Изменения в модуле Теплопередача

Для пользователей модуля Теплопередача в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a появились возможность использовать погодные данные при моделировании, гидростатический эффект при моделировании процессов сопряженной теплопередачи, новые материалы из базы данных Bioheat (Биологический нагрев) и многое другое. Подробное описание обновлений модуля Теплопередача представлено ниже.

Зависимые от времени климатические данные для более чем 6 000 станций (ASHRAE, 2013 г.)

В окне настроек интерфейса Теплопередача появился новый раздел под названием Ambient Settings (Настройки окружающей среды), который служит для задания таких переменных окружающей среды, как температура, относительная влажность, абсолютное давление, скорость ветра и освещенность солнечного излучения. После однократного определения этих переменных они становятся доступными для использования в качестве исходных данных в ряде инструментов всех интерфейсов модуля Теплопередача.

По умолчанию определение переменных выполняется пользователем (User defined). Также данные переменные могут быть вычислены на основании среднемесячных и среднечасовых значений, приведенных в руководстве ASHRAE 2013. Эти значения, полученные путем объединения данных метеорологических станций по всему миру, предоставлены Американским обществом инженеров отопительных и холодильных систем и систем кондиционирования воздуха (ASHRAE). Для выбора местоположения, определенного времени и условий окружающей среды служат несколько настроек. Благодаря этому доступ к большому объему данных по местоположению, релевантному вашей модели, становится быстрым и простым. Исходное состояние соответствует среднему значению для указанной даты и времени. Среди прочих доступных пользователю данных — максимальная и минимальная температура, зафиксированная выбранной станцией, или значения, соответствующие средним, но отклоняющиеся от них на единицу среднеквадратичного отклонения.

При выполнении анализа переходных процессов климатические данные автоматически синхронизируются с временным диапазоном решателя.

Погодные данные доступны в виде переменных для исходных данных нескольких инструментов. Например, в инструменте Heat Flux (Тепловой поток) данные о температуре, абсолютном давлении окружающей среды и скорости ветра могут использоваться в виде корреляций для определения коэффициента теплопередачи.

Задание условий окружающей среды на уровне интерфейса гарантирует их согласованность во всей модели, а также отсутствие необходимости определять дополнительные переменные для условий окружающей среды. Климатические данные могут быть использованы для проверки условий эксплуатации устройства на основании реальных данных. Благодаря возможности использовать совместно множество условий вы можете испытать поведение устройства как в экстремальных условиях эксплуатации, так и в обычных с желаемым запасом.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему зависимые от времени климатические данные (ASHRAE 2013):

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling /condensation_electronic_device_with_diffusion

Предварительно заданная опция для включения гидростатического эффекта в модели сопряженной теплопередачи

За гидростатический эффект, наблюдаемый при разности плотностей в жидкости, ответственна сила тяжести. Чаще всего разность давлений появляется при перепадах температуры в газе или жидкости. Естественная конвекция соответствует конфигурации, при которой поток создается гидростатическими силами; она является ключевым элементом для многих вариантов практического применения, например, энергосбережение (так как естественная конвекция вызывает движение жидкости, усиливающее теплопередачу и, соответственно, потери) или охлаждение электронных компонентов (преимуществами охлаждения на основе естественной конвекции, также известного как безвентиляторное охлаждение, являются отсутствие необходимости использовать механические устройства и отсутствие шума).

Новое свойство Gravity (Сила тяжести) из состава интерфейса Single-Phase Flow (Однофазный поток) позволяет добавить в модель влияние силы тяжести. При выборе данного свойства в дереве модели появляется подузел Gravity (Сила тяжести), дающий возможность редактировать ускорение свободного падения. Подузел Gravity определяет массовую силу, соответствующую силе тяжести во всех областях, где активен данный интерфейс.

