Обновление функций модуля Теплопередача

Для пользователей модуля Теплопередача пакета COMSOL Multiphysics® версии 5.4 предлагаются функции для описания смешанных диффузно-отражающих и полупрозрачных поверхностей для моделирования излучения с поверхности на поверхность, теплопередачи в тонких слоях, а также интерфейсы для моделирования излучения в активных средах. Подробнее о функциях теплопередачи можно узнать ниже.

Смешанные диффузно-отражающие и полупрозрачные поверхности

Новый алгоритм вычисления угловых коэффициентов, основанный на методе трассировки лучей, может обрабатывать смешанные диффузно-отражающие поверхности, а также отражения и переходы через полупрозрачные поверхности. На шероховатых поверхностях падающие лучи отражаются случайным образом во всех направлениях, независимо от направления падения. Это называется диффузным отражением. На гладких зеркальных поверхностях входящие лучи отражаются в соответствии с законом отражения: угол падения равен углу отражения. Это называется зеркальным отражением. С помощью новой функции обработки смешанных диффузно-зеркальных отражений можно будет создавать реалистичные и точные модели широкого спектра поверхностей. Новый метод трассировки лучей также можно использовать для моделирования полупрозрачных поверхностей, которые не являются полностью непрозрачными, но вместо этого пропускают часть падающего излучения, например, оконные стекла. Познакомиться с данной функциональностью можно в модели Surface-to-Surface Radiation with Specular Reflection.


Падающее излучение от несфокусированного пучка, отражающегося от двух стенок канала (слева). Различные конфигурации соответствуют разным свойствам поверхности, от почти идеальной зеркальной поверхности до чисто диффузной поверхности. От идеально зеркальных поверхностей световой пучок отражается несколько раз до того, как он исчезнет, в то время как для чисто диффузных поверхностей пучок сразу затухает. Эскиз справа представляет собой аналогичный случай для идеально сфокусированного пучка на зеркальных поверхностях.

Теплопередача в тонких слоистых конструкциях

Возможности расчета теплопередачи в тонких конструкциях были значительно расширены благодаря новому набору мощных инструментов для моделирования слоистых оболочек. Слоистые структуры задаются с помощью новой функции Layered Material (Слоистый материал), которая включает в себя загрузку многослойных структур из файла и сохранение в файле, а также функцию Layer Cross Section Preview (Предварительный просмотр поперечного сечения слоя) и функцию Layer Stack Preview (Предварительный просмотр стека). Для каждого слоя задаются свойства материала, внутреннее вращение, толщина и параметры дискретизации конечных элементов. Кроме того, каждой границе между слоями можно присвоить свои свойства. Для уменьшения вычислительных затрат как для термически тонких, так и для термически толстых слоев доступны дополнительные инструменты для моделирования сосредоточенных компонентов. Новый набор данных Layered Material (Слоистый материал) позволяет визуализировать результаты в тонких слоистых структурах, как если бы они были первоначально смоделированы как трехмерные твердые тела.

Новая функциональность доступна во всех интерфейсах теплопередачи, которые включают в себя функции для анализа оболочек, тонких слоев, тонких пленок и трещин. В сочетании с модулем AC/DC новые функции мультифизической связи позволяют моделировать электромагнитный нагрев и термоэлектрический эффект в слоистых структурах. В сочетании с модулем Композитные материалы новые мультифизические функции позволяют моделировать тепловое расширение в слоистых структурах.

Познакомиться с данной функциональностью можно в следующих моделях:

Модель нагревательного контура, демонстрирующая возможности моделирования тонких слоистых материалов. Эта мультифизическая модель нагревательного контура настраивается с использованием новых функций для тонких слоистых материалов и новых функций для теплопередачи, физики электрических токов и мембран. Эта мультифизическая модель нагревательного контура настраивается с использованием новых функций для тонких слоистых материалов и новых функций для теплопередачи, физики электрических токов и мембран.

Дополнительные возможности для расчета излучения в активной среде

В интерфейс Radiation in Participating Media (Излучение в активной среде) были внесены важные улучшения. Доступна новая опция для управления рассеянием в полупрозрачных материалах. Характеристики рассеяния задаются так называемой фазовой функцией Хеньи — Гринштейна. Кроме того, доступно несколько новых квадратурных опций, и вы можете выбирать число дискретных ординат в диапазоне от 8 до 512, что позволяет делать выбор между точностью и скоростью вычислений. Познакомиться с этой функциональностью можно в модели Radiative Cooling of a Glass Plate (Охлаждение стеклянной пластины излучением).

