每页:
搜索

传热与相变 博客文章

多孔介质中的热平衡与热非平衡传热

2020年 3月 3日

由于具有适用性强、低成本和特殊的热性能等特点,多孔材料的应用范围越来越广泛。例如,因具有优异的机械和热性能,泡沫材料越来越多地用于不同的航空应用。在电动汽车所用的电池中也发现了多孔结构。我们甚至在自然界中发现了无数多孔材料,例如土壤,岩石和木材。当使用它们时,我们会利用它们的热性能。多孔材料的许多工业应用均要求它们具有优良的热性能。 微观层面的热传递 让我们从微观层面上仔细研究多孔结构中的热传递。正如我们之前的博客文章中所讨论的,我们使用这些发现来验证和理解宏观层面的流动方程。在该示例中,流动是等温的,因此我们不研究孔隙几何结构在热传输中的意义。由于流体的热性能可能与固体的性质显著不同,因此,它们之间的相互作用对于理解热传递如何在多孔介质中工作至关重要。   一个冷却的多孔结构的温度演变过程。初始局部不平衡会随时间达到热平衡。 使用与之前的博客文章中相同的示例,并注入比多孔基质热得多的流体。我们观察到,多孔基质 T\textrm{s} 和流体的温度 T\textrm{f} 最初不相同,并且随着时间变化逐渐达到平衡。当然,这取决于边界条件以及流体和固体的热性质。在许多应用中,该假设 T\textrm{s}=T\textrm{f} 是有效的,我们称其为(局部)热平衡;而在其他应用中,该假设是无效的,我们称其为(局部)热非平衡T\textrm{s}\neq T\textrm{f} “局部”是指温度T\textrm{f} 和 T\textrm{s}的逐点比较。 热平衡下的热传递 在局部热平衡假设下,我们只需要一个方程来描述整个(固体和流体)多孔结构的平均温度。基于能量守恒以及应用混合规则,热传递方程式可以表达为 (1) \left(\rho Cp\right)\textrm{eff}\frac{\partial T}{\partial t}+\rho\textrm{f} C{p,\textrm{f}} \mathbf{u}\cdot\nabla T+\nabla\cdot(-k\textrm{eff}\nabla T)=Q 显然,这与众所周知的传热方程式非常相似。流体和多孔介质的热特性被组合为有效特性,即有效体积热容和有效导热率。 \left(\rho Cp\right)\textrm{eff}=\theta\textrm{p}\rho\textrm{s}C{p,\textrm{s}}+\theta\textrm{f}\rho\textrm{f}C{p,\textrm{f}} 式中,指数\textrm{f}和 \textrm{s}分别代表流体和固体, \rho 是密度 Cp 为恒压下的热容,\theta\textrm{s} 为固体体积分数。假设为完全饱和的多孔介质,孔隙率将对应于流体体积分数 \theta\textrm{f} =1-\theta\textrm{s}。 对于热传导,有效的热导率 k\textrm{eff} 取决于多孔介质的结构以及固体和流体的热导率。该软件提供了三个选项来计算有效导热率k\textrm{eff} : 体积平均值,代表与热通量平行的固体和流体条纹 k\textrm{eff}=\theta\textrm{s} k\textrm{s} + \theta\textrm{f} k\textrm{f} 倒数平均值,垂直于热通量的固体和流体条纹 \frac{1}{k\textrm{eff}}=\frac{\theta\textrm{s}}{k\textrm{s}} + \frac{ \theta\textrm{f}}{k\textrm{f}} 幂定律,对于固体和流体具有相似热导率的随机几何k\textrm{eff}=k\textrm{s}^{\theta\textrm{p} }\cdot k\textrm{f}^{\theta\textrm{f}} 下面,我们通过使用多孔材料的人工示例来说明这三种平均技术,并将不同选项的结果与计算值进行比较。 使用不同有效导热系数选项计算的平均温度比较。从左至右:固体(灰色)和液体(蓝色)材料分别以并行,平行和格纹的方式排列。热通量是由上下边界之间的规定温差产生的。 上述图示表明,结构越精细,由倒数平均值和幂定律计算的近似值越好。真正的有效导热系数介于体积平均值和倒数平均值之间,根据 混合物的规则,分别对应上限和下限。如果对流是主要作用,那么混合规则对热导率的作用就不那么重要了。 多孔材料也可以由几种固体和不流动的流体组成。例如,由不同矿物质和截留的液体组成的岩石。也可以在模型中考虑这一点,有效材料属性也相应地被计算。例如,可根据k\textrm{s}=\displaystyle\sum{i=1}\theta{\textrm{p}i}k{\textrm{s}i}来计算由 i 种不同材料组成的多孔基质的体积平均导热率。 热分散 热分散是与多孔微结构有关的另一个重要作用。通常,对于以对流为主的状态,流体在孔隙尺度上遵循旋涡状路径,从而增强了固相和液相之间的热交换。宏观上,这是通过对热传递方程式 (等式1), k\textrm{disp}=\rho\textrm{f} C{p,\textrm{f}} D{ij}有贡献的附加热导率来描述的, 其中D_{ij} 是由于快速速度场而导致的分散张量。 我们将计算结果与之前博客文章中示例的平均温度结果相比较。下图显示了通过微尺度方法计算出的平均温度,以及从具有和不具有热分散的平均宏观方程式中获得的值。 微观和宏观方法的平均温度比较。包括热分散时,会更好地匹配。 热非平衡下的热传递 如本篇博客文章开头所述,局部热平衡并不总是能达到的。特别的,对于快速的非等温流动,较短的时间尺度,或在强烈依赖于其他影响(例如相变)的情况下,固体和流体温度之间的差异可能很大。此时 等式 1 并不完全有效,必须分别考虑各相的能量平衡,并且必须以显式方式考虑两相之间的热交换。这是通过两个温度模型完成的。局部热非平衡方法 方法 […]

