Модуль «Теплопередача»

Программное обеспечение для моделирования широкого класса задач о теплопередаче в твердых телах и жидкостях

Модуль «Теплопередача»

Распределение температуры в межтрубном пространстве и вдоль одной из труб теплообменника

Образование, поглощение и передача тепла

Модуль «Теплопередача» (Heat Transfer Module) помогает исследовать влияние нагрева и охлаждения на различные устройства, детали или процессы. Инструменты, которые содержит данный модуль, позволяют изучать механизмы теплопередачи — теплопроводность, конвекцию и излучение, зачастую вместе с другими физическими явлениями из области, например, механики конструкций, гидродинамики, электромагнетизма и химических реакций. В некотором смысле, модуль «Теплопередача» является общей платформой для решения задач из самых разных отраслей промышленности, когда выделение, поглощение или передача теплоты или иных видов энергии является определяющим или существенно важным процессом.

Теплофизические свойства веществ

Модуль «Теплопередача» содержит встроенную базу данных термодинамических и теплофизических свойств жидкостей и газов. В базе данных имеются сведения о теплопроводности, теплоемкости и плотности веществ. Кроме того, огромный массив экспериментальных и расчетных данных о свойствах более чем 2500 различных веществ и материалов содержится в отдельном модуле «Библиотека материалов» (Material Library), причем многие свойства, например, модуль Юнга и электрическая проводимость, определены как функции от температуры. Модуль «Теплопередача» также поддерживает импорт термодинамических и иных свойств веществ из приложений Excel® и MATLAB®, а также подключение внешних термодинамических баз данных с использованием интерфейсного стандарта CAPE-OPEN.


Дополнительные изображения с примерами:

  • Сопряженный теплообмен: вентилятор с перфорированной решеткой создает воздушный поток в корпусе блока питания компьютера для охлаждения внутренних деталей. Сопряженный теплообмен: вентилятор с перфорированной решеткой создает воздушный поток в корпусе блока питания компьютера для охлаждения внутренних деталей.
  • Тепловой контакт: контактный выключатель нагревается за счет джоулева тепловыделения. Тепловое и электрическое сопротивления в точке контакта зависят от механического контактного давления на поверхностях соприкосновения. Тепловой контакт: контактный выключатель нагревается за счет джоулева тепловыделения. Тепловое и электрическое сопротивления в точке контакта зависят от механического контактного давления на поверхностях соприкосновения.
  • Индукционный нагрев: высокая температура в печи с горячими стенками для производства полупроводников создается за счет индукционного нагрева. Учитываются излучение от поверхности к поверхности между прямоугольной пластиной и стенками печи, а также теплопроводность и конвекция. Индукционный нагрев: высокая температура в печи с горячими стенками для производства полупроводников создается за счет индукционного нагрева. Учитываются излучение от поверхности к поверхности между прямоугольной пластиной и стенками печи, а также теплопроводность и конвекция.
  • Излучение: неоднородность плотности, обусловленная переменной температурой, приводит к возникновению свободной конвекции аргона. Поле температур определяется связью теплового излучения и теплопередачи посредством теплопроводности и конвекции. Излучение: неоднородность плотности, обусловленная переменной температурой, приводит к возникновению свободной конвекции аргона. Поле температур определяется связью теплового излучения и теплопередачи посредством теплопроводности и конвекции.
  • Фазовый переход: стержень изо льда с одного конца поддерживается в замороженном состоянии, с другого — при температуре 80 °C. На графике показан температурный профиль за некоторый период времени с учетом скрытой теплоты плавления и различия свойств материала в твердом и жидком состоянии, таких как теплопроводность и теплоемкость. Фазовый переход: стержень изо льда с одного конца поддерживается в замороженном состоянии, с другого — при температуре 80 °C. На графике показан температурный профиль за некоторый период времени с учетом скрытой теплоты плавления и различия свойств материала в твердом и жидком состоянии, таких как теплопроводность и теплоемкость.
  • Тонкие слои: моделирование нагревательного контура, включающего джоулев нагрев постоянным током, теплопередачу и механический анализ конструкции тонкого резистивного слоя на массивной стеклянной пластине. Тонкие слои: моделирование нагревательного контура, включающего джоулев нагрев постоянным током, теплопередачу и механический анализ конструкции тонкого резистивного слоя на массивной стеклянной пластине.