Для связывания уравнения потока жидкости и силы тяжести имеются две формулы: формула относительного давления (используется по умолчанию) и формула приведенного давления. При выборе формулы относительного давления учитываются инструменты, использующие внешнее давление или внешнее общее напряжение для создания гидростатического давления (несжимаемый поток) или аппроксимации гидростатического давления (слабосжимаемый и сжимаемый потоки). При выборе приведенного давления уравнения потока определяются с помощью приведенного давления в качестве зависимой переменной. Это подходит для случаев, когда изменения гидростатической силы невелики по сравнению с ее абсолютным значением.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему гидростатический эффект при моделировании сопряженной теплопередачи:

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling/circuit_board_nat_3D

Мультифизическая связь процессов переноса тепла и влаги

Новый набор интерфейсов и инструментов служит для моделирования связанных процессов переноса тепла и влаги в строительных материалах с учетом процессов их накопления, скрытого действия тепла и жидкости, а также конвекционного переноса влаги. С помощью данной мультифизической связи возможно моделировать различные явления изменения влажности в компонентах сооружений. При моделировании поведения сооружения в теплое время года данный инструмент может использоваться для создания модели высыхания исходной строительной влаги, а также модели конденсации, вызванной миграцией влаги снаружи внутрь здания. При моделировании поведения сооружения в холодное время года данный инструмент может использоваться для создания модели аккумулирования влаги за счет внутрипоровой конденсации, вызванной диффузией.

Модель строительного материала

Данная модель является используемой по умолчанию функцией области интерфейса Heat Transfer in Building Materials (Теплопередача в строительных материалах) и может быть добавлена к любому интерфейсу теплопередачи. С помощью данной функции моделируется пористая среда, содержащая воду и влажный воздух, в соответствии с уравнениями в частных производных, содержащимися в стандарте EN 15026:2007 (Hygrothermal performance of building components and building elements - Assessment of moisture transfer by numerical simulation, «Гигротермальные характеристики компонентов и элементов зданий. Оценка передачи влаги путем числового моделирования», CEN, 2007).

Эффективные тепловые характеристики определяются по доле сухого материала и абсолютной влажности. Кроме того, перенос влаги и скрытая теплота испарения определяют члены уравнения, отвечающие за источник тепла и теплоотдачу.

Интерфейс Moisture Transport (Перенос влаги)

Интерфейс Moisture Transport (Перенос влаги) используется для моделирования соответствующих процессов. Функция области, используемая по умолчанию, Porous Medium (Пористая среда), учитывает процесс аккумулирования влаги, силы капиллярного всасывания, а также конвекционный перенос пара. Аналогично инструменту Building Material (Строительный материал) в нем используются уравнения из EN 15026.

Также интерфейс Moisture Transport (Перенос влаги) располагает инструментами для определения источника влаги (Moisture Source), тонкого барьера влаги (Thin Moisture Barrier), абсолютной влажности (Moisture Content) и влажного потока (Moisture Flux).

Сжимаемость однофазного потока

Новый инструмент Weakly compressible flow (Слабосжимаемый поток) представлен в качестве промежуточной опции между несжимаемым потоком с постоянной величиной плотности и сжимаемым потоком (Ma < 0,3), плотность которого может произвольно изменяться. При выборе данной функции величина плотности потока считается зависящей исключительно от температуры. В случае если в характеристиках материала задается зависимость плотности от давления, оно определяется как заданное в интерфейсе базовое давление.

Данное решение будет особенно полезным для моделирования газов в тех случаях, когда перепады давления слишком малы для того, чтобы оказать значимое влияние на плотность. Подобное типично для большинства ситуаций воздушного охлаждения с малой скоростью. В этом случае устранение зависимости давления от плотности может значительно улучшить производительность компьютера при выполнении вычислений.

Путь в Библиотеке приложений к примерам, использующим функции сжимаемости однофазного потока:

Heat_Transfer_Module/Applications/forced_air_cooling_with_heat_sink

Результаты моделирования воздушного охлаждения, в котором зависимость давления воздуха не учитывалась. На графике представлено поле температуры (Тепловая камера) и линии тока воздушного потока (Полярное сияние на Юпитере), толщина которых пропорциональна величине скорости.

Условие симметрии секторов для моделирования излучения типа «поверхность – поверхность»

Одним из способов сокращения затрат на вычисления при моделировании является использование симметричных плоскостей или секторов для упрощения геометрической структуры модели. Применимы граничные условия симметрии, использующиеся в моделировании на основе дифференциальных уравнений в частных производных. При этом моделирование излучения типа «поверхность – поверхность» требует оценки коэффициентов видимости, которая подразумевает реконструкцию всей геометрической структуры.

