Модуль теплопередача

Анализируйте тепловые процессы с помощью модуля Теплопередача

Программное обеспечение для расширенного моделирования теплопередачи

В модуле Теплопередача, входящем в состав программного продукта COMSOL Multiphysics^®, можно выполнить анализ теплопередачи теплопроводностью, конвекцией и излучением. Модуль Теплопередача содержит полный набор инструментов для выполнения тепловых расчетов и анализа влияния тепловых нагрузок. Можно моделировать поля распределения температур и потоки тепла в устройствах, компонентах и зданиях. Для виртуального исследования реальных характеристик системы или устройства можно с легкостью связать несколько физических воздействий в одной модели средствами мультифизического моделирования, входящих в состав программного обеспечения.

Специализированные инструменты теплового анализа

Неизотермическое течение и сопряженный теплообмен

В модуле Теплопередача предусмотрены инструменты для моделирования неизотермических течений и сопряженного теплообмена. С их помощью можно моделировать, например, теплообменые аппараты, системы охлаждения электроники и энергосберегающие устройства.

Реализованы модели ламинарного и турбулентного режимов течения как при вынужденной, так и при свободной конвекции. Предусмотрена возможность учета влияния вязкой диссипации и работы сил давления на распределение температуры. Для моделирования турбулентности используются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье — Стокса (RANS) и модели турбулентной вязкости, такие как k-ε, низкорейнольдсовая k-ε, алгебраические Y+ и LVEL. При совместном использовании с модулем Вычислительная гидродинамика также доступны дополнительные модели турбулентности — реалистичная k-ε, k-ω, переноса касательного напряжения (SST), v2-f и Спаларта-Аллмараса.

Сопряжение на границе раздела жидкой и твердой фаз осуществляется автоматически с использованием условий непрерывности, пристеночных функций или автоматического выбора модели пристеночной области в зависимости от модели потока. Учет свободной конвекции легко включается с помощью выбора опции Гравитация.

Тонкие слои и оболочки

Для моделирования теплопередачи в тонких слоях и оболочках в модуле Теплопередача предусмотрены специальные инструменты, обеспечивающие эффективность и точность вычислений. С их помощью можно изучить теплопередачу в слоях, геометрически намного более тонких, чем остальные элементы модели, и избежать необходимости использования трехмерной сетки в этих тонких слоях.

Модель термически тонкого слоя используется для моделирования высокопроводящих материалов в случаях, когда участие слоя в процессе теплопередачи осуществляется в основном по касательной и когда разностью температур между сторонами слоев можно пренебречь. Модель термически толстого слоя, напротив, описывает низкопроводящие материалы, создающие термическое сопротивление в направлении, перпендикулярном поверхности слоя. В такой модели вычисляется разность температур между двумя сторонами слоя. Наконец, обощенная модель обеспечивает высокую точность и универсальность, поскольку включает полные тепловые уравнения.

В тонких слоях можно задавать те же тепловые нагрузки, что и в обычных доменах модели. В частности, на слоях можно задавать источники или стоки тепла, а тепловые потоки и теплообмен излучением можно задавать на обеих сторонах тоникх слоев.

Теплообмен излучением между телами в прозрачной среде

В модуле Теплопередача для моделирования теплообмена излучением между твердыми телами в прозрачной среде с двухмерной, двумерной осесимметричной и трехмерной геометрией используется метод излучательности. Свойства поверхности можно задать как функцию от температуры, длины волны излучения или любой другой модельной переменной. Также можно задать характеристики прозрачности в пяти спектральных диапазонах.

Для учета солнечного излучения и излучения в окружающую среду доступны специальные опции, которые позволяют задать разный коэффициент поглощения (степень черноты) для коротковолнового (характерного для солнечного излучения) и длинноволнового (характерного для излучения окружающей среды) частей спектра. Кроме того, по географическому положению и времени суток можно легко определить направление солнечного излучения.

Угловые коэффициенты излучения рассчитываются методом полукуба или прямым интегрированием по поверхности. Для экономии вычислительных ресурсов при моделировании можно использовать условия симметрии. Если геометрия расчетной области изменяется в процессе моделирования, например, при использовании подвижной сетки, угловые коэффициенты излучения пересчитываются автоматически.

Фазовые переходы

Модуль Теплопередача позволяет анализировать процессы теплообмена при фазовых переходах. В узле Phase Change Material (Область фазового перехода) интерфейса Heat Transfer (Теплопередача) реализована модель кажущейся теплоемкости, которая используется для описания фазового перехода. Модель учитывает изменение свойств материала и теплоту фазового перехода, в том числе позволяет рассчитать изменение объема при помощи подвижных сеток.

