Новые функции модуля Теплопередача

Модуль Теплопередача в версии COMSOL Multiphysics® 5.3 содержит новые функции моделирования переноса тепла и влаги в воздухе, новый решатель для моделирования теплопередачи в частотной области и геометрические модели радиаторов охлаждения. Ниже можно ознакомиться с этими и другими функциями моделирования теплопередачи.

Перенос тепла и влаги

В версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics® содержится несколько новых функций для дальнейшего развития моделей переноса тепла и влаги в воздухе. Узел Moist Air (Влажный воздух) доступен в интерфейсах Heat Transfer in Moist Air (Теплопередача во влажном воздухе) и Moisture Transport (Перенос влаги). Этот узел предназначен для моделирования переноса влаги путем конвекции и диффузии в воздухе, а также турбулентного перемешивания, вызванного турбулентной диффузией при необходимости учета турбулентной конвекции влаги. Возможна взаимосвязь двух интерфейсов при использовании мультифизической опции Heat and Moisture (Тепло и влага). В этом случае перенос влаги и перенос тепла в воздухе автоматически связываются в областях, в которых заданы строительные материалы.

Конденсация и испарение воды на поверхностях также могут играть важную роль в приложениях, моделирующих перенос влаги в воздухе. Такие механизмы не только оказывают влияние на равновесие между паром и водой, они также значительно влияют на энергетический баланс из-за теплоты парообразования. Эти явления теперь легче учесть, используя граничные условия Wet surface (Смоченная поверхность) и Moist surface (Влажная поверхность).

Модель охлаждения испарением, построенная с использованием обновленного модуля Теплопередача. Моделирование испарения воды в стакане в теплом сухом потоке воздуха значительно упрощается, если использовать преднастроенные интерфейсы для расчета переноса тепла и влаги. Моделирование испарения воды в стакане в теплом сухом потоке воздуха значительно упрощается, если использовать преднастроенные интерфейсы для расчета переноса тепла и влаги.

** Путь в Библиотеке приложений к примеру, в котором используются новые опции для переноса тепла и влаги: **
Heat_Transfer_Module/Phase_Change_/evaporative_cooling

Теплопередача в частотной области

При воздействии периодических синусоидальных тепловых нагрузок на заданной частоте температурный отклик тела вблизи равновесной температуры можно считать периодическим, синусоидальным и такой же частоты. Такую нестационарную периодическую задачу можно заменить эквивалентной линейной стационарной задачей в частотной области, вычислительное решение которой менее затратно.

Интерфейсы теплопередачи теперь поддерживают решатель Frequency-Domain Perturbation (Возмущение в частотной области), который вычисляет гармонические колебания температуры вокруг равновесного состояния. Кроме того, для задания гармонических изменений в опцию Temperature (Температура) можно добавить подопцию Harmonic Perturbation (Гармоническое возмущение). Если выбрана подопция Harmonic Perturbation (Гармоническое возмущение), опции Heat Source (Источник тепла) и Boundary Heat Source (Источник тепла на границе) могут выступать как возмущающие нагрузки.

Геометрические модели радиаторов охлаждения

Обычно для охлаждения какого-либо устройства к нему присоединяют радиатор, который иногда комбинируют с вентилятором, чтобы усилить охлаждение. Библиотека деталей модуля Теплопередача теперь содержит различные параметризованные части геометрии для игольчатых радиаторов охлаждения и радиаторов с ребрами, в том числе с различными размерами на границах. С этими новыми деталями теперь легко добавить радиатор в любую модель.

Новые детали радиаторов охлаждения в библиотеке деталей модуля Теплопередача. Выборка деталей радиатора охлаждения из Библиотеки деталей модуля Теплопередача, включающая игольчатый радиатор охлаждения. Выборка деталей радиатора охлаждения из Библиотеки деталей модуля Теплопередача, включающая игольчатый радиатор охлаждения.

Путь в Библиотеке приложений для примера использования части из библиотеки частей модуля Теплопередача:
Heat_Transfer_Module/Tutorials/Forced_and_Natural_Convection/chip_cooling

Строительные материалы и хладагенты

Раздел Building (Строительство) Библиотеки материалов, который теперь доступен в модуле Теплопередача, предоставляет обычно используемые в строительстве материалы с типичными гигроскопическими и термическими свойствами. Эти материалы позволяют быстро создавать модели переноса тепла и влаги, используя максимально приближенные к настоящим свойства строительных материалов (см. рисунок). Свойства материалов включают теплоемкость, теплопроводность, плотность, влагосодержание, паропроницаемость и так далее. Кроме того, в базу материалов Liquid and Gases (Жидкости и газы) добавлены два новых хладагента: R-134A и R-22.

