Тепловой анализ с помощью инструментов модуля «Теплопередача»

Механизмы теплообмена

Все функциональные возможности модуля «Теплопередача» связаны с моделированием трёх механизмов переноса теплоты: теплопроводности, конвекции и излучения. Коэффициент теплопроводности материала можно задать как изотропную или анизотропную величину, которая описывается постоянным значением или функцией температуры. Конвекция, обусловленная макроскопическим движением жидкости или газа, может быть вынужденной или свободной (естественной). В расчётных моделях можно учесть теплообмен излучением между поверхностями в прозрачной среде или перенос излучения в полупрозрачных средах.

В реальных физических процессах перечисленные выше механизмы теплообмена реализуются в различных комбинациях, иногда все три одновременно, поэтому тепловой анализ следует проводить с учётом всех механизмов переноса теплоты. Таким образом, для построения точных моделей необходимо решать комплексные системы дифференциальных уравнений. С помощью специально разработанных инструментов модуля «Теплопередача» вы сможете моделировать тепловые процессы любого интересующего вас типа.

Увеличенное изображение модели нагревательного контура, на котором показано распределение температуры и деформация вследствие эффекта Джоуля.

Увеличенное изображение модели кожухо-трубного теплообменника, на котором показаны линии тока жидкости и распределение температуры по поверхности теплообменника.

Увеличенное изображение модели нагрева холодильников солнечным излучением с учётом эффекта затенения.

Увеличенное изображение модели радиатора, на котором показано поле течения и распределение плотности потока излучения на поверхности радиатора.

Область применения модуля «Теплопередача»

Мультифизическое моделирование источников теплоты самых разных видов.

Увеличенное изображение модели токопроводящей шины, на котором показано распределение температуры.

Джоулев нагрев

Моделируйте омический нагрев в твёрдых телах, жидкостях, простых и многослойных оболочках.

Увеличенное изображение модели нагрева стальной заготовки, на котором показано распределение температуры при прохождении заготовки через индукционные катушки.

Индукционный нагрев¹

Моделируйте линейные индукционные нагреватели в задачах термической обработки металлов.

Модель волновода. Показана волна с использованием красно-бело-голубой цветовой палитры и распределение температуры в диэлектрике с использованием красно-жёлто-белого цветового градиента.

Микроволновый нагрев²

Моделируйте микроволновый нагрев в волноводах, биологических тканях и в других системах.

Увеличенное изображение модели нагрева стеклянного цилиндра, на котором показаны интенсивность лазерного пучка и распределение температуры.

Лазерный нагрев³

Моделируйте лазерный нагрев и лазерную абляцию в различных технологических и биомедицинских процессах на основе закона Бугера-Ламберта-Бера.

Увеличенное изображение модели лопатки статора турбины, на котором показано распределение температуры.

Температурное напряжение⁴

Анализируйте эффекты термического расширения и температурного напряжения при различных условиях.

Увеличенное изображение модели электрического выключателя, на котором показаны линии электрического тока и распределение температуры.

Контактное сопротивление

Моделируйте контактное термическое сопротивление с учётом механического давления в месте контакта, полученного по результатам прочностного анализа.

Увеличенное изображение модели термоэлектрического охладителя, на котором показано распределение температуры.

Термоэлектрические явления

Моделируйте эффекты Пельте-Зеебека-Томсона в таких распространённых материалах, как теллурид висмута и теллурид свинца.

Увеличенное изображение модели теплообменника с оребрёнными трубами, на котором показано поле течения и распределение температуры в рёбрах.

Тонкие оболочки

Проводите тепловой анализ при проектировании электронных устройств и компонентов энергетических систем.

Увеличенное изображение модели гидродинамики и теплопередачи в трещине геотермального дублета.

Теплопередача в пористых средах

Моделируйте теплопроводность, конвекцию и дисперсию теплоты в пористой среде.

Увеличенное изображение модели теплового аккумулятора, на котором показано поле течения и распределение температуры в сосуде.

Неравновесное описание

Моделируйте теплопередачу в пористых средах в отсутствии локального термодинамического равновесия, например, при быстром течении в порах.

Увеличенное изображение модели блока питания компьютера с вентилятором и решёткой, на котором показаны линии тока воздуха и распределение температуры в компонентах устройства.

Охлаждение электроники

С помощью точного моделирования тепловых процессов анализируйте эффективность охлаждения устройств, чтобы избежать поломок вследствие перегрева.

