支持高级热分析的传热仿真软件
“传热模块”是 COMSOL Multiphysics® 平台的一个附加产品,用于分析传热过程中的传导、对流和辐射现象。模块包含了丰富的建模功能,用于研究热设计和热载荷效应。您可以对整个设备、零部件和建筑物的温度场和热通量进行建模。为了检测系统或设计的真实特性,您还可以使用软件内置的多物理场建模功能,轻松地在同一个仿真环境中耦合多个物理效应。
传热分析专用功能
共轭传热和非等温流动
“传热模块”内置了可对共轭传热和非等温流动效应进行建模的专用功能,可用于模拟换热器、电子冷却以及节能等诸多应用。
软件支持对自然对流和强制对流的层流和湍流流动进行建模,可以分析压力功和黏性耗散对温度分布的影响。用户可以使用 k-ε、低雷诺数 k-ε、代数 y+ 或 LVEL 湍流模型等雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型进行湍流建模。在与 CFD 模块结合使用时,您还可以使用 Realizable k-ε、k-ω、剪切应力输运(SST)、v2-f 及 Spalart-Allmaras 等湍流模型。
在流-固界面,系统会根据流动模型自动选取连续性、壁函数或自动壁处理等方式来处理界面上的温度过渡。通过激活重力 特征,您还可以轻松地分析自然对流。
薄层和薄壳
“传热模块”提供专业的层模型和多层材料技术用于薄层传热建模,方便您轻松定义复杂的几何构型,并研究几何尺寸远小于模型其余部分尺寸的层中的传热。此功能适用于薄层、壳、薄膜和裂隙。
对于各个单层来说,热薄层模型适用于分析高导热材料,其中层对传热所起的作用主要在其切向方向,并且各层面之间的温差可以忽略不计;与此相反,热厚层模型则可以表示在壳厚度方向起热阻作用的低导热性材料,用于计算两个层面之间的温差。通用模型由于嵌入了完整的热方程,因此具有较高的精度和广泛的适用性。多层材料特征支持与常规域模型相似的热载荷。值得一提的是,您可以在层或层界面上定义热源和热沉,并可以在壳的两侧定义热通量和表面对表面辐射。
采用多层材料技术时,您可以使用各种预处理工具对多层材料进行详细定义、从文件加载多层结构构型/将构型数据保存到文件,并使用其中的层预览特征。此外,该模块还包含许多可视化工具,可以将多层薄结构作为现成的三维实体模型,为其中的结果生成绘图;具体来说,支持表面图、切面图和全厚度图。多层材料功能在 AC/DC 模块和结构力学模块中提供,使您可以在多层材料中包含电磁热或热膨胀等多物理场耦合功能。
表面对表面辐射
“传热模块”使用辐射度方法模拟漫反射表面、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。这些表面和层支持二维和三维几何结构,当模拟漫反射表面时,也支持二维不对称几何结构。表面属性可以取决于模型中的温度、辐射波长或任何其他物理量。此外,该模块还支持根据光谱带定义透明度属性(支持任意数量的光谱带)。
模块预置了太阳和环境辐射的相关设定,其中短波长(太阳光谱带)的表面吸收率与较长波长(环境光谱带)的表面发射率可能有所不同。不仅如此,您还可以根据地理位置和时间来定义太阳辐射方向。
模块使用 Hemicube 方法、射线发射法或直接积分面积法来计算角系数。您可以设置对称平面或扇区来提高仿真计算效率。通过结合使用动坐标系,表面对表面辐射界面可在几何构型发生变形时自动更新角系数。
相变
通过使用“传热模块”,您可以轻松地分析传热中的相变现象。相变材料 节点可以通过显热容法来模拟相变,并能分析相变焓以及材料属性的变化,还可以使用动网格为相变引起的体积变化进行建模。
COMSOL® 软件“案例库”包含的相关教学案例使用变形几何 接口和 Stefan 能量平衡来计算两个相过渡界面的移动速度。
传导、对流和辐射分析
“传热模块”可用于详细研究三种类型的传热,对核心 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的分析功能进行了扩展。
传导
您可以将热导率定义为各向同性或各向异性,描述任意材料中发生的传导现象。热导率可以恒定,也可以随温度(或任何其他模型变量)发生变化。
对流
分析受流体运动影响的传热仿真。您可以使用内置特征来模拟压力功、黏性耗散,以及强制对流和自由(自然)对流。当您在单相流 接口中选择重力选项后,系统会自动模拟自然对流。
辐射