Библиотека приложений COMSOL^® содержит учебные модели, в которых скорость межфазной границы рассчитывается с помощью интерфейса Deformed Geometry (Изменяемая геометрия) и условия энергетического равновесия Стефана на границе раздела фаз.

Анализ процессов теплопроводности, конвекции и излучения

Модуль Теплопередача предназначается для подробного анализа различных механизмов переноса тепла и раширяет спектр задач, которые можно решать с помощью основной платформы моделирования COMSOL Multiphysics^®.

Для описания свойств материала можно использовать изотропный или анизотропный коэффициент теплопроводности, заданный постоянным значением или функцией от температуры (или любой другой модельной переменной).

Учет конвективного переноса тепла, обусловленного движением жидкости или газа. Можно включить в модель расчет работы сил давления и вязкой диссипации, а также смоделировать вынужденную и свободную конвекцию. При включении опции учета гравитации в интерфейсе Single-Phase Flow (Однофазный поток) свободная конвекция моделируется автоматически.

Для расчета теплообмена излучением между твердыми телами в прозрачной среде в модуле Теплопередача используется метод излучательности, а перенос излучения в недиатермических средах моделируется с помощью методов Росселанда, сферических гармоник (P1-приближение) и метода дискретных ординат. Для описания распространения пучка излучения в поглощающих средах используется закон Бэра — Ламберта. Это явление можно моделировать совместно с другими механизмами теплопередачи.

Что можно моделировать с помощью модуля Теплопередача

В случаях, когда расчет теплопередачи является основной целью исследования или входит в состав более объемного и сложного анализа, почти наверняка потребуется изучение нескольких физических воздействий одновременно. С помощью функций мультифизического моделирования программного обеспечения COMSOL^® можно выполнить полный и тщательный анализ в единой среде моделирования, последовательно рассматривая все физические явления. С помощью интуитивно понятного подхода к моделированию можно учесть теплопередачу во всех физических явлениях, происходящих в исследуемой системе.

В следующих примерах рассмотрены лишь некоторые возможности анализа, доступные в COMSOL Multiphysics^® и модуле Теплопередача.

Электромагнитный нагрев

Различные режимы электромагнитного нагрева моделируются с помощью совместного решения уравнений теплопередачи и электромагнитных полей. С помощью модуля Теплопередача можно проанализировать воздействие джоулева, индукционного и микроволнового нагрева.

Эти возможности мультифизического моделирования полезны при проектировании и анализе подземных кабелей, плавких предохранителей, катушек индуктивности, а также во многих других задачах.

Можно воспользоваться расширенными возможностями моделирования электромагнитного нагрева, используя модуль Теплопередача вместе со следующими модулями: модуль AC/DC, модуль Радиочастоты, модуль Геометрическая оптика и модуль Волновая оптика.

Теплопередача в пористых средах

В модуле Теплопередача имеются интерфейсы, реализующие надежные методики моделирования теплопередачи в пористых средах с учетом теплопроводности и конвекции в твердой матрице и подвижной фазе, зполняющей поры. Можно выбрать различные методы осреднения, чтобы определить действующие характеристики теплопередачи, которые рассчитываются автоматически на основе соответствующих свойств твердых и жидких материалов. Можно также использовать встроенный функционал для расчета рассеивания тепла в пористых средах вследствие движения жидкости по извилистой траектории через поры.

Модуль Теплопередача можно использовать вместе с модулем Вычислительная гидродинамика и модулем Течения в пористых средах для расчета поля течения в пористых средах (закон Дарси и более общее уравнение Бринкмана) и сопряжения с моделью теплопередачи.

Для описания локального термодинамического равновесия можно использовать интерфейс LTNE, в котором реализованы уравнения для расчета полей температуры в жидкости и пористой матрице, а также условия сопряжения на границе раздела «жидкость — твердое тело» в порах.

Температурное напряжение

Тепловое расширение — очень распространенное явление, следствием которого является возникновение значительных температурных напряжений. Это эффект может быть полезным, как например, при посадке с натягом и при использовании биметаллических температурных датчиков, но может бытть и нежелательным. Например, температурные напряжения могут отрицательно воздействовать на элементы конструкции зданий, из-за чего возникает необходимость в компенсационных стыках. Также негативное воздействие испытывают устройства, подверженные большим перепадам температурам и циклическим тепловым нагрузкам.

Тепловой анализ позволяет оптимизировать тепловое расширение так, чтобы свести его к минимуму или, наоборот, довести до максимума в зависимости от конкретной задачи. Это явление можно смоделировать и проанализировать с помощью модуля Теплопередача, благодаря мультифизическим связям.

