Обновления модуля Теплопередача

Новые функции модуля Теплопередача в COMSOL Multiphysics® версии 5.3а включают новое граничное условие Inflow (Входной поток), в котором учитывается температура и давление выше по потоку, а также полную мультифизическую связь для моделирования переноса влаги в воздушной среде и новый интерфейс моделирования излученных пучков в поглощающих средах. Ниже можно ознакомиться с этими и другими функциями моделирования теплопередачи.

Новое граничное условие: Inflow

Новое граничное условие Inflow (Входной поток) позволяет корректно задать конвективный тепловой поток на входных границах расчетной области, исходя из известных параметров течения выше по потоку. Условие Inflow учитывает температуру и давление выше по потоку и заменяет собой граничное условие Temperature (Температура), которое обычно ставилось на входных границах. Кроме того, условие Inflow не фиксирует температуру на границах входного сечения, но задает плотность теплового потока, согласующуюся с условиями выше по потоку. Таким образом, это условие более точно и адекватно описывает физическую реальность. Во всех моделях Библиотеки приложений, в которых анализируется конвективный теплообмен в системах с входными границами, теперь используется это граничное условие.


Модель теплообменника с перекрестным током теплоносителя в версии 5.3a программного пакета COMSOL Multiphysics. Новое граничное условие Inflow, учитывающие характеристики выше по потоку, позволяет получить более реалистичные результаты в модели теплообменника с перекрестным током теплоносителя. Новое граничное условие Inflow, учитывающие характеристики выше по потоку, позволяет получить более реалистичные результаты в модели теплообменника с перекрестным током теплоносителя.

Мультифизическая связь Moisture Flow (Влагоперенос)

Контроль влажности имеет важное значение во многих задачах, например в электронике и в строительной физике. В версии 5.3a COMSOL Multiphysics® представлен полный набор мультифизических связей для моделирования гидродинамики, тепло- и влагопереноса, что позволяет быстро и легко решать прикладные задачи тепломассообмена.

Расширяя возможности моделирования влагопереноса, реализованные в предыдущих версиях, новый узел мультифизической связи Moisture Flow (Влагоперенос) теперь позволяет моделировать перенос влаги ламинарными и турбулентными потоками воздуха. Он связывает гидродинамические интерфейсы Single-Phase Flow (Однофазный поток) для ламинарного и турбулентного режимов течения с интерфейсом Moisture Transport in Air (Перенос влаги в воздухе). Одним из преимуществ мультифизического интерфейса Moisture Flow, который находится в группе интерфейсов Chemical Species Transport (Перенос химических веществ), является учет турбулентного перемешивания и использование пристеночных функций для влагосодержания. В сочетании с мультифизическими связями Nonisothermal Flow (Неизотермический поток) и Heat and Moisture (Перенос теплоты и влаги) пользователю предоставляется полный и универсальный набор функций для моделирования тепло- и влагопереноса в строительных материалах и во влажном воздухе. Для реализации полной мультифизической связи сначала следует добавить интерфейс Moist Air (Влажный воздух) из группы Heat and Moisture Transport (Перенос теплоты и влаги). Затем нужно добавить гидродинамический интерфейс для ламинарного или турбулентного однофазного потока. Наконец, следует добавить мультифизические связи Nonisothermal Flow (Неизотермический поток) и Moisture Flow (Влагоперенос). При добавлении каждой мультифизической связи программное обеспечение автоматически связывает соответствующие физические интерфейсы.

На диаграмме показаны связи между интерфейсами Heat Transfer (Теплопередача), Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Moisture Transport (Перенос влаги).

Представление интерфейсов Heat Transfer (Теплопередача), Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Moisture Transport (Перенос влаги) с соответствующими мультифизическими связями.

Представление интерфейсов Heat Transfer (Теплопередача), Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Moisture Transport (Перенос влаги) с соответствующими мультифизическими связями.