Излучение с поверхности на поверхность, свойства которых зависят от длины волны

В интерфейсе Surface-to-Surface Radiation (Излучение с поверхности на поверхность) теперь поддерживается произвольное количество спектральных диапазонов для моделирования излучения с поверхностей, свойства которых зависят от длины волны. Кроме того, в пользовательский интерфейс внесены изменения, повышающие удобство использования нескольких спектральных диапазонов. Теперь можно задать излучательную способность поверхность через зависящую от длины волны функцию или с помощью таблицы с одним значением на каждый спектральный диапазон. Точное описание зависящих от длины волны свойств поверхности повышает точность моделирования для таких процессов, как охлаждение излучением. Познакомиться с новой функцией можно в модели Sun's Radiation Effect on Two Coolers Placed Under a Parasol (Влияние солнечных лучей на работу двух кулеров под зонтом)

Интерфейс Излучение в поглощающе-рассеивающей среде — Уравнение рассеяния света

В новом интерфейсе Radiation in Absorbing-Scattering Media (Излучение в поглощающе-рассеивающей среде) можно моделировать распространение, поглощение и рассеяние излучения в полупрозрачной среде. В частности, этот интерфейс хорошо подходит для моделирования рассеяния света в неизлучающей среде. Подобно интерфейсу Radiation in Participating Media (Излучение в активной среде), в нем можно решать уравнение переноса излучения, но без эмиссии. Поэтому два интерфейса имеют одни и те же методы дискретизации (метод приближения P1 и метод дискретных ординат), а также функции рассеяния. В приближении P1 решается уравнение рассеяния света. Познакомиться с данной функциональностью можно в модели Light Diffusion in a Slab of Particles (Рассеяние света в блоке из частиц).

Мультифизические связи для моделирования теплообмена излучением

В предыдущих версиях функции Surface-to-Surface Radiation (Излучение с поверхности на поверхность) и Radiation in Participating Media (Излучение в активной среде) были доступны в виде опций во всех интерфейсах теплопередачи и в виде отдельных автономных интерфейсов. В пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 они доступны только как автономные интерфейсы, которые можно связать с интерфейсами теплопередачи с помощью новых мультифизических связей. Этот новый подход к моделированию упрощает управление моделями в Построителе моделей

Реорганизация функциональных возможностей в подузлы

Для удобства пользователей в интерфейсы теплопередачи было добавлено несколько подузлов функций. Они используются для изменения конфигурации соответствующей родительской функции. В будущих версиях следующие подузлы заменят соответствующие основные функции:

  • Подузел Phase Change Material (Материал с фазовым переходом) заменит функцию Phase Change Material (Материал с фазовым переходом) для текучих сред, а также расширит область ее применения на твердые вещества и пористые среды; с помощью новой функции можно будет моделировать фазовый переход, задавая кажущуюся теплоемкость
  • Подфункция Convectively Enhanced Conductivity (Эквивалентная теплопроводность) доступна в узлах Fluid (Текучая среда) и Moist Air (Влажный воздух); она позволяет учесть конвективный перенос тепла, рассчитав эквивалентную теплопроводность жидкости в зависимости от числа Нуссельта
  • Подузел Thermal Damage (Термическое повреждение) доступен в узле Biological Tissue (Биологические ткани) для задания модели повреждения
  • Подузел Optically Thick Participating Medium (Оптически плотная активная среда), доступный в интерфейсах теплопередачи, позволяет использовать приближение Росселанда для эквивалентной теплопроводности, учитывающей перенос тепла излучением в средах с высокой оптической плотностью

Познакомиться с данными функциями можно в следующих моделях:

Модель изотермической коробки.

Распределение температуры в изотермической коробке, предназначенной для перевозки охлажденных изделий. Материал с фазовым переходом моделируется с использованием подузла Phase Change Material (Материал с фазовым переходом) узла Fluid (Текучая среда).

Распределение температуры в изотермической коробке, предназначенной для перевозки охлажденных изделий. Материал с фазовым переходом моделируется с использованием подузла Phase Change Material (Материал с фазовым переходом) узла Fluid (Текучая среда).

Мультифизический интерфейс переноса тепла и влаги

Чтобы установить связь между интерфейсами для расчета гидродинамики ламинарных или турбулентных течений, теплопередачи и переноса влаги в воздухе, можно использовать набор новых интерфейсов в разделе Heat Transfer (Теплопередача) > Heat and Moisture Transport (Перенос тепла и влаги). Гидродинамические интерфейсы однофазных ламинарных или турбулентных течений можно связать с интерфейсами Heat Transfer in Moist Air (Теплопередача вo влажном воздухе) и Moisture Transport in Air (Перенос влаги в воздухе). С помощью мультифизических взаимосвязей Heat and Moisture (Тепло и влага), Moisture Flow (Поток влаги) и Nonisothermal Flow (Неизотермический поток) учитываются турбулентное перемешивание, пристеночные функции для температуры и концентрации в турбулентных потоках, а также зависимость свойств материала от влажности в уравнениях гидродинамики для потока воздуха.

Пример, который сочетает в себе интерфейсы для расчета переноса тепла и влаги.

Модель охлаждения испарением сочетает расчет однофазного течения с расчетом влагопереноса с помощью интерфейсов Heat Transfer in Moist Air (Теплопередача в влажном воздухе) и Moisture Transport in Air (Перенос влаги в воздухе).

