用于分析热效应的传热建模软件

传热模式

在“传热模块”中，所有功能都基于传导、对流和辐射三种关键传热方式。对于热传导分析，材料的导热系数可以是各向同性或各向异性，既可以是常数，也可以是温度的函数；对于流体中的对流传热，可以分析强制对流和自然对流；辐射传热则提供了表面对表面辐射，以及半透明介质中的热辐射分析工具。

在实际场景中，传热的方式多种多样，通常是多种传热方式的组合。为了确保仿真结果的准确性，往往需要同时处理相应的方程组，“传热模块”为处理这些复杂情况提供了专业的工具。

A detailed view of a heating circuit showing the heat transfer and deformation due to the Joule effect.

A close-up view of a living room with a stove showing the radiative heat flux.

A detailed view of a heat sink showing the fluid flow streamlines through the heat sink pillars and the radiosity on the heat sink surfaces.

传热模块的主要应用

强大的多物理场耦合功能，轻松模拟多种热源

A detailed view of a busbar assembly showing the temperature distribution.

焦耳热

模拟固体、流体、壳和多层壳中的焦耳热（也称为电阻热）。

感应加热¹

模拟管线感应加热器和金属加工应用。

部分透明的波导弯头模型，以红色、白色和蓝色显示表面图（表示行波），并显示一个介质块，其中以红色、黄色和白色的颜色渐变显示温度。

微波加热²

模拟波导、组织和其他生物应用中的微波或射频加热。

半个玻璃圆柱体的局部放大图，其中在四分之一圆柱体中显示束流强度，并在另外四分之一圆柱体中显示温度分布。

激光加热³

使用比尔-朗伯定律模拟各种制造和生物医学过程中的激光加热和消融。

热应力⁴

了解在不同工作条件下热膨胀和热应力对系统的影响。

热接触

包含与固体力学模型中的接触压力相关的接触导热系数。

热电效应

分析珀尔帖-塞贝克-汤姆逊效应，并提供包含碲化铋和碲化铅等常见材料的材料库。

薄壳

在设计电子设备和电力系统部件时分析热性能。

多孔介质传热

分析多孔介质中的传导和对流以及热弥散。

局部热非平衡

模拟多孔介质传热，其中不使用局部热平衡假设，例如，孔隙中的快速流动。

A detailed view of a computer's power supply unit with a fan and grille showing the fluid flow through the unit and heat transfer in the components.

电子冷却

利用高效准确的仿真来分析冷却能力，以避免故障和次优设计。

换热器

分析远距离携带能量的流体，其中固体将不同的流体分离，以在不混合的情况下实现能量交换。

A detailed view of an electric probe with electric current streamlines and temperature isosurfaces of the surrounding tissue.

医学技术和生物加热

使用生物热方程分析医疗应用中的肿瘤消融、皮肤探针和组织坏死等过程。

蒸发冷却

模拟空气中的热湿传递以确定饱和压力，并综合考虑蒸发过程，有效避免冷凝现象的发生。

建筑结构部件的模型，其中以 HeatCamera 颜色表显示温度分布，并用箭头显示热通量。

建筑物热管理

分析木框架、窗框、多孔建筑材料和其他建筑结构的热性能。

冷冻干燥

计算耦合的热量和质量平衡，以模拟在多孔介质中演变的流-固界面。

航天器热分析

根据直接太阳辐射、反照率、行星红外通量以及航天器各部件之间的辐射传热来计算航天器的温度。

传热模块的主要功能

“传热模块”提供专用的工具分析热效应

共轭传热和非等温流动

“传热模块”针对共轭传热和非等温流动问题提供了专业的工具，支持自然对流和强制对流的仿真，包括层流和湍流。对于自然对流，用户只需点选重力复选框即可考虑浮升力的影响；此外，还可以考虑压力功和黏性耗散对温度分布的影响。

软件支持使用多种雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型进行湍流建模，包括 k-ε、低雷诺数 k-ε、代数 y+ 或 LVEL 湍流模型等。与 CFD 模块耦合使用时，还可以使用 Realizable k-ε、k-ω、剪切应力输运（SST）、v2-f 和 Spalart-Allmaras 湍流模型。对于各种湍流模型，软件使用连续性、壁函数或自动壁处理等方式，自动处理流-固界面的温度过渡，以确保仿真结果的准确性。

相变

“传热模块”提供了两种方法用来仿真传热问题中常见的相变现象。一种方法是通过使用相变材料 功能，基于表观热容公式，分析相变焓和材料属性的变化，这种方法同时支持几何的体积变化和拓扑变化。

另一种方法是通过相变界面 功能，基于 Stefan 能量平衡条件分析相变过程，以计算可能具有不同密度的两相之间的界面速度。这种方法与变形几何结合使用，计算效率很高，适用于几何没有拓扑结构变化的情况。

A close-up view of the Model Builder with the Thermal Expansion, Layered node highlighted and a heating circuit model in the Graphics window.