Необратимые изменения в твердых телах

В задачах теплопередачи в твердых телах расширены возможности моделирования необратимых термических превращений, описываемых с помощью атрибута _ Irreversible Transformation_ (Необратимое превращение) узла Solid (Твердое тело). Области применения включают феноменологическое моделирование горения и плавления твердых веществ. Модель превращений Energy absorption (Поглощение энергии) переименована в _ Arrhenius kinetics_ (Кинетика Аррениуса). Теперь модель позволяет более подробно настраивать скорость реакции, в том числе задавать уравнение кинетики Аррениуса в виде полинома любого порядка n.

Кроме того, добавлена новая опция User defined (Задано пользователем) для модели превращений, с помощью которой можно задать Fraction of transformation (Доля превращения). Эту новую настройку особенно удобно использовать в случаях, когда для вашей задачи не подходит ни одна из предопределенных моделей и (или) если доля превращения рассчитывается с помощью отдельного пользовательского физического или математического интерфейса. С пользовательской настройкой также можно задавать изменение энтальпии, учитывать в энергетическом балансе выделение или поглощение теплоты и задавать различные температурные свойства превращенного состояния.

Моделирование теплового контакта эквивалентным тонким резистивным слоем

В новой версии можно описать тепловой контакт с помощью новой функции Equivalent thin resistive layer (Эквивалентный тонкий резистивный слой), которая позволяет рассчитать контактное термическое сопротивление на основе эквивалентной контактной теплопроводности. Такой подход удобен, когда величина эквивалентной теплопроводности известна из результатов тепловых измерений или когда неизвестны свойства поверхности, необходимые при использовании других моделей. Задать эквивалентную теплопроводность слоя можно тремя способами — указать значение коэффициента теплопередачи, задать термическое сопротивление слоя либо коэффициент теплопроводности и толщину.

Снимок экрана COMSOL Multiphysics, на котором показана опция Equivalent thin resistive layer (Эквивалентный тонкий резистивный слой).

Новая опция Equivalent thin resistive layer (Эквивалентный тонкий резистивный слой) в узле Thermal Contact (Тепловой контакт).

Новая опция Equivalent thin resistive layer (Эквивалентный тонкий резистивный слой) в узле Thermal Contact (Тепловой контакт).

Библиотека соотношений для коэффициентов теплоотдачи в произвольных жидкостях

В библиотеке имеется ряд соотношений для расчета коэффициентов теплоотдачи, предназначенных для моделирования теплообмена с окружающей средой, которая не является частью расчетной области. Ранее в качестве вещества окружающей среды можно было задать только воздух, воду и трансформаторное масло. В версии 5.3а COMSOL Multiphysics® для настройки параметров окружающей среды, используемых при расчете коэффициента теплоотдачи, добавлены две новые опции: Moist air (Влажный воздух) и From material (По свойствам материала).

Если для параметра Fluid (Текучая среда) выбрана опция Moist air, для корректного использования расчетных соотношений необходимо задать относительную влажность воздуха. Если же установлена опция From material, тогда можно выбрать любой материал, добавленный в узел Materials (Материалы). При расчете коэффициента теплообмена на выбранной границе будут использованы соответствующие свойства материала.

Улучшенные функции моделирования тепло- и влагопереноса

Источники теплоты фазового перехода

Мультифизическая связь Heat and Moisture Transport (Перенос теплоты и влаги) объединяет интерфейсы Heat Transfer (Теплопередача) и Moisture Transport (Влагоперенос). При испарении или конденсации происходит поглощение или выделение большого количества энергии, которое является важным фактором для учета в расчетной модели. В новой версии можно учитывать испарение и связанные с этим источники теплоты в граничном узле Moisture flux (Поток влаги), установив флажок Contributes to evaporation flux (Учитывать в потоке испарения), который доступен в новом разделе Evaporation (Испарение).