Увеличенное изображение модели пластинчатого теплообменника, построенное с использованием цветовой палитры Heat Camera Light.

Теплообменные аппараты

Моделируйте перенос теплоты с помощью жидких теплоносителей, разделённых твёрдыми стенками.

Увеличенное изображение модели электрического зонда, на котором показаны линии электрического тока и изоповерхности поля температуры в окружающей ткани.

Медицина и биотехнологии

Анализируйте процессы медицинских технологий с учётом биоэффектов: абляция опухоли, кожная диагностика, некроз тканей.

Увеличенное изображение модели охлаждения стакана с горячей водой, на котором показаны линии тока воздуха и распределение температуры в стакане.

Испарительное охлаждение

Моделируйте перенос теплоты и влаги в воздухе с учётом испарения и конденсации, рассчитывайте давление насыщения.

Модель строительной конструкции. Показано распределение температуры в сечении с ипользованием цветовой палитры Heat Camera и векторное поле плотности теплового потока.

Термоменеджмент зданий

Анализируйте термические характеристики деревянных каркасов, оконных рам, пористых строительных материалов и других строительных конструкций.

Увеличенное изображение модели процесса лиофилизации, на котором показано распределение фаз в одном цилиндре и распределение температуры в другом.

Лиофилизация

Моделируйте сопряжённый тепло- и массоперенос для анализа движения границы раздела твёрдой и жидкой фаз в пористой среде.

Увеличенное изображением модели спутника на фоне Земли.

Тепловой анализ космических аппаратов

Рассчитывайте температурные поля в элементах конструкции космических аппаратов с учётом прямого солнечного излучения, альбедо и инфракрасного излучения планеты, а также с учётом теплообмена излучением между различными компонентами аппарата.

Требуется модуль AC/DC
Требуется модуль «Радиочастоты»
Требуется модуль «Волновая оптика»
Требуется модуль «Механика конструкций» или MEMS

Функциональные возможности модуля «Теплопередача»

Модуль «Теплопередача» предлагает специализированные функции для моделирования тепловых явлений и обеспечивает эффективный и удобный рабочий процесс построения расчётных моделей в COMSOL Multiphysics^®.

Окно настройки мультифизического узла Nonisothermal Flow и результаты расчёта теплообмена в модели радиатора.

Конвективный и сопряжённый теплообмен

В модуле «Теплопередача» представлены инструменты для моделирования неизотермических течений и сопряжённого теплообмена. Реализованы модели ламинарного и турбулентного режимов течения как при вынужденной, так и при свободной конвекции. Для моделирования свободной конвекции достаточно активировать учёт силы тяжести, включив опцию Gravity. Так же просто активируется учёт работы сил давления и вязкой диссипации.

Для моделирования турбулентности используются осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) и модели турбулентной вязкости: стандартная и низкорейнольдсовая k-ε-модели, алгебраические модели Y+ и LVEL. При подключении модуля «Вычислительная гидродинамика» доступны дополнительные модели турбулентности: реалистичная k-ε, k-ω, модель переноса касательного напряжения (SST), v2-f и Спаларта-Аллмареса. 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.

Окно настройки узла Phase Change Interface и графическое окно, в котором показан результат использования функции Phase Change Interface.

Фазовые переходы

Для моделирования фазовых переходов в модуле «Теплопередача» представлено два метода. Модель кажущейся теплоёмкости Phase Change Material позволяет учесть изменение свойств материала и теплоту фазового перехода, а также изменение объёма материала и топологии межфазной границы.

Альтернативный подход реализован в модели Phase Change Interface. Здесь 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.

Показаны мультифизический интерфейс Layered Thermal Expansion и распределение температуры и деформаций в графическом окне.

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.

Для работы со слоистыми материалами имеются специальные инструменты подготовки модели. С их помощью можно детально описать свойства слоёв, сохранить в файл или загрузить из файла готовые конфигурации, а также просматривать схемы, отображающие структуру многослойного материала. Результаты моделирования можно визуализировать так, как если бы они были получены с использованием трёхмерных моделей. Инструменты моделирования слоистых материалов включены в состав модуля AC/DC и модуля «Механика конструкций». Благодаря этому можно строить мультифизические модели, например, электромагнитного нагрева или термического расширения таких материалов. Для постановки условия непрерывности на границах между доменами, температура в которых рассчитывается с помощью интерфейсов Heat Transfer, и поверхностями, температура которых рассчитывается с помощью интерфейса Heat Transfer in Shells, можно использовать узел мультифизической связи Thermal Connection.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и интерфейс Lumped Thermal System с выделенным узлом Lumped System Connector, а также графическое окно, где показано сравнение результатов расчёта.