Единый рабочий процесс

Модуль «Теплопередача» уникален, поскольку является специализированным инструментом для моделирования тепловых явлений в производственных процессах и элементах промышленного оборудования. COMSOL Multiphysics® использует единый подход к построению моделей как тепловых процессов, так и других физических явлений. Таким образом, вы получаете стандартный инструмент для взаимодействия с инженерами и техническими отделами, изучающими другие процессы в других областях физики. Независимо от того, с какими физическими явлениями вы и ваши коллеги имеете дело в конкретном случае, ваш рабочий процесс будет единообразным, понятным и будет включать следующие этапы:

  • Импорт или создание геометрии соответствующего устройства или системы
  • Выбор веществ или материалов из единого набора файлов с использованием постоянных, либо зависящих от температуры физических свойств
  • Оптимальное описание теплопередачи в моделируемой системе с помощью специализированных интерфейсов, которые могут устанавливать взаимосвязь с другими физическими явлениями, происходящими в данной системе
  • Учет в рамках одной модели разных физических явлений, связанных с переносом теплоты
  • Задание условий однозначности на границах расчетной области
  • Построение расчетной сетки и последующее использование этой же или производных сеток для различных вариантов моделирования
  • Запуск процесса решения с применением предварительно настроенного под конкретную задачу решателя
  • Обработка и визуализация полученных результатов, построение графиков и диаграмм, в том числе на основе результатов, полученных для различных вариантов задачи

Единая платформа для моделирования тепловых явлений в производственных процессах и элементах промышленного оборудования

Вместе с пакетом COMSOL Multiphysics® и множеством модулей расширения, компания COMSOL® предлагает универсальный инструмент для моделирования самых разных физических явлений. Например, Вы можете сначала рассчитать джоулев нагрев системы, потом — ее охлаждение воздухом, а затем температурные напряжения, возникшие в системе. Более того, можно моделировать все эти процессы одновременно.

Теплопередача — важное явление, которое обычно сопровождает другие физические процессы. Температурные поля вызывают возникновение термических напряжений, а электромагнитные поля являются причиной резистивного, индукционного, микроволнового и радиочастотного тепловыделения. Течение жидкости в различных деталях и компонентах оказывает определяющее влияние на их охлаждение, а изменение температуры существенно сказывается на физических свойствах веществ и их характеристиках при термообработке, например, при литье или сварке. Модуль теплопередачи включает в себя ряд пользовательских интерфейсов для облегчения моделирования теплопередачи в сочетании с другими явлениями и может интегрироваться с любыми другими модулями пакета COMSOL®.

Механизмы теплопередачи

Основное назначение модуля теплопередачи — решение уравнения сохранения энергии с учетом различных физических явлений, таких как диссипация механической энергии, фазовые переходы, джоулев нагрев или химические реакции, сопровождающиеся тепловым эффектом. В данном модуле имеются готовые физические интерфейсы, с помощью которых уравнение сохранения энергии решается на основе исходных параметров модели, заданных через графический пользовательский интерфейс (GUI). Как и во всех прочих интерфейсах пакета COMSOL Multiphysics®, здесь имеется возможность изменять исходные уравнения, чтобы обеспечить гибкую модификацию механизмов теплопередачи, задавать специфические источники тепла или подключать другие физические явления.

Теплопроводность

Модуль «Теплопередача» предоставляет средства для анализа переноса тепла за счет теплопроводности в твердых телах, жидкостях и газах, или в их комбинации, и содержит большой набор данных о теплопроводности различных веществ, часто с учетом ее зависимости от температуры. Кроме того, модуль позволяет моделировать перенос тепла теплопроводностью в анизотропных средах и телах сложной геометрической формы, что дает возможность с высокой точностью моделировать тепловые процессы, например, в композитных материалах.

Излучение

Специализированные алгоритмы модуля «Теплопередача» позволяют решать некоторые задачи о переносе тепла излучением, в том числе сопряженные задачи, когда теплообмен осуществляется также конвекцией и теплопроводностью. В модуле имеются инструменты для моделирования излучения с поверхности в окружающую среду, из окружающей среды на поверхность и с поверхности на поверхность в прозрачных, непрозрачных или взаимодействующих с излучением средах.

Для моделирования излучения между поверхностями в модуле применяется метод излучательности, а также учитываются поверхностные свойства, зависящие от длины волны, при этом одновременно можно рассматривать до пяти спектральных диапазонов в одной модели. Это удобно при моделировании солнечного излучения, когда показатель поглощения поверхностью коротких волн (соответствующих диапазону солнечного света) может отличаться от показателя излучения с поверхности более длинных волн (спектральный диапазон излучения внешней среды). Кроме того, для каждого спектрального диапазона можно определить характеристики прозрачности. Модуль также позволяет моделировать перенос тепла во взаимодействующих с излучением средах с учетом поглощения, выделения и рассеивания теплового излучения.

