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传热 博客文章

通过传热仿真分析 LED 灯泡设计

2021年 7月 22日

在我年轻的时候,我花了很多时间参加体育锻炼和比赛。随着年龄的增长,我的训练和比赛被安排的越来越晚。我经常会在晚上去踢足球。然而,当我踏上球场时,它几乎像白天一样明亮…… 依靠 LED 技术的球场内外 球场附近的灯光使我和我的球队可以一直比赛到深夜。 夜晚灯光明亮的足球场。图片来自 Jonathan Petersson,Unsplash 我的经历并不是独一无二的:几十年来,世界各地的运动队都会在晚上比赛和练习。然而,最近几年,你可能已经注意到,球场上的一些区域比以前更加明亮了。这是为什么呢? 为了提高可持续性,许多体育组织选择用发光二极管(LED)技术来取代他们体育场馆的传统照明系统。LED 灯泡不仅比传统的白炽灯泡更节能,而且更亮。根据美国环境保护署(EPA)的说法,“绿色运动”的好处包括: 保护生物多样性 降低运营成本 创造和扩大绿色产品和服务市场 其他更多的好处 一种常用来为各种户外(和室内)体育场馆和球场照明的 LED 灯泡是 LED 玉米灯泡。就像一个运动员将日常生活和体育锻炼融入到一个时间表中一样,LED 灯泡必须将许多功能融入到一个系统中。通过仿真,工程师可以研究和更好地理解 LED 技术背后的原理。我们将在今天的博客文章中探讨一个例子。 多功能 LED 灯泡 走进一家五金店,经过庭院家具、烧烤架和户外电源设备的陈列台,你可能会发现一片 LED 玉米灯泡整齐地藏在一个专门用于照明设备的过道里。在这个区域,你可以看到各种各样大小、样式和价格不同的 LED 灯。它们通常由一二百个微小的发光二极管组成,排列在一起并固定在金属或环氧树脂结构上。非常贴切地,LED 玉米灯泡是以与它们形状相似的蔬菜命名的:玉米棒。 一个 LED 玉米灯泡。图片来自 Dmitry G – 自己的工作。通过Wikimedia Commons 获得CC BY-SA 3.0许可共享。 玉米 LED 灯泡的独特形状可能会吸引消费者的眼球,但正是它们的节能性能让它们成为高强度放电(HID)和白炽灯泡的热门替代品。与白炽灯泡相比,LED 预计将节省 75% 的能源,使用寿命可延长 25 倍。(参考1)。 为了增加它们的多功能性,这些灯泡的色温范围从 2700K 到 6000K。LED灯泡的色温代表灯的颜色。高开尔文(5500K-6500K)的灯泡是亮白色,低开尔文(2700-3000K)的灯泡是暖白色。 LED 玉米灯泡有多种风格,可适用于室外和室内应用,照亮从车库和仓库到高速公路和体育场的所有地方。 设计 LED 的挑战 尽管 led 通常被认为比传统灯泡更有高效,但在将电转化为光方面,它们仍然不是 100% 的有效。它们的一些能量以热量的形式释放出来。这种热量会滞留在灯泡的颈部,导致灯泡中的电子元件(如芯片)随着时间的推移而退化。因此,有些人已经注意到,LED的寿命只是其包装上承诺的寿命的一小部分。因此,热管理是设计 LED 灯泡时的一个重要考虑因素。 传热建模可以用来优化LED灯泡设计的几何形状和材料,估计灯泡内将会发生的最高温度。今天,我们将探索LED玉米灯泡的热模型。 在COMSOL Multiphysics®中模拟LED灯泡 LED 灯泡冷却教程模型 LED 灯泡冷却教程模型通过考虑 LED 芯片的加热、浮力驱动气流的冷却和周围环境的辐射来估计 LED 玉米灯泡的温度。此外,还考虑了能量传输和动量传输之间的耦合,来计算 LED 灯泡内外的非等温气流。 […]

使用仿真对暖通空调系统设计进行微调

2021年 6月 23日

你是不是经常会发现:你感到办公室很热,而你的同事却冷得在发抖?或者可能是反过来,你才是那个感到冷的人。这就像“一个杯子是半满还是半空”这个古老的问题一样,对环境温度的感知因人而异。为了确保建筑物内居住者的最大舒适度,供暖、通风和空调(HVAC)系统工程师可以通过多物理仿真精确评估室内气候条件。