При использовании модуля Теплопередача вместе с модулем Механика конструкций открывается больше возможностей для анализа термического напряжения в устройствах, компонентах или системах — например, расчет сопряженной теплопередачи или теплопередачи в тонких оболочках.

Имеются модели для расчета контакного термического сопротивления, которое зависит, в том числе, от механического давления в зоне контакта. Можно учесть вклад теплообмена излучением в малом зазоре между контактирующими поверхностями. Давление в месте контакта и ширина зазора определяются из решения механической задачи.

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрические эффекты Пельтье — Зеебека — Томсона можно моделировать путем связывания физических интерфейсов, предназначенных для расчета электрических токов и температуры в твердых телах.

Необходимы для расчета свойства можно задать, используя библиотеку термоэлектрических материалов, в которой присутствуют такие вещества, как например, теллурид висмута и теллурид свинца. Кроме того, всегда можно задать свойства материалов самостоятельно или связать модуль AC/DC с модулем Теплопередача, чтобы обеспечить расширенные возможности моделирования электрических токов и полей.

Охлаждение электроники

Модуль Теплопередача позволяет моделировать системы охлаждения, что особенно актуально при выполнении исследований, связанных с проектированием электронных устройств и компонентов, например микросхем или систем электропитания. С помощью моделирования различных механизмов теплопередачи можно обеспечить оптимальные условия работы и повысить эффективность. COMSOL также позволяет моделировать процессы в тепловых трубках, используемых в микроэлектронике и компьютерах.

При анализе охлаждения электронного оборудования важно обеспечить эффективность и точность моделирования, чтобы избежать отказов и нерациональной компоновки. Модуль Теплопередача позволяет моделировать системы охлаждения с высокой точностью и вычислительной эффективностью. С помощью библиотеки деталей радиаторов охлаждения, включенной в состав модуля, можно с легкостью построить сложные геометрические модели.

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты нашли применение в самых разных областях, таких как водоподготовка, переработка природных ресурсов, ядерная энергетика, производство пищевых продуктов и напитков, охлаждение, заморозка и другие.

В Библиотеке приложений содержатся учебные модели для следующих типов теплообменников:

• Концентрические теплообменники
• Теплообменники типа «труба в трубе»
• Кожухотрубные теплообменники
• Компактные теплообменники
• Оребренные трубы

При анализе теплообменника учитывается сочетание теплопередачи в теплоносителе и в твердых элементах конструкции. Теплоносители переносят энергию на большие расстояния, а твердые элементы разделяют их, обеспечивая теплообмен без смешивания. В программном обеспечении COMSOL Multiphysics^® имеются физические интерфейсы, позволяющие смоделировать процессы, происходящие в таких устройствах, в том числе принудительную конвекцию и фазовые переходы.

Термоменеджмент зданий

Медицинские технологии

С помощью моделирования теплопередачи можно анализировать различные процессы и явления в медицинской сфере, например, абляцию опухолей, работу кожных датчиков и некроз тканей. Специальные функции в модуле Теплопередача можно использовать для моделирования тепловых явлений в человеческих тканях.

С помощью COMSOL^® можно решать уравнение переноса тепла в биотканях и моделировать тепловые эффекты с учетом свойств крови, скорости перфузии крови и метаболического тепловыделения. В анализ можно легко включить воздействия микроволнового, резистивного, лучевого нагрева и нагрева в результате химических реакций.

Испарительное охлаждение

Эффективный анализ теплопередачи с помощью приложений для моделирования

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы посвятить новым проектам, если бы вам не приходилось выполнять однотипные расчеты для ваших коллег. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics^®, вы можете создавать приложения, которые упрощают процесс моделирования, предоставляя возможность ограничивать набор входных данных и управлять выводом результатов расчета. С помощью приложений ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

В приложении можно легко изменять расчетные параметры, например, тепловой поток, рабочие условия, свойства материалов или параметры геометрической модели, и выполнять моделирование столько раз, сколько это необходимо, без перенастройки всей расчетной модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Процедура проста:

• Преобразуйте вашу сложную модель теплопередачи в приложение с простым пользовательским интерфейсом
• Настройте приложение, добавляя поля для ввода и вывода нужных данных, которые будут доступны пользователям
• Используйте продукты COMSOL Server™ или COMSOL Compiler™ для развертывания приложений и предоставьте доступ вашим коллегам или клиентам
• Позвольте вашим коллегам или клиентам выполнять свои расчеты и исследования без вашей помощи

С помощью приложений вы можете расширить возможности моделирования в пределах вашей рабочей группы, организации, учебного класса или для ваших клиентов.