Конвекция

Если в системе имеются движущиеся массы жидкости или газа, тогда перенос тепла определяется еще одним механизмом — конвекцией, которая сопровождается появлением дополнительных источников теплоты, связанных с работой сил давления и вязкой диссипацией. Модуль «Теплопередача» позволяет с легкостью моделировать как вынужденную, так и свободную конвекцию. В нем имеется специальный физический интерфейс для расчета различных механизмов переноса тепла в твердых телах и жидкостях в рамках одной модели. В модуле реализованы интерфейсы для моделирования ламинарного и турбулентного режимов течения, причем в модуль включены стандартная и низкорейнольдсовая k-ε модели турбулентности. В любом из режимов неизотермического течения можно учесть действие сил плавучести, возникающих вследствие неоднородности плотности жидкости в поле действия массовых сил, например, силы тяжести. Использование дополнительного модуля «Вычислительная гидродинамика» (CFD Module) позволяет создавать более сложные модели неизотермического течения жидкостей и газов, в том числе с помощью дополнительных моделей турбулентности, моделей течения в пористых средах и двухфазных потоков.

Кроме того, в модуле «Теплопередача» имеются инструменты, которые помогут упростить расчет конвективного теплообмена в тех случаях, когда полное решение гидродинамических уравнений не дает преимущества в точности или требует чрезмерно большого объема вычислений. Модуль содержит встроенные библиотеки коэффициентов теплоотдачи, с помощью которых можно рассчитать перенос тепла на внешней границе моделируемой системы при вынужденной или естественной конвекции. В эти библиотеки включены соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи при внешнем обтекании объектов различных геометрических форм, например, труб или плоских поверхностей (вертикальных, наклонных и горизонтальных).

Теплопередача в пористых средах

Модуль «Теплопередача» позволяет моделировать перенос тепла не только в однофазных ламинарных и турбулентных потоках жидкости, но также и в пористых средах с учетом как теплопроводного, так и конвективного механизма теплопереноса в пористой матрице, в том числе на ее внешних границах. Пользователь может выбирать различные модели усреднения для определения эффективных коэффициентов и свойств, которые автоматически рассчитываются по соответствующим свойствам твердых, жидких и газовых фаз. Также реализована возможность анализа распространения тепла в пористой среде с учетом извилистой траектории просачивания жидкости через поры.

Перенос тепла в биологических системах

Модуль «Теплопередача» содержит физический интерфейс для расчета переноса тепла в биологических системах. Этот интерфейс представляет собой идеальный инструмент для моделирования тепловых явлений, возникающих при микроволновом, резистивном, химическом или радиационном нагреве тканей человеческого тела или других биологических систем. Среда моделирования COMSOL Multiphysics® позволяет легко передавать данные о температуре в другие физические интерфейсы для расчета свойств веществ, например, электрических свойств. Таким образом, можно решать сопряженные задачи, когда в моделируемой системе осуществляется сразу несколько взаимосвязанных физических процессов. Интерфейс для расчета переноса тепла в биосистемах позволяет учесть, среди прочего, различные фазовые переходы, например, некроз тканей.

Фазовые переходы

Осуществление фазовых переходов существенно усложняет моделирование процессов теплообмена. При фазовых превращениях положение и форма границы раздела фаз изменяются, и этот процесс довольно сложно рассчитать. Кроме того, переход вещества из одного фазового (агрегатного) состояния в другое сопровождается резким изменением физических свойств, в том числе теплопроводности, теплоемкости, плотности и вязкости. Значения названных величин для твердого, жидкого и газового фазовых состояний вещества могут отличаться на несколько порядков. Изменение агрегатного состояния вещества также сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты фазового перехода, и этот фактор должен быть обязательно учтен при расчете баланса тепла. Множество различных инструментов и физических интерфейсов, реализованных в пакете COMSOL Multiphysics® и модуле «Теплопередача», позволяют учесть подобные превращения и даже рассчитать изменение объема системы с помощью метода подвижных сеток. Кроме того, поддерживается автоматический расчет термодинамических свойств, позволяющий учесть резкое изменение свойств вещества при фазовом превращении и обеспечить непрерывность решения.

Контактное термическое сопротивление

Когда два твердых тела соприкасаются друг с другом, термическое сопротивление в месте их контакта определяется силой прижатия и шероховатостью соприкасающихся поверхностей. Шероховатость создает небольшие зазоры между поверхностями, которые препятствуют переносу тепла, а прижатие тел друг к другу приводит к уменьшению этих зазоров. В модуле «Теплопередача» реализованы физические интерфейсы для расчета контактного термического сопротивления, зависящего от внешней механической нагрузки, коэффициента теплопроводности в зазоре, а также от интенсивности излучения между поверхностями, разделенными небольшими зазорами. Интеграция модулей «Теплопередача» и «Механика конструкций» (Structural Mechanics Module) обеспечивает возможность непосредственного моделирования пятна контакта с учетом его тепловых и механических характеристик, в том числе теплового расширения.