焦糖制作背后的科学原理

2021年 6月 6日

许多人(包括我自己)都喜欢看一档烹饪比赛节目The Great British Bake Off :不仅节目有趣,而且里面的食谱看起来也很美味。我在看节目时注意到的一件事情,就是当被要求用焦糖烤东西时,参赛者通常都会抱怨。原因是制作焦糖是一项不稳定的任务——一个错误的举动就会毁了整批成果。让我们在制作这种甜蜜的美味时,审视一下其中隐藏的复杂物理现象吧。 焦糖烹饪基础 你知道米尔顿·s·赫尔希,著名的赫尔希巧克力棒的创造者,他是以制作焦糖开始他的糖果生涯的,而不是巧克力?或者说现在流行的咸焦糖味就是在 20 世纪 70 年代被一个叫亨利·勒·鲁的巧克力商发明的?除了这些有趣的事实,从制作到理解复杂的化学过程本身还有很多我们不知道的焦糖化过程。 从技术上来说,我们制作焦糖实际上需要的唯一成分是糖(尽管很多配方中也需要水、黄油、奶油和一点盐来降低甜味)。制作过程本身似乎很简单。根据精致烹饪 这篇文章讲述的,制作焦糖可以用干法或湿法制备: 干法制备: 将白砂糖在中高温下烧至冒泡,最后变成金黄色 湿法制备:往锅里加点水,这样糖可以煮得更久,颜色变化丰富,味道也更好 “炒糖色”的制作过程(从开始加热需要一直搅拌)。 焦糖化后的白砂糖(图中用的是蔗糖)。 看起来似乎很容易,对吧?没那么简单。如果我们没有注意到一些重要的要点,那么你炒的糖色最终可能会被扔进垃圾桶,而不是美味的焦糖布丁或巧克力蛋糕了! 燃烧 在用干法炒糖色时,温度的把控是很重要的,这样糖就不会烧焦(也就是我们常说的火候)。提示:精密的温度计实时测量焦糖的精确温度及其变化不失为一个好方法。下面的表格是使用专业的温度计测量的制作焦糖的全过程。 温度 焦糖的状态 160 ℃ (320 ℉) 砂糖变成透明的、融化的液体糖 171 ℃ (340 ℉) 液体糖开始变成浅棕色;冷却时易碎 179 ℃ (355 ℉) 焦糖开始变成中棕色;冷却时变硬 185 ℃ (365 ℉) 焦糖变成深棕色;冷却时又软又黏 210 ℃ (410 ℉) 焦糖变得又黑又苦;通常在这个阶段用作着色剂 需要考虑温度的另一个重要方面是:当焦糖开始变成棕色时,这意味着物质中80% 的水分已经蒸发了。水在沸腾时需要大量的能量,因此水沸腾时的温度是恒定。当大多数水蒸发后,所有的能量都被用来提高焦糖的温度。焦糖的温度会快速上升,以至于很难将其保持在所需的温度范围内,如上表所示。因此,焦糖可能会燃烧,变得又苦又黑。 重结晶 如果你选择用湿法炒糖色,在糖里加水,那么会存在一定风险:糖浆会溅到锅的侧面。水蒸发后,留下了糖晶体。如果有一颗糖晶体掉进煮焦糖的锅里,它会引发糖晶体的连锁反应,使整锅糖都变硬。结果呢?会变成粗糙的颗粒状焦糖,这在大多数食谱中是不可用的。 炒糖色时,需要密切监控锅的侧面有没有沾到糖晶体。 许多厨师,包括前面提到的 The Great British Bake Off 节目中的参赛者有一种特殊的方法来避免重结晶:就是经常用湿面饼刷锅的侧面,以确保蒸发的糖浆不会形成糖晶体。 焦糖化过程及其背后的化学反应 当你炒制糖色时,可能会认为砂糖晶体会直接融化成酱汁——事实上,并没有这么简单。相反,糖在这个过程中经历了一个复杂的化学反应,叫做“非酶褐变反应”,其中的化合物会被热分解,而没有蛋白质或酶参与。 就普通蔗糖而言,焦糖化过程包括 4 个主要步骤。首先,发生 蔗糖转化,其中二糖蔗糖被分解成两个单糖:葡萄糖和果糖。 然后,施加的热量会发生冷凝。糖失去水分并相互反应,形成一种叫做二果糖酐的化合物。之后,进一步发生脱水反应,不同的糖之间发生更多的化学反应。最后,糖分子断裂并发生聚合。最终生成的三种大的棕色分子赋予焦糖味道、色泽和黏性: 焦糖酐(C12H18O9) 焦糖烯 (C36H50O25) 焦糖素 (C125H188O80) 此外,这个过程还会产生更小、更易挥发的分子,使焦糖具有美味的香气和风味,包括: 呋喃,产生坚果味 麦芽酚,产生烘烤的味道 乙酸乙酯,产生果味和芳香 二乙酰,赋予焦糖标志性的黄油味 焦糖化过程取决于许多不同的变量,包括糖的类型、加热温度和糖的加热时间等。事实上,焦糖化的程度取决于你想要用它来做什么。 焦糖化:不要与美拉德反应混淆 […]

我应该使用哪个辐射接口建立传热模型?

2021年 3月 4日

与传导和对流传热机制相比,辐射传热有其独特的特点。例如,辐射不需要任何介质就能远距离传输热量,在非常高的温度下主要是辐射传热产生作用。此外,辐射依赖于方向、波长和温度。那么,在 COMSOL Multiphysics 软件中,哪个接口可以最好地考虑我们传热模型中的辐射?

利用拓扑优化设计区域热网

2021年 2月 8日

发电厂在冬季可以利用热电联产达到高效供电。它是如何做到的呢?依靠区域热网。以前,这种网络设计仅限于小型网络的线性模型或非线性模型。最近的研究表明,我们可以使用基于梯度的优化的非线性模型设计大型网络(参考文献 2)。

庞巴迪运输公司使用仿真 App 设计电感器

2020年 11月 20日

庞巴迪运输公司(Bombardier Transportation)是全球铁路运输解决方案提供应商,与 60 个国家的 200 个主要城市建立了合作关系。事实上,每天有超过 5 亿乘客会乘坐庞巴迪的制造的列车。这些列车的部件需要根据不同客户的要求,以及不同供应商的规格要求定制。

多孔介质流模块简介

2020年 6月 11日

了解多孔介质流模块,用于模拟燃料电池过程中的多孔介质流,纸浆和纸张干燥,食品生产等。

使用多层材料技术模拟薄层中的传热

2020年 5月 15日

COMSOL Multiphysics® 软件功能全面,其中的多层材料技术可以计算薄层中的传热。如何以较小的成本获得精确的解是我们关心的问题。


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