Кроме того, обновление в интерфейсе мультифизической связи Heat and Moisture (Перенос теплоты и влаги) позволяет автоматически рассчитать источники теплоты фазового перехода, на основе решения уравнений в интерфейсе _ Moisture Transport_ (Перенос влаги). Тепловой поток, вызванный испарением или конденсацией, который определяется в узлах Wet Surface (Мокрая поверхность), Moist Surface (Влажная поверхность) или Moisture Flux (Поток влаги), добавляется в уравнение теплопередачи на соответствующих границах. Для включения этой функции в новом разделе Latent Heat (Теплота фазового перехода) узла Heat and Moisture (Перенос теплоты и влаги) доступен флажок Include latent heat source on surfaces (Учесть теплоту фазового перехода на поверхностях).


Коэффициенты переноса влаги

Аналогично конвективным потокам тепла, поток массы влаги может быть рассчитан на основе соотношений для числа Нуссельта в нескольких конфигурациях. В версии 5.3a COMSOL Multiphysics® при использовании модуля Теплопередача вы можете задать конвективный поток массы влаги, используя аналогию переноса теплоты и массы. Таким образом, все соотношения для коэффициентов теплоотдачи в узле Heat Flux (Тепловой поток) теперь также доступны в узле Moisture Flux (Поток влаги) для определения конвективного потока массы влаги. Кроме того, при использовании интерфейсов теплопередачи в модели можно не задавать коэффициенты массообмена вручную, а связать их с расчетом коэффициентов теплообмена в узле Heat Flux (Тепловой поток).

Интерфейс Radiative Beam in Absorbing Media и закон Бера — Ламберта

Сфокусированное направленное электромагнитное излучение, например излучение лазера, проходя через полупрозрачные материалы, постепенно поглощается, передавая им энергию. Закон Бера — Ламберта является классической и вычислительно эффективной моделью поглощения преломленных пучков. В новом физическом интерфейсе Radiative Beam in Absorbing Media (Пучок излучения в поглощающих средах) представлены функции для задания поглощающих свойств материала, а также настройки для нескольких падающих пучков, как показано на изображении. Данная формула действительна для некогерентных, а также когерентных источников излучения при условии, что характерный линейный масштаб тепловых процессов намного больше, чем характерный масштаб интерференции. На границах можно задать условие непрозрачной стенки, поглощающей все излучение, которое превращается в теплоту, или условие прозрачной стенки, пропускающей излучение без поглощения энергии.

Снимок экрана с графическим интерфейсом программного обеспечения COMSOL, на котором представлена модель, использующая интерфейс Radiative Beam in Absorbing Media (Пучок излучения в поглощающих средах).

Модель, в которой содержится интерфейс Radiative Beam in Absorbing Media (Пучок излучения в поглощающих средах) с двумя разнонаправленными падающими лучами, которые пересекаются друг с другом в толще поглощающей поверхности.

Модель, в которой содержится интерфейс Radiative Beam in Absorbing Media (Пучок излучения в поглощающих средах) с двумя разнонаправленными падающими лучами, которые пересекаются друг с другом в толще поглощающей поверхности.

Улучшения для нестационарных климатических данных

Для определения параметров окружающей среды в разделе Ambient Settings (Настройки окружающей среды) интерфейсов Heat Transfer (Теплопередача) доступна последняя версия климатической базы данных ASHRAE Weather Data Viewer версии 6.0. Среднемесячные и среднечасовые значения, приведенные в справочнике ASHRAE 2017 Американского общества инженеров отопления, охлаждения и воздушного кондиционирования (ASHRAE), доступны для более чем 800 метеостанций по всему миру. Кроме того, стал более удобным просмотр списка метеостанций и поиск в разделе Ambient Settings (Настройки окружающей среды) (см. приложенное изображение).

Часть снимка экрана, на котором показаны улучшенные нестационарные климатические данные в COMSOL Multiphysics версии 5.3a.