Для обхода данного требования введена новая опция Sectors of symmetry (Секторы симметрии), которая может быть использована как для двухмерных, так и трехмерных моделей, построенных с помощью опции Symmetry (Симметрия) инструмента Surface-to-Surface Radiation (Излучение типа «поверхность – поверхность»). Она поддерживает произвольное количество секторов и позволяет задать плоскость отражения для каждого сектора. С помощью данной опции вы можете улучшить производительность компьютера, выполняя вычисления и сохраняя коэффициенты видимости только для одного из симметричных секторов. Кроме того, число степеней свободы для остальных переменных в модели будет, соответственно, уменьшено.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему условие симметрии секторов для моделирования излучения типа «поверхность – поверхность»:

Heat_Transfer_Module/ Applications/inline_induction_heater

Мультифизическая связь Неизотермический поток теперь совместим с фазовыми переходами вещества

Классический способ моделирования движения жидкой фазы вещества на этапе фазового перехода заключается в решении уравнения потока жидкости во всей области фазового перехода вещества и последующем назначении определенных характеристик веществу в твердой фазе. Это гарантирует неподвижность твердой части вещества или его движение как жесткого тела. Для жидкой части определяются фактические характеристики, после чего может быть выполнен расчет потока жидкости. В COMSOL Multiphysics® версии 5.2a вы можете использовать мультифизическую связь Non-Isothermal Flow (Неизотермический поток) для сопряжения теплопередачи при фазовом переходе вещества с потоком жидкости.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему мультифизический интерфейс Non-Isothermal Flow (Неизотермический поток) совместно с подузлом Phase Change Material (Фазовый переход вещества):

Heat_Transfer_Module/Thermal_Processing/continuous_casting

Переработанная функция непрозрачности

Инструмент Opaque (Непрозрачная поверхность), используемый в моделировании излучения типа «поверхность – поверхность», был заменен новым инструментом Opacity (Непрозрачность), который доступен для всех основных функций области, включая Fluid (Жидкость) (ранее Heat Transfer in Fluids (Теплопередача в жидкости)), Phase Change Material (Фазовый переход вещества) (ранее Heat Transfer with Phase Change (Теплопередача при фазовом переходе)), Building Material (Строительный материал) и Isothermal Domain (Изотермическая область). Непрозрачность устанавливается путем выбора значения Transparent (Прозрачная поверхность) или Opaque (Непрозрачная поверхность) в окне настроек.

Теплопередача в тонких структурах

Тонкие структуры вводят в геометрическую модель высокие коэффициенты сжатия, ответственные, например, за сложные или искривленные сетки. В предыдущих версиях COMSOL Multiphysics® было возможно использовать модель оболочки для твердых тел посредством интерфейса Heat Transfer in Thin Shells (Теплопередача в тонких оболочках). В COMSOL Multiphysics® версии 5.2a вы также можете моделировать тонкие пленки (жидкость) и трещины (в пористой среде).

Интерфейсы Heat Transfer in Thin Films (Теплопередача в тонких пленках) и Heat Transfer in Fractures (Теплопередача в трещинах) представлены в подгруппе Thin Structures (Тонкие структуры) ветви Heat Transfer (Теплопередача) окна Select Physics (Выбор физических явлений). Интерфейс Heat Transfer in Thin Films (Теплопередача в тонких пленках) включает в себя уравнения теплопередачи в жидкостях. Скорость потока жидкости в пленке может быть задана вручную или получена из интерфейса Thin-Film Flow, Shell (Тонкопленочный поток, Оболочка). Интерфейс Heat Transfer in Fractures (Теплопередача в трещинах) содержит уравнения теплопередачи в пористой среде. Скорость потока жидкости в трещине может быть задана пользователем или вычислена посредством интерфейса Fracture Flow (Поток в трещине).

Общая формула для тонких пленок

В инструменте Thin Film (Тонкая пленка) представлена новая опция: General thin film (Обобщенная модель тонкой пленки). Данная модель обеспечивает дискретизацию поля температуры по толщине пленки. Новая опция определяет дополнительное измерение для учета изменений температуры в толще пленки. Вы можете использовать функцию Thin Film (Тонкая пленка) с любым интерфейсом теплопередачи, включая интерфейсы группы Thin Structures (Тонкие структуры). Практическое применение данной формулы возможно при моделировании подшипников или — в более широком смысле — в случаях, когда необходимо точное представление температурного профиля в пленке, особенно при наличии крупного источника тепла или перепадов температуры в толще пленки.

Функциональная возможность Pressure Work (Работа сил давления) теперь доступна для теплопередачи в пористых средах

Температура текучей составляющей пористой среды может меняться, если над ней совершается работа за счет перепада давления. Чтобы отразить это изменение в модели, функциональная возможность Pressure Work (Работа сил давления) теперь поддерживает не только свободное течение жидкости, но и пористые среды. Эта возможность доступна в узле Porous Medium (Пористая среда).