Тонкие слои и оболочки

В моделируемой системе часто присутствуют элементы или области, геометрические размеры которых гораздо меньше размеров остальных элементов системы. В числе примеров — тонкие слои меди на печатных платах, стенки сосудов под давлением или тонкие изолирующие слои. В модуле «Теплопередача» имеются специальные средства моделирования подобных элементов, позволяющие сэкономить вычислительные ресурсы. Оболочки с высокой теплопроводностью используются в случаях, когда при теплопередаче имеется значительный перепад в продольных направлениях по слою или оболочке, а не по их толщине, что исключает необходимость построения сетки по толщине этого слоя или оболочки. При этом результаты данных решений связаны с трехмерными объектами, с которыми данный слой или оболочка находятся в контакте. Это могут быть либо тонкая стенка между двумя областями большего размера, либо выделенный объем и окружающая его среда, либо слой одного вещества на поверхности другого. Аналогичным образом физические интерфейсы для тонких слоев с высоким термическим сопротивлением позволяют легко моделировать материалы с низкой теплопроводностью.

Термоэлектрические явления

Материалы, обладающие термоэлектрическим эффектом, способны преобразовывать разность температур в электрическое напряжение, поскольку в тепловом потоке присутствуют носители заряда. И наоборот, разность потенциалов, приложенная к этим материалам, приводит к возникновению в них перепада температуры. Устройства, изготовленные из термоэлектрических материалов, часто используются для охлаждения электронных приборов или при изготовлении портативных холодильников. Кроме того, широкое применение нашли и термоэлектрические аккумуляторы.

Интерфейс для описания термоэлектрического эффекта в пакете COMSOL Multiphysics® является комбинацией интерфейсов «Электрические токи» и «Теплопередача в твердых телах». Пользователь получает доступ к полному спектру возможностей модуля теплопередачи, например, к расширенным граничным условиям и к анализу теплового излучения. Как и все прочие физические интерфейсы в продуктах COMSOL®, интерфейс «Термоэлектрический эффект» можно объединять с любыми другими физическими интерфейсами, например, с интерфейсом «Механика твердого тела». В модуле имеется описание свойств двух распространенных термоэлектрических материалов — теллурида висмута и теллурида свинца, но пользователь может легко добавить собственное описание свойств других термоэлектрических материалов.

Numerical Simulation-Based Topology Optimization Leads to Better Cooling of Electronic Components in Toyota Hybrid Vehicles

Cluster Simulation of Refrigeration Systems

Keeping LEDs Cool Gets More Manageable Through Simulation

Switching Made Easy

Multiphysics Simulation Helps Miele to Optimize Induction Stove Designs

Simulation Turns Up the Heat and Energy Efficiency at Whirlpool Corporation

Simulation Software Brings Big Changes to Cable Industry

Simulation-Based Engineering Fosters Innovation and Invention

Battery Simulation Propels Electric Cars in China

Around the Clock Solar Power

Battling Corrosion in Nuclear Waste Storage Facilities

Conjugate Heat Transfer

Multiphysics Analysis of a Burning Candle

Optimization Slashes Energy Consumption in Silicon-Based MEMS CO2 Detectors

COMSOL Assists Master Chef in Winning International Competition

Understanding the Origin of Uncertainty in Thermometer Calibration

When it’s Impossible to Take Actual Measurements, Multiphysics Provides the Answers

Multiphysics Software, a Versatile, Cost-Effective R&D Tool at Sharp

Doubling Beam Intensity Unlocks Rare Opportunities for Discovery at Fermi National Accelerator Laboratory

Innovative Thermal Insulation Techniques Bring Vaccines to the Developing World

Modeling of Complex Physics Speeds Chip Development

Continuous Casting: Optimizing Both Machine and Process with Simulation

Simulation Helps Improve Atmosphere Revitalization Systems for Manned Spacecraft

Using Multiphysics Simulation to Prevent Building Damage

Actuation Technique for Miniature Robots Developed using Multiphysics Simulation

Developing a New Microreactor for Organic Synthesis Using Microwave Heating

Keeping Cool: SRON Develops Thermal Calibration System for Deep-Space Telescope

Heat Sink

Shell-and-Tube Heat Exchanger

Forced Convection Cooling of an Enclosure with Fan and Grille

Phase Change

Heating Circuit

Fluid-Structure Interaction in Aluminum Extrusion

Tin Melting Front

Evaporation in Porous Media with Large Evaporation Rate

Forced Air Cooling with Heat Sink

Thermoelectric Cooler