Новая настройка Climate data (ASHRAE 2017) (Климатические данные ASHRAE 2017) для определения параметров окружающей среды в разделе Ambient Settings (Настройки окружающей среды) интерфейса Heat Transfer (Теплопередача).

    <span class='rh-image-description'>
        Новая настройка <em>Climate data (ASHRAE 2017)</em> (Климатические данные ASHRAE 2017) для определения параметров окружающей среды в разделе <em>Ambient Settings</em> (Настройки окружающей среды) интерфейса <em>Heat Transfer</em> (Теплопередача).
    </span>

 

Теплопередача в сплавах с памятью формы

Поведение сплавов с памятью формы (SMA) сильно зависит от температуры, а при любых структурных изменениях (аустенит ↔ мартенсит) происходит выделение или поглощение энергии, изменяющее температурные свойства сплавов. Опция Shape Memory Alloy (Сплав с памятью формы) в интерфейсах теплопередачи учитывает объемные доли мартенсита и аустенита. Затем, исходя из термических свойств каждой фазы, определяются фактические температурные свойства. Опция Shape Memory Alloy создана для совместного использования с новой опцией Shape Memory Alloy, которая входит в модуль Nonlinear Structural Materials (Нелинейные конструкционные материалы). Для использования в вашей модели установите флажок Heat transfer in alloys (Теплопередача в сплавах) в главном узле интерфейса Heat Transfer (Теплопередача). После этого опция Shape Memory Alloy будет доступна как граничное условие Domain (Область).

Геометрические модели радиаторов охлаждения с использованием оболочек

Моделирование теплопередачи в тонких оболочках является важным и полезным инструментом для снижения затрат на расчет модели. Учитывая это, в Библиотеку деталей модуля Теплопередача добавлены версии геометрических моделей с оболочками для построения геометрии игольчатых радиаторов, радиаторов с ребрами и игольчатых радиаторов с неоднородными размерами. Эти новые детали специально созданы для геометрических моделей, в которых можно снизить затраты на вычисления за счет использования геометрических поверхностей для тонких структур вместо полноценных трехмерных объектов. С поверхностями можно связывать узлы Thin Layer (Тонкий слой) для расчета теплопередачи и Interior Wall (Внутренняя стенка) для моделирования гидродинамики.

Два варианта геометрии радиатора — с ребрами, представленными трехмерными объектами и двумерными поверхностями. Радиатор со скошенными трехмерными ребрами (слева) или двумерными ребрами (справа), построенный с помощью геометрических деталей. Радиатор со скошенными трехмерными ребрами (слева) или двумерными ребрами (справа), построенный с помощью геометрических деталей.

Новая улучшенная мультифизическая связь Electromagnetic Heating

Новый узел мультифизической связи Electromagnetic Heating (Электромагнитный нагрев) упрощает настройку моделей, в которых задействованы физические интерфейсы электромагнитных явлений и теплопередачи. Он объединяет и заменяет узлы Electromagnetic Heat Source (Электромагнитный источник тепла), Boundary Electromagnetic Heat Source (Граничный электромагнитный источник тепла) и Temperature Coupling (Температурная связь) одним узлом с аналогичной функциональностью. Используя этот узел, можно выбрать области для объемных электромагнитных источников тепла и границы для поверхностных электромагнитных источников тепла в уравнении теплопередачи. Кроме того, он передает значения температуры, вычисленные в интерфейсе теплопередачи, в электромагнитный интерфейс. Связь по температуре является автоматической, а разделы _ Domain Selection_ (Выбор областей) и Boundary Selection (Выбор границ) (см. соответствующее изображение) позволяют контролировать, на каких объектах активна эта связь. Функция используется для моделирования электромагнитного нагрева, например джоулева, индукционного, микроволнового или лазерного. Отметим, что для индукционного, микроволнового и лазерного нагрева необходимы дополнительные модули.