Необратимые изменения в твердых телах

Когда материал подвергается воздействию высоких или низких температур, его структура может необратимо измениться. Часть энергии преобразования может быть поглощена или высвобождена вследствие изменения материала или прошедшей химической реакции. Для моделирования необратимых преобразований, вызванных изменением температуры, предусмотрен узел Irreversible Transformation (Необратимое преобразование), распложенный в конекстном меню узла Solid domain (Твердотельная область). Реализованы две модели необратимых преобразования — Temperature threshold (Температурный порог) или Energy absorption (Поглощение энергии). Кроме этого, задавая изменение энтальпии, можно учесть выделение или потерю тепла во время преобразования в законе сохранения энергии. Наконец, можно определить тепловые свойства для преобразованного состояния.

Элементы серендипова семейства для дискретизации температуры

При использовании метода конечных элементов выбор типа элемента может определить, насколько точной и требовательной к ресурсам окажется модель. Теперь для задач теплопередачи введены элементы серендипова семейства, которые включают в себя альтернативную (серендипову) функцию формы. Это означает, что для элемента данного порядка функция формы серендипова семейства требует меньше вычислительных ресурсов, чем эквивалентная функция формы Лагранжа. Функция формы Лагранжа обычно обеспечивает более высокую точность, чем функция формы серендипова семейства. Для тетраэдрических и треугольных сеток эти две функции одинаковы.

Условия симметрии при расчете излучения с поверхности на поверхность для двух и трех перпендикулярных плоскостей

Глобальная опция Symmetry for Surface to Surface Radiation (Симметрия для излучения типа «Поверхность — поверхность») содержит новые параметры, доступные для двухмерных и трехмерных моделей, когда активен интерфейс Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation (Теплопередача с излучением типа «Поверхность — поверхность») или интерфейс Surface-to-Surface Radiation (Излучение типа «Поверхность — поверхность»). Эту новую опцию можно применить, чтобы воспользоваться несколькими плоскостями симметрии, уменьшить размер расчетной области и снизить требования к вычислительным ресурсам. В двухмерных моделях можно задать две перпендикулярные плоскости. В трехмерном случае можно задать либо две перпендикулярные плоскости с линией пересечения, параллельной одной из осей, либо три перпендикулярные плоскости, параллельные этой оси.

Кроме того, в глобальной опции Symmetry for Surface-to-Surface Radiation (Симметрия для излучения «поверхность — поверхность») в окне Graphics (Графика) вместе с геометрией можно отобразить плоскости симметрии. Это облегчает задание плоскостей для всех типов симметрии. Для отображения и скрытия этих плоскостей в окне Graphics (Графика) предусмотрен соответствующий флажок.

Снимок экрана с опцией Symmetry for Surface-to-Surface Radiation (Условия симметрии при моделировании излучения типа «поверхность – поверхность»).

Пользовательский интерфейс для функции Symmetry for Surface-to-Surface Radiation (Условия симметрии при моделировании излучения типа «поверхность – поверхность») с выбранным типом симметрии Two perpendicular planes of symmetry (Две перпендикулярные плоскости симметрии).

Пользовательский интерфейс для функции Symmetry for Surface-to-Surface Radiation (Условия симметрии при моделировании излучения типа «поверхность – поверхность») с выбранным типом симметрии Two perpendicular planes of symmetry (Две перпендикулярные плоскости симметрии).

Новые формулы для коэффициента теплоотдачи на поверхности цилиндра и сферы во внешнем потоке

Для большинства моделей конвективного охлаждения нужно вычислить и теплопередачу в окружающей жидкости, и скорость потока. Однако, если известен коэффициент теплоотдачи, можно достичь хорошей точности при меньших вычислительных затратах, рассчитывая поле температуры только в твердой фазе, а на границах задавая коэффициенты теплоотдачи. Эта возможность была доступна в предыдущих версиях ПО COMSOL® при выборе параметров Plate, averaged transfer coefficient (Плоская поверхность, средний коэффициент теплоотдачи) или Plate, local transfer coefficient (Плоская поверхность, локальный коэффициент теплоотдачи) в узле Heat Flux (Тепловой поток) при выбранном параметре Convective heat flux (Конвективный тепловой поток). Теперь при определении коэффициента теплоотдачи в раскрывающемся меню External forced convection (Внешняя вынужденная конвекция) доступны два дополнительных параметра: Cylinder in cross flow (Поперечное обтекание цилиндра) и Sphere (Сфера).

Диффузное и прямое солнечное излучение в моделях излучения типа «поверхность — поверхность»

Теперь при использовании опции Diffuse Surface (Рассеивающая поверхность) и Diffuse Mirror (Рассеивающая зеркальная поверхность) в моделях излучения типа «поверхность — поверхность» есть возможность учитывать рассеянное солнечное излучение. В разделе Ambient (Окружающая среда) окна настроек можно выбрать параметр Clear sky noon diffuse horizontal irradiance (Освещенность рассеянного излучения горизонтальных поверхностей в ясный полдень), если был выбран режим Include diffuse irradiation (Учитывать рассеянное излучение). Этот вклад добавляется к прямому солнечному излучению (солнечные лучи, которые падают непосредственно на поверхности), заданному опцией External Radiation Source (Внешний источник излучения) и параметром Clear sky noon beam normal irradiance (Освещенность нормального излучения в ясный полдень). Оба этих свойства солнечного излучения определяются в разделе Ambient Settings (Параметры окружающей среды) этого физического интерфейса.