分析融化的冻结夹杂物的影响

2020年 2月 4日

通过模拟气候变化的影响,科学家可以设计解决方案以减轻其潜在影响。气候学家希望可以解决北方寒带地区多年冻土的融化问题,并且能对这些地区产生影响和很好的正反馈。InterFrost 项目设计,以测试,评估。此处的示例通过使用热-水力方法对高于零度以上的土壤中融化的冷冻夹杂物进行建模,并与 InterFrost 标准案例进行比较。 什么是冷冻夹杂物? 冷冻夹杂物是指固体物质内部的一些冷冻物体,就像披萨(内部)需要微波加热后才能食用。不连续或零星的永久冻土是另一个例子:在多孔(但仍然是固体)土壤内部中冻结的冰块。水中的冰块属于另一类是冷冻夹杂物(冰块没有被固定)。 冷冻夹杂物的 3D 图:结果显示 9 小时后(白色表面)包裹体内的冰块、速度流线(颜色表示水头)和周围温度(等值面)。 对 COMSOL Multiphysics® 中的冻结夹杂物建模 在此示例中,您可以模拟冷冻夹杂物从冰到水这一相变过程。它是如何融化的?融化需要多长时间?还需要多长时间才能将所有冷水从冰冻的土壤中排出? 这种特定的模拟不仅对于气候学家和地球科学家特别有用,而且对于任何分析多孔介质中的相变感兴趣的人也很有用。在本教程中,我们考虑永久冻土。 给定的几何图形如下所示。这条通道长3米,宽1米。冷冻物长 33.3 厘米,位于(x,y)=(1,0.5)处,温度为 -5°C 。由于对称性,我们只模拟了通道的下半部分。 模型的几何形状,显示了初始温度分布和边界条件(零传导通量,零通量)。 有一些给定的数字,包括冷冻夹杂物的温度、水的温度、几何尺寸和水头的梯度。 此示例中有几个方程,最著名的是达西定律。您还可以假设以下内容: 传热方程不考虑热弥散 水的密度恒定不变 水动力粘度恒定不变 分析仿真结果 冷冻夹杂物仅在大约20个小时后(模拟时间)融化了。但是,需要整整 56 个小时的模拟时间才能将较低的温度从通道中全部对流出去(这是因为多孔介质比自由介质更能保持温度)。让我们来看一下模拟结果… 9小时后,土壤中仍可见明显的冷冻夹杂物。 面图显示了 9 小时后的温度分布。 56 个小时后,冰完全融化,较低的温度几乎脱离了通道。 面图显示了 56 个小时后的温度分布。 尽管此标准模型只是一个简单的示例,但它表明研究人员可以通过仿真来分析相似或更复杂的问题。例如,如果冷冻夹杂物不是矩形而是正弦形状变化的,该怎么办?此外,模拟这样的问题可以帮助气候学家确定冰何时融化并导致水饱和,这将会引发许多地质问题。 第二种情况 为了使事情变得更有趣,让我们看看如果土壤中有两个冰块会发生什么。在实际情况下,多年冻土中会有许多冷冻夹杂物。首先,在几何图形中添加另一个冰块。 现在,让我们再次运行仿真程序。您认为会发生什么? 从上面的动画中我们可以看到,冰块最初以相同的速度融化,但是第二个冰块的融化速度在大约 9 小时后变慢了。您可以观察温度梯度的变化以了解原因。 起初,这些冰块彼此独立,各自融化。 一段时间后,第一个冰块的低温会向下移动到第二个冰块处。这降低了第二个冰块周围的温差,进而降低了其融化的速率。如下图所示,这在 18 小时非常清楚。   第一个冰块在 21 个小时后融化,但是第二个冰块还有一段路要走,并且它仍会受到第一个冰块对其造成的温度梯度的影响。 第二个冰块融化需要 29 个小时(第一个冰块融化后的第 9 个小时),低温从通道中对流出需要 56 个小时。 结论 冷冻夹杂物的融化可能很难通过解析的方法来解决,但是可以使用热-水力方法来模拟简单或复杂的问题。如该标准模型,后续示例和 InterFrost 项目所示,仿真是一种强大的工具,可用于对永久冻土融化进行建模并预测北方地区气候变化的影响。 下面是如何使用 COMSOL Multiphysics 来创建有关环境问题的模型和示例: 模拟人工地面冻结方法 预测堤防结构的变形 通过单击下面的按钮,尝试使用 “冷冻物” 教程模型自己对冷冻夹杂物的融化进行建模。这样做将带您到案例库中,在那里您可以下载其他 PDF 文档和 MPH 文件(带有 […]

