传热模块

固体传热和流体传热的通用模拟软件

传热模块

换热器热管壳体侧的温度曲线。

热的产生、消耗和传递

传热模块可以帮助您研究加热和冷却对设备、组件或过程的影响。模块为您提供了多种仿真工具来研究传热机理,包括传导、对流和辐射,传热分析常常与其他物理场耦合,例如结构力学、流体力学、电磁学和化学反应等。因此,在所有重点研究热量或能量的产生、消耗或传递,或者这些能量的变化将给研究过程带来显著影响的行业和应用中,都可以利用传热模块这一平台开展工作。

材料和热力学数据

传热模块附带了一个内部材料数据库,包含许多常见液体和气体的材料属性数据,其中包括精确分析所需的热力学数据,例如热导率、热容量和密度。材料库是材料属性的一个重要来源,具有超过 2,500 种固体材料的数据或代数关系,其中的许多属性(例如杨氏模量和电导率)是温度的函数。传热模块还支持从 Excel® 和 MATLAB® 导入热力学及其他材料数据,并且可以通过 CAPE-OPEN 标准接口连接外部热力学数据库。


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  • 共轭传热:计算机电源箱体中的风扇和穿孔格栅产生气流,进行内部散热。 共轭传热:计算机电源箱体中的风扇和穿孔格栅产生气流,进行内部散热。
  • 热接触:电流在接触开关中产生焦耳热。接触点处的热阻和电阻与接触面的机械接触压力进行了耦合。 热接触:电流在接触开关中产生焦耳热。接触点处的热阻和电阻与接触面的机械接触压力进行了耦合。
  • 感应加热:通过感应加热在加工半导体的热壁炉内产生高温。考虑了基体板和炉壁之间的表面对表面辐射,以及传导和对流。 感应加热:通过感应加热在加工半导体的热壁炉内产生高温。考虑了基体板和炉壁之间的表面对表面辐射,以及传导和对流。
  • 辐射:由于温差产生的密度变化而引起氩气自然对流。温差是在热辐射与传热(热传导和热对流)的共同作用下产生的。 辐射:由于温差产生的密度变化而引起氩气自然对流。温差是在热辐射与传热(热传导和热对流)的共同作用下产生的。
  • 相态变化:冰杆的一端温度为冰点,另一端为 80 oC。该图给出了一段时间内的温度曲线,考虑了潜热以及固体和材料属性之间的差异,例如热导率和热容。 相态变化:冰杆的一端温度为冰点,另一端为 80 oC。该图给出了一段时间内的温度曲线,考虑了潜热以及固体和材料属性之间的差异,例如热导率和热容。
  • 薄层:加热电路的仿真,包含直流电产生的焦耳热、传热以及实心玻璃板上薄电阻层的结构力学分析。 薄层:加热电路的仿真,包含直流电产生的焦耳热、传热以及实心玻璃板上薄电阻层的结构力学分析。

统一的建模流程

传热模块是加工过程和产品设计中热效应的专用模拟工具。对于行业应用中的传热和所有其他物理现象,COMSOL 均采用统一的方法来设置模型和操作仿真。因而,您能够通过一个标准工具与其他工程师或工程部门进行沟通研究不同的现象。无论您或您的同事们研究的是哪种特定应用的物理场,建模流程都是统一而简洁的,步骤如下:

  • 导入或绘制设备或系统的几何结构
  • 定义常量或随温度变化的材料属性与表达式
  • 从一系列特定应用模式中选择最合适的传热模型接口(这些接口可能与系统的其他物理场相耦合)
  • 添加与传热相耦合的任何其他物理场
  • 定义系统边界条件和约束
  • 网格剖分,不同仿真模型之间使用相同网格或其派生网格
  • 使用适当的求解器和设置运行求解
  • 结果处理与可视化,并且可以将不同模型的结果呈现在同一图片上

加工过程和产品设计的热效应仿真平台

无论您研究哪种物理现象, COMSOL Multiphysics 平台和丰富的专业模块为您提供了用于所有过程和设计的统一仿真工具。首先,您可以建立系统设备的焦耳热模型,之后建立模拟传送空气的系统散热模型,接下来建立设备的热应力模型。或一次性对所有现象进行模拟。

传热通常是一种与其他物理过程一起考虑的重要现象。温度场会导致热应力,而电磁场会产生电阻、感应、微波等现象。流体流动对于不同组件上的散热非常重要,而热处理(例如铸造或焊接)时的温度变化会对材料属性及其物理行为会产生非常大的影响。传热模块包含多种用户接口,可简便地模拟任意的耦合传热现象,并可以耦合到 COMSOL® 产品库中的任何其他模块。

传热机理

传热模块最重要的功能在于它能够实现与热量守恒或能量平衡相关的计算,同时可以考虑机械损耗、潜热、焦耳热或反应热等一系列现象。传热模块提供了现成可用的接口(称为物理场接口),可被配置用于通过图形用户界面(GUI)接收模型输入,并将其用于设定能量平衡方程。与 COMSOL 软件产品库内的所有物理场接口一样,您可以通过修改底层方程来灵活地修改传输机理、定义特定热源或耦合其他物理场等。

热传导

传热模块可以帮助您研究加热和冷却对设备、组件或过程的影响。软件为您提供了多种仿真工具来研究传热机理,包括传导、对流和辐射,传热分析常常与其他物理场耦合,例如结构力学、流体力学、电磁学和化学反应等。因此,在所有重点研究热量或能量的产生、消耗或传递,或这些能量的变化将给研究过程带来显著影响的行业和应用中,都可以利用传热模块这一平台开展工作。