Сосредоточенные тепловые модели

Модуль «Теплопередача» содержит инструменты для построения тепловых схем и расчёта теплового потока и распределения температуры в их узлах. Интерфейс Lumped Thermal System позволяет использовать такие сосредоточенные параметры, как термическое сопротивление, тепловой поток и количество теплоты. В рамках этих моделей зависимыми переменными, относительно которых решается уравнение сохранения энергии, являются температура и тепловой поток.

Дерево модели с выбранным интерфейсом Surface-to-Surface Radiation и графическое окно, в котором показаны результаты моделирования в виде распределения плотности потока солнечного излучения по поверхности зонта и холодильников.

Теплообмен излучением в прозрачной среде

Для моделирования теплообмена излучением между поверхностями в прозрачной среде с учётом диффузного и смешанного диффузно-зеркального отражения, а также в полупрозрачных слоях, в модуле «Теплопередача» используется метод излучательности. С его помощью можно решать задачи в двумерной, двумерной осесимметричной и трёхмерной постановках. В полостях и между поверхностями воздействие излучения можно рассчитать с помощью узла Fluence Rate.

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 доступны условия плоской или секторной симметрии. Если геометрия расчётной области изменяется в процессе моделирования, например, при использовании подвижной сетки, угловые коэффициенты пересчитываются автоматически.

Интерфейс Radiation in Participating Media и графическое окно, в котором показано распределение падающего излучения на стекланную пластину.

Излучение в полупрозрачных средах

Модуль «Теплопередача» содержит инструменты для решения задач о теплообмене излучением в полупрозрачных средах различных типов. Можно моделировать перенос излучения в активных, поглощающих и рассеивающих средах, а также распространение пучков лучей в поглощающей среде.

Перенос излучения в полупрозрачных средах можно рассчитать с помощью приближения Росселанда (лучистой теплопроводности), метода сферических гармоник (P1-приближение) или метода дискретных ординат (DOM). Методы сферических гармоник и дискретных ординат также применяются для моделирования переноса излучения в поглощающих и рассеивающих средах, например для моделирования диффузии света в неизлучающей среде. Распространение светового пучка в поглощающих средах описывается законом Бугера-Ламберта-Бера. Это явление можно моделировать как отдельно, так и в комбинации с другими механизмами теплопередачи.

Три мультифизических узла в модели переноса влаги и результаты моделирования испарительного охлаждения стакана с горячей водой в виде распределения концентрации пара.

Перенос влаги

Для сопряжённого анализа переноса теплоты и влаги в модуле «Теплопередача» реализованы широкие возможности мультифизического моделирования теплообмена во влажных потоках, в строительных материалах с учётом влагосодержания, во влажном воздухе, а также в гигроскопических пористых средах. Для анализа этих процессов предусмотрены интерфейсы переноса влаги в воздухе и во влажной пористой среде, в том числе в неизотермических условиях. С их помощью можно моделировать испарение и конденсацию влаги на твёрдых поверхностях, а также анализировать аккумулирование теплоты и влаги с учетом тепловых эффектов, диффузии и массопереноса.

Увеличенное изображение окна настройки узла Planet Properties и модели спутника в графическом окне.

Орбитальные тепловые нагрузки

Интерфейс Orbital Thermal Loads содержит готовые функции для моделирования тепловых нагрузок, обусловленных излучением, прежде всего, излучением Солнца и Земли, на орбитальные космические аппараты. При настройке этого интерфейса можно задать излучательные свойства корпуса аппарата, параметры его орбиты и ориентации в пространстве, а также орбитальные маневры и свойства планеты. С помощью физического интерфейса можно рассчитать такие показатели, как прямое солнечное излучение, альбедо, инфракрасное излучение планеты, а также учесть теплообмен излучением между различными компонентами конструкции космического аппарата. По совместном использовании с интерфейсом теплопередачи можно смоделировать перенос теплоты в твёрдых элементах конструкции аппарата за счёт теплопроводности.

Теплопередача

Механизмы теплообмена