通过流体动力学研究煎饼制作的最佳方法

2019年 11月 6日

对于物理学家来说,随时随地都可以寻求设计和技术的灵感。对于一个饥饿的物理学家而言,灵感可以在进餐时迸发出来。举一个很好的例子:一个经验丰富的厨师很容易用一种烹饪方法来制作煎饼,但对于一个家庭厨师来说,制作煎饼就会带来挫败感。在寻找怎样制作出完美煎饼的过程中,两名研究人员使用模拟方法来研究是否可以更好地烹饪这道经典美食……

3D打印散热器设计的仿真与优化

2019年 4月 18日

有时,在设备开发的某个阶段,你会遇到进退两难的境地。例如,弗劳恩霍夫增材制造技术研究所(IAPT)设计了一种具有最优化拓扑结构的散热器,但复杂的几何结构使其难以制造。他们从一种增材制造工艺中找到了解决方案,但这种方法有其自身的限制。为了找出最佳散热器设计,他们需要一种方法来协调这些问题……

动力学集体模型中的流体动力学热输运

2019年 2月 28日

巴塞罗那自治大学(Universitat Autònoma de Barcelona, UAB)的F. Xavier Alvarez讨论了借助COMSOL Multiphysics® 在纳米尺度上模拟传热,从而更好地理解传热过程。

仿真 App 助力 ABB 牵引电机公司实现数字化

2019年 2月 26日

工业 4.0 和数字孪生是我们每天听到的流行语。一个公司如何在这方面发展,COMSOL 如何在新时代发挥作用呢?本文我们将探讨一个用户的成功案例:ABB 牵引电机公司将仿真 App 用于电机设计来实现大规模定制。通过将高保真多物理场模型转化为仿真 App,ABB 公司计划为产品设计和销售等多个部门提供新的分析功能。

多物理场仿真优化加热电路设计

2019年 2月 12日

加热电路广泛存在于飞机、电子留言板、医疗存储设备等设施中。与其他大多数加热元件一样,加热电路通过电阻加热工作,其中涉及电流,热传递和结构变形的多物理过程。为了解释这些现象及其他关键设计因素,工程师可以使用COMSOL Multiphysics®软件创建加热电路的虚拟原型。