借助“传热模块”,您可以使用辐射度方法为表面对表面辐射建模,也可以使用 Rosseland 近似、P1 近似或离散坐标法(DOM)为参与介质中的辐射建模。P1 近似和离散坐标法也可用于吸收和散射介质中的辐射,用于模拟非散射介质中的光散射等。不仅如此,您还可以使用朗伯比尔定律为吸收介质辐射中的辐射束建模,并将这一效应与其他形式的传热进行耦合。
传热模块的应用
无论您将传热作为主要的研究领域,还是仅仅作为大型复杂分析的一部分,往往都需要一次检查多个物理效应。借助 COMSOL® 软件的多物理场建模功能,您可以在同一个仿真环境中遵循统一的的工作流程,对多物理场耦合现象执行完整透彻的分析。这种直观的建模仿真方法可用于分析传热和其他所有物理现象。
请浏览以下应用领域,查看使用 COMSOL Multiphysics® 基本模块和“传热模块”进行分析和模拟的几个示例。
热膨胀是一种普遍存在的现象,可能会伴随产生非常高的热应力。在热压配合及双金属温度传感器等应用中,热应力起着积极作用;但在其他一些方面,也可能带来负面影响。例如,在建筑物中,为避免其负面影响,需要伸缩接头,并安装能够承受高温和循环热载荷的设备。
出色的热设计是优化热膨胀效应的关键,您可以根据实际情况将这一效应最小化或最大化。“传热模块”中的多物理场耦合功能可用于分析和研究这一现象。
与结构力学模块结合使用时,“传热模块”增加了用于分析设备、组件或系统中的热应力的功能;例如,分析共轭传热或薄壳传热。
对于接触传热来说,接触部位的导热系数通常取决于接触压力;对于由极微小间隙隔开的表面,还可以考虑其表面之间的表面对表面辐射引起的热量交换。这些问题中所涉及的接触压力和间隙距离,都可以从结构力学模型中得到。
您可以耦合电流与固体传热物理场接口,从而轻松地分析珀尔帖-塞贝克-汤姆逊热电效应。
在设置模型的材料属性时,您可以选择预置了相应的材料属性的热电材料(如碲化铋和碲化铅)进行建模。不仅如此,您还可以自定义材料属性,或将“传热模块”与 AC/DC 模块结合使用,获取更高级的电流建模功能。
换热器的应用领域非常广泛,例如水处理、资源提炼、核能、食品和饮料生产、制冷,等等。
“案例库”包含以下换热器类型的教学案例:
- 同心管式换热器
- 双管换热器
- 管壳式换热器
- 紧凑式换热器
- 翅片管换热器
换热器分析同时涉及流体传热与固体传热。流体在远距离范围内传输能量,而固体则将流体分开,使其能够在不混合的情况下实现能量交换。您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的物理场接口来分析这一特性,还可以为这些设备中的强制对流或相变进行建模。
使用仿真 App 高效地运行传热分析
如果您不再需要再为团队中的其他成员反复运行仿真测试,是否就能把更多的时间和精力投入到新的项目开发中?借助 COMSOL Multiphysics® 内置的“App 开发器”,您可以创建仿真 App,在其中定制模型的输入,控制模型输出,使您的同事也能够自行运行仿真分析,进一步简化仿真工作流程。
您可以在 App 中轻松更改热耗率、工作条件、材料或几何属性等设计参数,并根据需要执行多次测试,而无需重建整个仿真模型。借助 App ,您不仅可以提高自己的测试运行效率,还可以将 App 分发给团队其他成员供其独立运行测试,从而将节省的时间和资源投入到其他项目中。
仿真 App 的构建过程非常简单:
- 将复杂的传热模型转换为简单的用户界面(App)
- 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
- 使用 COMSOL Server™ 或 COMSOL Compiler™ 使团队其他成员可以访问这些 App
- 最终实现您的团队成员在无需任何帮助的情况下,便能够自行运行设计分析
通过创建和使用仿真 App,您可以在整个团队、机构、课堂或客户群中扩展仿真功能。
每个公司、每个仿真需求都是独特的。
欢迎联系我们,以帮助您评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求。我们的销售人员能够为您提供实用信息和建议,并根据您的需求选择最佳的许可形式,为您的产品评估过程提供个性化的协助。
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