Мультифизическая связь Thermoelectric Effect

Новый узел мультифизической связи Thermoelectric Effect (Термоэлектрический эффект) учитывает объемные и поверхностные термоэлектрические источники тепла в уравнении теплопередачи. Кроме того, он добавляет вклад термоэлектрического эффекта в плотность тока из-за разности температур в областях и на границах. Этот узел заменяет узлы Thermoelectric Effect (Термоэлектрический эффект) и Boundary Thermoelectric Effect (Граничный термоэлектрический эффект) при моделировании эффектов Пельтье, Зеебека и Томсона. Опция мультифизической связи Thermoelectric Effect является стандартной опцией мультифизического интерфейса Thermoelectric Effect вместе с новым узлом мультифизической связи Electromagnetic Heating.

Генерация турбулентности, вызванная силами плавучести

Эффекты плавучести приводят к возникновению массовой силы, которая естественным образом может приводить к неустойчивости. В конечном счете неустойчивости потока становятся хаотичными и перерастают в турбулентность. Теперь при использовании функции Gravity (Сила тяжести), которая используется для моделирования эффектов плавучести в модуле Вычислительная гидродинамика, можно учесть генерацию турбулентности вследствие действия сил плавучести. Можно задать либо автоматический расчет вклада сил плавучести с помощью мультифизической связи Nonisothermal Flow (Неизотермический поток), либо с помощью определенного пользователем критерия Шмидта для турбулентности.

Изображение настроек функции Gravity (Сила тяжести) в COMSOL Multiphysics версии 5.3а.

Для функции Gravity (Сила тяжести) теперь предусмотрен параметр Include buoyancy-induced turbulence (Учитывать генерацию турбулентности, вызванную силами плавучести).

Для функции Gravity (Сила тяжести) теперь предусмотрен параметр Include buoyancy-induced turbulence (Учитывать генерацию турбулентности, вызванную силами плавучести).

Граничное условие Inlet (Вход) для полностью развитого турбулентного потока

С помощью граничного условия Inlet (Вход) для полностью развитого турбулентного потока можно определить профиль скорости и характеристики турбулентности во входном сечении, задав длину начального гидродинамического участка для канала, на котором происходит гидродинамическая стабилизация. В предыдущих версиях программного пакета COMSOL® для точной оценки профиля скорости в поперечном сечении потребовалось бы моделировать очень длинный входной участок канала. Благодаря новому граничному условию можно получить чрезвычайно точный профиль на входе без необходимости строить дополнительные геометрические объекты, тем самым обеспечивая экономию вычислительных ресурсов.

Пример моделирования полностью развитого турбулентного потока.

Входное отверстие сопла с поперечным сечением в форме звезды моделируется с помощью условия полностью развитого турбулентного потока на входе.

Входное отверстие сопла с поперечным сечением в форме звезды моделируется с помощью условия полностью развитого турбулентного потока на входе.

Новая учебная модель Buoyancy Flow in Air

В новой учебной модели Buoyancy Flow in Air (Свободная конвекция в воздухе) исследуется стационарная свободная конвекция в воздухе, заполняющем полость между двумя вертикальными пластинами. На двух пластинах поддерживается разность температур, которая и вызывает свободную конвекцию в воздушной области. Рабочие условия задаются таким образом, чтобы режим течения оставался ламинарным. Модель содержит два компонента — двумерный и трехмерный, поэтому она может послужить основой для включения свободной конвекции воздуха в ваши модели.

Отметим, что модель построена так же, как и уже существующая модель Buoyancy Flow in Water (Свободная конвекция в воде). Главное различие между двумя моделями заключается в том, что плотность воздуха определяется уравнением идеального газа и зависит как от температуры, так и от давления.