薄层和壳

对于薄层中的传热，“传热模块”提供了独立薄层和多层材料分析方法，可用于研究几何尺寸远小于模型其余部分的薄层中的传热现象，适用于薄层、壳、薄膜和裂隙等功能。

针对独立薄层，软件提供了适用于高导热材料的热薄层模型，这种情况中，传热沿薄层的切线方向，可以忽略薄层厚度方向两侧的温差。对于导热性较差的材料，软件提供了热厚层模型，这种情况中，材料在薄层的法线方向上起着热阻作用，需要计算层两侧之间的温差。同时，软件还提供了包含完整热方程的通用模型，作为一个高度精确且适用范围广的选项。

针对多层材料，软件提供了多个预处理工具，用于详细定义多层材料的结构和组成，支持从文件中加载多层结构构型，或将多层结构构型保存到文件，并提供层预览功能。通过这种方式，用户可以方便地为多层材料几何建模，并查看仿真结果。AC/DC 模块和结构力学模块中也提供了多层材料相关功能，与这些模块结合使用时，用户可以分析多层材料的电磁热或热膨胀等多物理场耦合效应。利用软件提供的热连接 多物理场耦合功能，还可以方便地设置域传热接口和壳传热 接口之间的热连续性。

A close-up view of the Model Builder with the Lumped Thermal System node highlighted and a 1D plot in the Graphics window.

集总热系统

“传热模块”提供一系列工具，用于精确计算热网络中的传热速率和温度分布。通过集总热系统 接口，用户可以方便地借助于热阻、热耗率和热质量等集总参数来进行热分析，其中温度和热耗率作为因变量，通过求解能量守恒方程提供准确的结果。

A close-up view of the Model Builder with the Surface-to-Surface Radiation node highlighted and a parasol model in the Graphics window.

表面对表面辐射

“传热模块”提供了多个适用于二维、二维轴对称和三维几何空间的功能，用于模拟漫反射表面、混合漫反射-镜面反射表面和半透明层上的表面对表面辐射。在表面之间和腔体内，辐射暴露情况可以使用注量率 特征来计算。

该模块针对太阳和环境辐射提供了预置的功能，用户可以针对短波长的太阳光谱与较长波长的环境光谱，定义不同的表面吸收率和辐射率。此外，用户还可以根据地理位置和时间来定义太阳辐射方向。

角系数的计算可以基于半立方体方法、射线发射法或直接积分面积法，用户还可以定义对称平面或扇区来提高计算效率。当仿真分析结合了动坐标系时，表面对表面辐射能够在几何发生变形时自动更新角系数。

A close-up view of the Radiation in Participating Media interface settings and a glass plate model in the Graphics window.

半透明介质中的辐射

“传热模块”提供了多种工具来分析半透明介质（参与介质、吸收和散射介质以及吸收介质中的辐射束）中的辐射。

针对参与介质中的辐射，模块提供了 Rosseland 近似、P1 近似或离散坐标法（DOM）；对于吸收和散射介质中的辐射，用户可以使用 P1 近似和离散坐标法来模拟光在非散射介质中的扩散等问题，还可以使用比尔-朗伯定律对吸收介质中的辐射束进行建模，并将这一效应与其他形式的传热进行耦合。

A close-up of the Model Builder with the Heat and Moisture node highlighted and an evaporative cooling model in the Graphics window.

水分输送

为了实现高效的热湿传递，我们提供了广泛的多物理场功能，将传热与水分流动、建筑材料中的水分输送以及湿空气和吸湿性多孔介质相耦合。为了深入研究这些影响，“传热模块”提供了多种设置选项，可用于模拟空气和含湿多孔介质中的水分输送与非等温流动的耦合。此外，模块中还包含多种工具用来分析水在表面上的冷凝和蒸发现象，并提供附加特征用于分析热湿储存、潜热效应以及水分的扩散和传递。

轨道热载荷

航天器面临着来自太阳和地球辐射的影响，轨道热载荷 接口提供了专用的工具，用于分析绕地球运行的卫星受到的辐射载荷及温度变化。通过这个接口，用户可以描述航天器辐射属性、轨道和方向、轨道机动和行星属性，计算结果可以显示直接太阳辐射、反照率和行星红外通量等参数，同时还可以提供航天器各部件之间辐射传热的详细信息；与传热接口耦合时，可以详细描述航天器各部件的传热。

A close-up view of the Ambient Properties settings and a 1D plot in the Graphics window.

Time-Dependent Meteorological Data

The Heat Transfer Module, in addition to allowing the incorporation of user-defined meteorological data, includes three meteorological datasets from the ASHRAE 2013 handbook (ASHRAE Weather Data version 5.0), the ASHRAE 2017 handbook (ASHRAE Weather Data version 6.0), and the ASHRAE 2021 handbook (Weather Data Viewer 2021). These datasets provide time-dependent weather conditions from around 8500 stations worldwide, detailing measurements such as dry bulb temperature, dew-point temperature, relative humidity, wind speed, absolute pressure, precipitation rate, and solar direct and diffuse irradiance, based on hourly averaged data for the dry bulb temperature and monthly averaged data for any other weather conditions.

Available as variables for several features, these datasets enable detailed environmental condition modeling. For example, in the Heat Flux feature, the ambient temperature, ambient absolute pressure, and wind velocity can be used as the correlations that define the heat transfer coefficient.