建筑设计中的消防系统建模与仿真

2019年 1月 29日

当提到防火措施时,您首先想到的可能是让所有人都安全撤离建筑物的后勤工作(即避免接触有害烟雾、化学物质和高温)。支持这些后勤工作的是一些主动措施,例如警报和自动喷水灭火系统,以及内置在其结构中的一些被动措施,以尽量减少损失。为了确保在设计建筑物时考虑到防火措施,工程师可以模拟暴露在火中的建筑物结构的状态。 为火灾做准备 想象一下,当您正在工作,准备一个重要的演讲时,一个刺耳的警报响起。当您把头伸出会议室门外时,看到闪烁的灯光。 您对一位路过的同事说:“我不知道今天有消防演习。” 他一边回答说:“没有”,一边冲出大厅。 然后,你就会闻到烟味。 幸运的是,如果真的发生火灾,您的工作场所已不止一次地练习疏散撤离建筑物,您知道最快的出口路线(以及备选路线)。如果您是房间里的最后一个人,则要关闭(但不要锁上)身后的门,并且知道大家都去哪里集合并等待消防人员的到来。 在遵循上述步骤并安全撤离大楼后,您和您的同事在外面闲逛,并推测导致警报响起的原因。大楼里是真的着火了吗?当您看到有不止一辆消防车来的时候,您会担心情况可能会比想象的要糟糕一些。过了一会警报关闭后,消防人员携带各种工具进进出出,有些在大厅里扫地,有些在清扫周边。 最后,消防员开始收拾装备并准备离开,在大厅里您看到老板与大楼经理在说话。随后老板让所有人聚在一起,然后说:“好吧,大家!我们需要来谈一谈微波炉的安全问题了。” 当他举起一个酥脆的,略带烧焦的爆米花时,轻松的笑声在人群中荡漾开来。尽管引起混乱的原因是一个午后的小点心,但您仍然感激每个人都遵循程序并安全地撤离了大楼。 典型的火警喇叭/频闪灯。 就像您的工作场所为火灾事件提前做好了准备一样,在每个建筑物投入使用之前,设计它的工程师和建筑师就考虑到了突发火灾的情况并做出了相应的计划。无论是对于医院,住房或是高层公寓大楼,安全规范有助于建筑行业专业人员在测试材料的强度和耐火性以及采用防火和防烟方法时遵守公认的规范。 其中一套规范是欧洲制定的标准(EN)1991 ——《建筑物结构上的作用》。在该标准中的1991-1-2(“对建筑物暴露在火中的结构设计”)章中详细介绍了防火的结构设计,温度对结构的影响,以及火灾密度等。用仿真软件对建筑物火灾进行分析,必须遵循上述所说的规范。 牢记这一标准,接下来我们将向您展示用COMSOL Multiphysics®软件进行建筑物防火模拟的示例。在此之前,让我们来看一下在最开始设计建筑物时应考虑的一些防火措施。 平衡主动和被动消防系统 在设计一栋建筑物时,最重要的是考虑建筑物的整体性。在建筑物理中,了解建筑的物理性有助于创建高性能的结构并延长其生命周期。除了遵守规范外,建筑物理学关注的领域还包括建筑设施的管理、取证、修复、保护以及拆除和回收。 如今,那些对建筑物理学感兴趣的人经常使用模拟仿真来测试建筑系统设计的可靠性以及其他所需的功能,例如隔音等。对于解决消防背后的复杂物理问题并满足设计承重结构的标准,仿真也是很有用的方法。虽然真实火灾的特征可能是无法预测的,但模拟可以帮助工程师分析不同的场景并最大程度地减少火灾的危害。此外,不同类型的保护系统对火和烟雾的反应也有所不同。因此,在每个设计中都必须考虑到加热和冷却的效果,无论是对于带有钢梁和钢筋混凝土的结构系统还是机械系统(例如通风系统)。 梁中的热应力(兆帕)。 工程师在设计建筑物时通常会考虑两种类型的防火措施:主动措施和被动措施。在火灾期间,我们通常会考虑采取主动措施:探测和预警系统,灭火或控制火灾的自动灭火系统(如洒水装置),消防区域和逃生路线。但是对于整体消防而言,采取被动措施同样很重要,这些措施可确保建筑物的结构完整并减缓或阻止火灾蔓延。在消防方面,最好同时拥有主动和被动消防系统,以防一个或多个系统出现故障。 防火材料和建筑设计 材料在建筑物理中起着关键作用,对于防火也是如此。工程师必须遵守(例如)钢制接缝系统、混凝土地板、矿棉隔热材料以及石膏基灰泥和墙板等材料的耐火等级,并且必须是在保持建筑物结构完整性的同时遵守耐火等级。 为建筑物的关键部件选择最佳材料后,工程师还需要研究其内部结构。我们采取分隔的方法,例如设置防火屏障(如墙和门),这样即使建筑物有部分倒塌,这些分隔的结构仍然保持直立状态。这些防火屏障还可以在一段很长的时间将火和烟限制在一定区域内,以便可以让建筑物内的人们能够安全撤离。