Добавлена поддержка температуры на боковых поверхностях тонких структур

В зависимости от вида аппроксимации в инструменте Thin Structure (Тонкая структура) температура на боковых поверхностях тонкой структуры может быть однородной (аппроксимация Thermally Thin (Термально тонкий слой)) или меняться в толще структуры (аппроксимация Thermally Thick (Термально толстый слой) или опция General (Обобщенная)). В COMSOL Multiphysics® 5.2a интерфейсы группы Thin Structure (Тонкая структура) были обновлены с тем, чтобы инструменты излучения типа «поверхность – поверхность» — Diffuse Surface (Рассеивающая поверхность), Diffuse Mirror (Рассеивающая зеркальная поверхность) или Prescribed Radiosity (Установленное диффузное отражение) — могли использовать температуру поверхности тонкой структуры со стороны испускания излучения. Значение температуры поверхности используется, например, для определения излучательной мощности поверхности, которая рассчитывается на основе закона Планка.

Библиотека материалов Bioheat (Биологический нагрев)

Содержание библиотеки Bioheat (Биологический нагрев) было дополнено следующими материалами:

  • Liver (porcine) (Печень (свиная))
  • Lung (Легкое)
    • Myocardium (human) (Миокард (человеческий))
  • Myocardium (porcine) (Миокард (свиной))
  • Renal cortex (Корковое вещество почки)
  • Renal medulla (Мочеотводящая зона почки)
  • Spleen (Селезенка)

Почти для всех представленных материалов температурно-зависимые характеристики вычисляются посредством линейных или полиномиальных значений; для остальных материалов указаны постоянные значения. Кроме того, были изменены характеристики материала Prostate (Простата).

Новое приложение: Inline Induction Heater (Поточный индукционный нагреватель)

Популярность ферритных нержавеющих сталей в пищевой промышленности продолжает расти благодаря их относительно невысокой и стабильной цене и отсутствию в составе никеля. Их коррозионная стойкость может быть улучшена добавлением хрома или молибдена, а наличие магнитных характеристик позволяет использовать новые методы в производстве продуктов питания.

Приложение Inline Induction Heater (Поточный индукционный нагреватель) вычисляет КПД устройств магнитной индукции для подогрева жидких пищевых продуктов, проходящих через несколько труб из ферритной нержавеющей стали. Кольцевая электромагнитная катушка намотана на комплект труб, по которому протекает и подогревается поток жидких пищевых продуктов. Магнитное поле, возникающее в результате прохождения тока через катушку, создает вихревые токи, ответственные за индуктивный нагрев. Затем тепло передается жидкости вследствие теплопроводности.

С помощью данного приложения вы сможете исследовать различные конфигурации набора труб, изменяя их количество, длину, толщину и материал, из которого они изготовлены. Также вы можете настроить катушку, задав количество витков, калибр проволоки, плотность тока и частоту возбуждения. Для оптимизации конструкции нагревателя приложение отображает значения общей максимальной температуры жидкости, минимальной температуры на выпуске, профиля средней температуры на выпуске и теплового КПД нагревателя.

Путь в Библиотеке приложений:

Heat_Transfer_Module/Applications/inline_induction_heater

Обновленная учебная модель: Evaporation in Porous Media with Large Evaporation Rates (Испарение в пористых средах с высокой интенсивностью)

Испарение в пористых средах является одним из важных процессов в пищевой и бумажной промышленности. Он требует учета множества физических явлений: потока жидкости, теплопередачи и переноса участвующих жидкостей и газов. Все эти явления прочно связаны, и для их моделирования в модуле Теплопередача можно использовать интерфейсы с заданным набором характеристик.

Данная учебная модель описывает произвольный случай высыхания пористого объекта под воздействием ламинарного потока воздуха. На впуске воздух сухой, но содержание влаги в нем увеличивается по мере прохождения сквозь пористую среду. Данная модель рассматривает дополнительные шаги, необходимые для создания мультифазного потока в пористых средах совместно с процессом перехода жидкости в газообразное состояние посредством испарения. Величина водонасыщения пористой среды рассчитывается в динамике.

Путь в Библиотеке приложений:

Heat_Transfer_Module/Phase_Change/evaporation_porous_media_large_rate