теплообменников:

  • Концентрические теплообменники
  • Теплообменники типа «труба в трубе»
  • Кожухотрубные теплообменники
  • Компактные теплообменники
  • Оребренные трубы

При анализе теплообменника учитывается сочетание теплопередачи в теплоносителе и в твердых элементах конструкции. Теплоносители переносят энергию на большие расстояния, а твердые элементы разделяют их, обеспечивая теплообмен без смешивания. В программном обеспечении COMSOL Multiphysics® имеются физические интерфейсы, позволяющие смоделировать процессы, происходящие в таких устройствах, в том числе принудительную 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 перекрестным 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 оребренной трубе

Термоменеджмент — неотъемлемая часть проектирования зданий, поскольку проектировщикам необходимо учитывать колебания температуры и влажности в элементах конструкции здания. Модуль Теплопередача можно использовать для анализа температурных полей в деревянных каркасах, оконных рамах, пористых строительных материалах и других компонентах здания. Кроме того, имеются инструменты, которые можно использовать для анализа конденсации и испарения влаги на поверхностях здания.

В модуле Теплопередача предусмотрены специальные инструменты для анализа тепло- и влагоемкости, тепловых эффектов испарения и конденсации, а также диффузионного и конвективного переноса влаги. Можно моделировать конвекцию и диффузию, а также турбулентное смешение при переносе тепла и влаги в воздухе.

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 в модуле Теплопередача можно использовать для моделирования тепловых явлений в человеческих тканях.

С помощью COMSOL® можно решать уравнение переноса тепла в биотканях и моделировать тепловые эффекты с учетом свойств крови, скорости перфузии крови и метаболического тепловыделения. В анализ можно легко включить воздействия микроволнового, резистивного, лучевого нагрева и нагрева в результате 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

Испарительное охлаждение — это процесс, сопряженных с сушкой, испарением, в том числе и в таких областях, как строительная физика и пищевая промышленность.

В модуле Теплопередача предусмотрены возможности моделирования переноса влаги в воздухе в совокупности с неизотермическим потоком для анализа этих явлений. С помощью физических интерфейсов можно рассчитать давление насыщения, учесть испарение влаги с поверхности в процессе испарительного охлаждения, и таким образом смоделировать влияние теплоты испарения на поле температуры.

Пример моделирования испарительного охлаждения с помощью модуля Теплопередача Моделируется охлаждение стакана горячей воды потоком сухого воздуха комнатной температуры с учетом 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 расчеты для ваших коллег. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics®, вы можете создавать приложения, которые упрощают процесс моделирования, предоставляя возможность ограничивать набор входных данных и управлять выводом результатов расчета. С помощью приложений ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

В приложении можно легко изменять расчетные параметры, например, тепловой поток, рабочие условия, свойства материалов или параметры геометричекской модели, и выполнять моделирование столько раз, сколько это необходимо, без перенастройки всей расчетной модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Процедура проста:

  • Преобразуйте вашу сложную модель теплопередачи в приложение с простым пользовательским интерфейсом
  • Настройте приложение, добавляя поля для ввода и вывода нужных данных, которые будут доступны пользователям
  • Используйте продукт COMSOL Server™ для хранения и запуска приложений и откройте доступ вашим коллегам или клиентам
  • Позвольте вашим коллегам или клиентам выполнять свои расчеты и исследования без вашей помощи

С помощью приложений вы можете расширить возможности моделирования в пределах вашей рабочей группы, организации, учебного класса или для ваших клиентов.

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

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, 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 представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.