Модель охлаждения испарением сочетает расчет однофазного течения с расчетом влагопереноса с помощью интерфейсов Heat Transfer in Moist Air (Теплопередача в влажном воздухе) и Moisture Transport in Air (Перенос влаги в воздухе).

Интерфейс Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Новый интерфейс Heat Transfer in Solids and Fluids (Теплопередача в твердых телах и жидкостях) заменяет интерфейс теплопередачи, который был ранее доступен исключительно в мультифизическом интерфейсе Conjugate Heat Transfer (Сопряженная теплопередача). В нем имеется функция Solid (Твердое тело), активированная по умолчанию для всех областей, а также функция Fluid (Текучая среда) с пустой выборкой по умолчанию. Настройки оптимизированы для моделирования сопряженной теплопередачи. Этот интерфейс можно использовать для постепенного усложения модели, когда на первом шаге учтена только теплопередача, а на втором шаге добавляются уравнения гидродинамики. Такой подход показан в примере chip_cooling в PDF-файле Introduction to the Heat Transfer Module (Введение в модуль Теплопередача).

Познакомиться с данной функциональностью можно в следующих моделях:

Модель, которая описывает теплопередачу в твердых телах, конвекцию и излучение с поверхности на поверхность. Профиль температуры в учебном примере, демонстрирующем охлаждение микросхемы. Точность модели постепенно улучшается за счет добавления дополнительных функций в последовательность шагов. Исходная модель описывает только передачу тепла в твердых телах, затем добавляется конвекция и, наконец, излучение с поверхности на поверхность. Профиль температуры в учебном примере, демонстрирующем охлаждение микросхемы. Точность модели постепенно улучшается за счет добавления дополнительных функций в последовательность шагов. Исходная модель описывает только передачу тепла в твердых телах, затем добавляется конвекция и, наконец, излучение с поверхности на поверхность.

Теплоизолирующие внутренние стенки

Функция Thermal Insulation (Теплоизоляция) теперь работает на внутренних границах, и ее можно использовать для моделирования тонких материалов между жидкими областями, выступающих как идеальные изоляторы. Итоговое поле температур разрывно на таких границах. Познакомиться с данной функциональностью можно в модели Thermal Insulation on Internal Boundary (Теплоизоляция на внутренней границе).

Тепловые свойства окружающей среды

Свойства окружающей среды можно задать в узле Ambient Thermal Properties (Тепловые свойства окружающей среды) в разделе Definitions (Определения). Здесь имеется раздел Ambient Settings (Настройки окружающей среды), который ранее был доступен в интерфейсе Heat Transfer (Теплопередача). В одну модель можно добавить несколько узлов Ambient Thermal Properties (Тепловые свойства окружающей среды). Это позволяет использовать свойства окружающей среды в моделях без интерфейса теплопередачи.

Кроме того, улучшен интерфейс для расчета теплообмена излучением с поверхности на поверхность, так что можно задать положение Солнца с помощью узла Ambient Thermal Properties (Тепловые свойства окружающей среды), который включает дату и положение выбранной метеостанции.

Модель, построенная в COMSOL Multiphysics версии 5.4 с использованием данных о температуре окружающей среды.

Модель, содержащая узел Ambient Thermal Properties (Параметры окружающей среды), с помощью которого задаются зависящие от времени характеристики окружающей среды. На графике показана температура окружающей среды и относительная влажность в течение двух дней.

Модель, содержащая узел Ambient Thermal Properties (Параметры окружающей среды), с помощью которого задаются зависящие от времени характеристики окружающей среды. На графике показана температура окружающей среды и относительная влажность в течение двух дней.

Настройки решателя по умолчанию

Сделаны многочисленные улучшения настроек решателя по умолчанию для задач теплопередачи. Для больших моделей неизотермических потоков настройки по умолчанию для нескольких предобусловливателей заменили на более надежные, которые в некоторых случаях могут ускорять вычисления. Кроме того, модели, содержащие взаимосвязь Local Thermal Non-Equilibrium (Локальное тепловое неравновесие), теперь всегда решаются для двух связанных переменных температурного поля с лучшей и быстрой сходимостью. Соответственно, обновили все модели со взаимосвязью Nonisothermal Flow (Неизотермический поток).

Улучшенные графики по умолчанию для температурных разрывов

Дополнительные графики скалярного поля по умолчанию строятся в группе графиков для трехмерных моделей Temperature (Температура), когда функции Thermal Contact (Термический контакт) или Thermal Insulation (Теплоизоляция) активны на внутренних границах. Таким образом, с обеих сторон таких границ отображаются различные температуры.

Снимок экрана, показывающий модель разрывного поля температуры в графическом интерфейсе пользователя в пакете COMSOL Multiphysics версии 5.4. Поле температуры видно под двумя разными углами. Так как поле температуры разрывно на центральной границе, с двух сторон показаны разные значения температуры. Поле температуры видно под двумя разными углами. Так как поле температуры разрывно на центральной границе, с двух сторон показаны разные значения температуры.

Новые учебные модели

В пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 предлагаются новые учебные модели.