Автоматическое определение разности температур при оценке эквивалентной теплопроводности для конвекции

В опции Fluid (Текучая среда) интерфейсов теплопередачи в разделе Equivalent Conductivity for Convection (Эквивалентная теплопроводность для конвекции) появился новый параметр Automatic (Автоматически) для оценки разности температур в числе Рэлея при выборе формул расчета числа Нуссельта для режимов Horizontal cavity heated from below (Горизонтальная полость, нагреваемая снизу) или Vertical rectangular cavity (Вертикальная прямоугольная полость). Программа автоматически определяет разность температур, вычисляя разницу между максимальной и минимальной температурами границ области.

Нестационарное слагаемое в узле Thin Layer (Тонкий слой)

При выборе параметра Thermally thick approximation (Приближение термически толстого слоя) в узле Thin Layer (Тонкий слой) теперь учитывается нестационарное слагаемое. Для корректного учета нестационарного слагаемого нужно задать дополнительные свойства материала в параметрах Layer density (Плотность слоя) и Layer heat capacity (Теплоемкость слоя) в разделе Thermodynamics (Термодинамика). Эта настройка повышает точность расчета в случае, когда теплоемкость тонкого слоя значительно больше теплоемкости окружающих материалов.

Расширенные возможности для функций Thin Film (Тонкая пленка) и Thin Layered Shell (Тонкая многослойная оболочка)

В узлах Thin Film (Тонкая пленка) и Thin Layered Shell (Тонкая многослойная оболочка) реализованы новые функции, которые ранее были доступны только для узла Thin Layer (Тонкий слой) в интерфейсе Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах). К ним относятся подузел Heat Source (Источник тепла), добавляемый по умолчанию, а также подузел External Temperature (Внешняя температура), который становится доступен при выборе значения General (Общая модель) для параметра Thin film model (Модель тонкой пленки) в окне Settings (Настройки) узла Thin Film (Тонкая пленка). Узел Thin Film (Тонкая пленка) в интерфейсе Heat Transfer in Thin Shells (Теплопередача в тонких оболочках) имеет подузел External Temperature (Внешняя температура), у которой есть дополнительные опции задания температуры Upside (верхней) и Downside (нижней) поверхностей. Узел Thin Layered Shell (Тонкая многослойная оболочка) в этом интерфейсе содержит подузлы Heat Source (Источник тепла) и External Temperature (Внешняя температура), включая температуры Upside (верхней) and Downside (нижней) поверхностей.

Снимок экрана, на котором показаны настройки опции External Temperature (Внешняя температура) в модуле Теплопередача.

Настройки для опции External Temperature (Внешняя температура) позволяют задать внешнюю температуру на каждой стороне оболочки.

Настройки для опции External Temperature (Внешняя температура) позволяют задать внешнюю температуру на каждой стороне оболочки.

Улучшения в настройках Ambient data (Данные об окружающей среде)

Улучшены настройки раздела Ambient data (Данные об окружающей среде), в котором интерфейс External Radiation Source (Внешний источник излучения) был синхронизирован с настройками Ambient Settings (Параметры окружающей среды). Кроме того, температура окружающей среды была добавлена как входной параметр в узле Isothermal Domain (Изотермическая область), когда параметр Temperature definition (Определение температуры) задан как From prescribed temperature (По заданному значению температуры). Наконец, все параметры окружающей среды теперь доступны как глобальные переменные и могут использоваться в при обработке результатов на основе глобальных переменных.

Новая учебная модель: Охлаждение микросхемы

В новой учебной модели используется геометрическая модель радиатора охлаждения из Библиотеки деталей. Модель демонстрирует различные подходы к моделированию теплопередачи, которые используются при исследовании охлаждения микросхем. В первой части производится только моделирование твердотельных компонентов, а конвективный теплообмен моделируется заданием граничного условия Convective Heat Flux (Конвективный тепловой поток). Во второй части модель расширяется и включает в себя область текучей среды в проточном канале, что позволяет решить задачу сопряженного теплообмена при неизотремическом течении. В последней части рассчитывается излучение типа «поверхность — поверхность», чтобы оценить его вклад в конечный результат.

Модель радиатора, построенная в версии 5.3 COMSOL Multiphysics с применением модуля Теплопередача. Распределение температуры в радиаторе, закрепленном на электронном компоненте. Распределение температуры в радиаторе, закрепленном на электронном компоненте.

Путь к файлу Библиотеки приложений:
Heat_Transfer_Module/Tutorials/Forced_and_Natural_Convection/chip_cooling