主动措施与这些被动屏障系统协同工作,有助于快速检测烟雾,保持封闭区域内尽可能清新,并在发生火灾时抑制大火的蔓延。 由于障碍物内的开口(例如窗户)以及水管工或电工所做的一些改动,设计这些障碍物并保持其耐火性就变得极具挑战性。此外,在设计这些屏障时,需要考虑在风管中使用防火阀的位置。还有一个重要的步骤是测试防火玻璃和框架,经常检查障碍物是否存在不足,在电缆上涂上涂料,并根据需要使用其他防火措施。 被动消防系统包括耐火隔热材料和管道系统(左)。窗户玻璃和框架(右)应进行防火测试,尤其是在防火屏障中。 为了满足防火的需求,建筑物的材料也在不断改善。人们对建筑物的要求越来越高,需要越来越高的可持续发展性。能够适应这种趋势的材料包括工程木材,如交叉层压木材,层压单板木材和胶合层压木材。然而,使用木质材料,尤其是高层建筑所需的那种结构系统,可能会增加燃料负荷,导致火灾加剧,同时会使主动和被动系统都不堪重负。 此外,较轻的材料(如石膏墙板和电线的耐火喷雾剂)也被更多地用于高层建筑物。正因为如此,建筑规范正在发生变化,越来越多地依赖于主动保护措施,而不是被动措施,这又意味着被动措施存在被忽视的风险。 电线和电缆可以涂阻燃剂,以改善消防系统。 工程师在评估风险和制定建筑防火方案时,他们必须考虑材料的耐火性,这意味着需要进行大量研究和实验,以确保被动和主动措施均符合规范。 对建筑进行建模探究火灾对结构的影响 建模用到了COMSOL Multiphysics和其附加的传热模块。让我们看一看这些仿真模型(您可以在应用程序中找到),这些模型的建立满足欧洲规范的“暴露于火灾中的结构”。这些单个模型可能看起来很简单,但是它们可以让您使用模拟软件准确地获取重要的消防信息。 冷却和加热 前面两个例子涉及冷却和加热过程。在第一个示例中,对瞬态冷却过程进行了建模,结果显示了1800秒时间内的温度分布。将模拟结果与欧洲规范的结果进行比较后发现,模拟结果在规范指定的有效范围之内。对于第二个示例,其在180分钟后的温度分布,与参考温度也非常接近。 冷却过程超过1800秒,显示参考温度(蓝色)和计算温度(绿色)。 多层传热 通过模拟还可以帮助您研究具有不同特性的不同材料层中的热传递。(在这种情况下,外层材料是钢,其材料属性通过欧洲规范给出。)该模型从初始温度1000°C开始计算180分钟内的传热情况。结果与欧洲标准中给出的温度非常匹配。 仅在材料的热容存在强非线性的时候温度计算其绝对误差结果与规范有一定偏离。我们可以对我们的结果充满信心,因为参考值是由不同软件包计算结果取平均而来,并且这些值中存在异常值是导致该区域的温度过低的原因。 左图:模型几何图形和图层设置。右图:180分钟后的温度分布。 热伸长率 本示例验证计算出的伸长率与预期值相匹配。将模型的几何形状设置为边长为100 mm且温度均匀的的立方体。模型本身就是一个纯粹的结构力学问题。这里,模拟结果和参考值是完全匹配的,这是可以预料到的,因为热应变函数定义了形变,而形变是可以计算出来的。 显示热伸长率的立方体模型。 梁中的热应力 这个例子描述了暴露在温度梯度下的梁的非线性力学行为。该模型将传热和固体力学耦合在一起,应力-应变关系是取决于温度和应变的非线性函数。 在模型中,梁的上下表面可能会暴露在不同的温度下。在第一种情况下,两侧的温度都升高到120°C。然而,在第二种情况(如下所示)下,上侧(Tu)的温度为20℃,而下表面(Td)的温度为220℃。然后将主应力与参考值进行比较。在两种情况下,误差均在可允许范围内(即,低于最大允许误差5%)。 在Tu = 20°C和 Td = 220°C 时的应力分布。 由于COMSOL Multiphysics能够验证欧洲规范的测试用例结果,因此工程师可以使用仿真软件来研究建筑设计中消防系统的主动和被动措施。 下一步 了解如何创建本文提供的基准模型的详细信息,请单击下面的按钮。在案例库,您可以查看这些示例的文档,并(如果您具有有效的软件许可证)下载MPH文件。 获取教程模型 延展阅读 在COMSOL的博客上了解一家公司如何提高放射性材料屏蔽系统的耐火性 有关建筑物理和模拟的更多信息,请查看此博客文章:使用建筑物理模拟改善建筑设计 编者注:这篇博客文章旨在演示COMSOL®软件在构建物理模拟分析中的功能。此处提供的信息并不可以作为消防安全建议或专业知识。


第一页
上一页
1–8 of 66
浏览 COMSOL 博客