Модель свободной конвекции в воздухе, созданная в COMSOL Multiphysics версии 5.3а с использованием модуля Теплопередача. Распределение температуры (изотермы) и поле скорости (векторный график) при свободной конвекции, обусловленной силами плавучести при разности температур между двумя противоположными вертикальными стенками, равной 10 К. Распределение температуры (изотермы) и поле скорости (векторный график) при свободной конвекции, обусловленной силами плавучести при разности температур между двумя противоположными вертикальными стенками, равной 10 К.

Путь в Библиотеке приложений:
Heat_Transfer_Module/Tutorials_Forced_and_Natural_Convection/buoyancy_air

Новая учебная модель Laminar Nonisothermal Flow in a Circular Tube (Ламинарный неизотермический поток в цилиндрической трубе)

В этой новой верификационной учебной модели рассчитано распределение скорости, давления и температуры в цилиндрической трубе с использованием двумерной осесимметричной геометрии. Рабочие условия соответствуют ламинарному режиму течения. Характеристики такого неизотермического потока хорошо изучены, а плотность теплового потока на стенке измерена экспериментально. На рисунке показаны графики изменения коэффициента теплоотдачи по длине трубы — красная кривая построена по результатам моделирования, а две других кривые построены по опубликованным данным для числа Нуссельта. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными измерениями.

Модель неизотермического ламинарного потока в цилиндрической трубе, созданная в COMSOL Multiphysics версии 5.3а с использованием модуля Теплопередача.

Сравнение коэффициентов теплопередачи, полученных с помощью численного решения (красная линия) и соотношений для числа Нуссельта (зеленая и голубая линии).

Сравнение коэффициентов теплопередачи, полученных с помощью численного решения (красная линия) и соотношений для числа Нуссельта (зеленая и голубая линии).

Путь в Библиотеке приложений:
Heat_Transfer_Module/Verification_Examples/circular_tube_nitf_laminar

Новая учебная модель Turbulent Nonisothermal Flow over a Flat Plate (Турбулентное неизотермическое обтекание плоской пластины)

В новой верификационной учебной модели рассчитаны скорость, давление и температура в потоке у поверхности плоской пластины. Развитый турбулентный поток обтекает нагретую пластину. Коэффициент теплоотдачи между воздушным потоком и пластиной измерен экспериментально, существуют различные корреляции на основании чисел Нуссельта. Результаты моделирования хорошо согласуются с опубликованными данными.

Модель неизотермического турбулентного обтекания плоской пластины, созданная в COMSOL Multiphysics версии 5.3а с использованием модуля Теплопередача. Сравнение коэффициентов теплопередачи, полученных с помощью численного решения (сплошные линии) и соотношений для числа Нуссельта (пунктирная линия). Сравнение коэффициентов теплопередачи, полученных с помощью численного решения (сплошные линии) и соотношений для числа Нуссельта (пунктирная линия).

Путь в Библиотеке приложений:
Heat_Transfer_Module/Verification_Examples/flat_plate_nitf_turbulent

Новая учебная модель Dynamic Wall Heat Exchanger (Теплообменник с динамической стенкой)

В учебной модели теплообменника с динамической стенкой, построенной по материалам научной публикации, анализируется компактный теплообменник, который имеет улучшенные характеристики благодаря использованию деформируемой стенки с колебательной волновой формой. Колебания стенки вызывают перемешивание в жидкости и ослабляют образование тепловых пограничных слоев. Кроме того, волнообразная деформация создает насосный эффект, похожий на перистальтический насос, что снижает потери давления. В эту модель входит мультифизическая связь Conjugate Heat Transfer (Сопряженная теплопередача) и функции подвижной сетки для описания деформации стенок канала. Перепад давления в теплообменнике и общий коэффициент теплопередачи рассчитываются для статического и динамического режимов.

Модель теплообменника с динамической стенкой, созданная в COMSOL Multiphysics версии 5.3а с использованием модуля Теплопередача.

Распределение температуры в канале динамического теплообменника.

Распределение температуры в канале динамического теплообменника.

Путь в Библиотеке приложений:
Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/Dynamic_wall_heat_exchanger