辐射

传热模块支持许多现象的辐射模拟,包含了专用的求解器来模拟辐射现象,耦合热对流和热传导。传热模块提供了用于模拟透明、不透明和参与介质中的表面对环境辐射、环境对表面辐射和表面对表面辐射的工具。

传热模块使用辐射度方法来模拟表面对表面辐射,考虑随波长变化的表面属性,在此您可以在同一模型中同时最多考虑五个光谱波段。适用于模拟太阳辐射,其中短波长(太阳光谱波段)的表面吸收率可能不同于较长波长(环境光谱波段)的表面发射率。此外,还可为每个光谱波段定义透明度属性。传热模块还可以模拟参与介质中的辐射传热,这将考虑这种介质中热辐射的吸收、发射和散射。

热对流

系统中存在流动过程时,总是会通过压力功和粘性效应在传热过程和能量作用中引入对流传热。传热模块可以方便地模拟这些过程,并可同时考虑强制对流和自由(自然)对流。它包含一个用于共轭传热的特定物理接口,可在同一系统中对固体和流体材料进行模拟。为了考虑流体流动,传热模块内置了层流模型物理接口,以及高雷诺数和低雷诺数 k-ε 湍流模型物理接口。对于任意流体类型,由于温差而产生的自然浮力效应可以通过非等温流模型来描述。将传热模型与 CFD 模块组合可以进一步仿真流体流动,包括多种湍流模型、多孔介质流和两相流。

此外,传热模块还提供了一些用于简化流体模型的功能,当模拟流体动力学全模型并不能提供更多的精度,或其计算量特别巨大时,可以使用这些功能进行简化。这些功能通过一个内置的传热系数库提供,用于仿真在系统周围和模型边界之间的强制或自然对流传热。该模块还包含不同的几何相互关系,例如烟道或平板(垂直、倾斜或水平),以及不同的外部流体(空气、水和油)。

多孔介质传热

虽然自由介质中层流或湍流传热的应用是相当广泛的,但传热模块也提供了功能强大的用于模拟多孔介质传热的接口,同时考虑多孔基体固相和开孔相中的传导和对流。您可以选择不同的平均模型来定义等效传热属性,这些等效属性将基于固体和流体材料的相应属性自动计算。此外,您还可以利用预定义功能模拟在多孔介质曲折孔隙中流体流动产生的热耗散。

生物传热

传热模块包含生物传热方程物理场接口。对于人体组织和其他生物系统中的热效应,无论是通过微波加热、电阻加热、化学反应加热还是辐射加热,生物传热方程接口都是的完美模拟工具。正如 COMSOL 仿真环境中的通常情形,您可以轻松地将温度变化反馈到其他物理场的材料属性,例如强耦合多物理场仿真中的电气材料属性。生物传热可以与一系列的相变现象相结合,包括组织坏死等。

相变

相变是传热分析中的一种扰动属性。相变会引起难以预测的转变,即相态之间的瞬态几何相界面,或者材料属性(例如传导率、热容或流动行为)的突然变化,在材料的固相、液相和气相之间这些属性的差异可能达到几个数量级。相态变化还会引起潜热,在许多热平衡过程中潜热一般占主导地位。通过一系列不同的功能和用户接口,COMSOL Multiphysics 和传热模块能够考虑这些扰动,包括使用移动网格来模拟体积变化。此外,还支持通过自动定义热力学属性来考虑材料属性的突变,同时仍然可以通过控制相态的渐变来确保连续性。

接触热阻

当两个固体相互连接在一起时,热阻通常是彼此压迫状况和各自表面粗糙度的函数。粗糙表面之间会产生抑制传热的小间隙,而将它们压在一起可以减小这些间隙的大小。传热模块提供了一些物理接口来仿真随施加应力和间隙特定热导率而变化的接触热导系数,并且还考虑小间隙分隔面之间的表面对表面辐射作用。将传热模型与结构力学模块组合,可以实现在热接触和机械接触(包括热膨胀)之间直接耦合的功能。

薄层和薄壳

您的仪器设备或生产过程中经常会含有几何尺寸远小于系统其余部分的材料或区域。例如 PCB 上的薄铜层,压力容器的器壁,或者绝缘薄层。传热模块提供了特定的模拟工具来仿真这些情形并可节省计算资源。如果薄层或薄壳切线方向的传热梯度很显著,且厚度方向的温度梯度不明显,则可以使用高导热层,避免在薄层或薄壳的宽度方向上进行网格剖分。可以将薄层或薄壳的求解结果与所连接的三维实体耦合。可以是两个较大的域之间、域和其周围环境之间的薄壁,或者是嵌入另一个固体表面的薄层。通过类似的方式,薄热阻层的物理接口提供了一种描述热导性很差的材料的简便方法。

热电效应多物理场节点

显示热电效应的材料可以将温差转换成电势,如同热通量包含载流子。或者,在此类材料上施加电势,会产生温度梯度。热电材料制造的器件常用于电子设备冷却或便携式冰箱,另外热电能量收集设备的应用也很广泛。

热电效应多物理场接口耦合了电流接口和固体传热接口。您可以使用传热模块的所有传热功能,例如高级边界条件和热辐射。和 COMSOL Multiphysics 软件内的所有其他物理场接口一样,热电效应接口能够与其他任意物理场接口耦合,例如固体力学接口。提供了两种常见的热电材料的材料属性:碲化铋和碲化铅,您可以轻松增加用户自定义的热电材料。

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