传热模块:分析热效应

 

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,可以分析压力功和粘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。

使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“传热模块”进行的非等温流动建模示例。 模型演示了两种分离的流体在不同温度下流经管壳式换热器的情况。

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,该模块还支持为每个光谱带定义透明度属性(支持多达五个谱带)。

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)的表面辐射率可能有所不同。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、粘性耗散,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。

使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“传热模块”进行的传导、对流和辐射建模示例。 灯泡中的自然对流模型,其中还涉及传导和辐射分析。

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。

耦合电磁与传热模拟,分析不同类型的电磁热源所产生的电磁热。“传热模块”可用于分析焦耳热、感应加热和微波加热效应。

这些多物理场仿真功能在地下电缆、保险丝、电感器以及其他许多应用领域的产品设计和研发中起着非常重要的作用。

通过将“传热模块”与 AC/DC 模块RF 模块射线光学模块波动光学模块结合使用,您可以受益于电磁热建模高级功能所带来的诸多便利。

管线感应加热器中的电磁热建模示例。 在这个管线感应加热器模型中,由流经线圈的电流产生的磁场(圆形切面)引起四个管中的温度上升。

“传热模块”提供了功能强大的用于多孔介质传热建模接口,以分析多孔基体的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有效传热属性,系统会根据固体和流体材料的相应属性自动计算这些传热属性。您还可以通过预定义的特征,来模拟由流体通过孔隙所经过的曲折路径引起的热分散。

将“传热模块”与 CFD 模块地下水流模块相结合,可以求解多孔介质流动(达西定律和 Brinkman 扩展达西定律),并将其与传热模型相耦合。

您可以使用 LTNE 接口来模拟局部热非平衡,接口中内置了流体和多孔基体温度场的各个方程,并使用耦合来分析孔隙中流-固界面的传热。

多孔介质传热建模示例。 图为地热回灌中水流经裂隙时的多孔介质传热模型。

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。在冷缩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。

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。

使用传热软件进行热应力建模的示例。 涡轮静叶片中诱发热应力的温度分布图。

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。

使用 COMSOL 软件进行的热电效应建模示例。 热电冷却器设备。热电臂中的温度分布图,其中使用锥形表示电流在整个设备中的流动情况。

在电子设备、电子芯片等元器件或电力系统的设计工作中,您可以使用“传热模块”的内置功能来进行冷却分析。对于这些应用领域,冷却过程中传导和对流的分析,可以确保器件和设备的最佳运行性能。微电子或计算机中常用作为冷却方式的热管也可模拟,以提高其冷却性能。

在电子冷却分析过程中,高效、精确的仿真起着至关重要的作用,它可以帮助排除故障,避免不理想的设计。“传热模块”在冷量计算方面,不仅计算效率高,还能生成精确的结果。软件还自带了散热器零件库,帮助您轻松地建立复杂的几何。

供电设备中电子冷却的 COMSOL 模型示例。 计算机供电设备的热性能。模型计算了设备中的强制对流冷却,其中通过从格栅进入并被风扇抽出的气流进行通风。

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 COMSOL Multiphysics 基本模块和“传热模块”建模的叉流式换热器。 叉流式换热器模型显示流体交换能量时的流体流速(表面图)和温度分布(等值面图)。
使用 COMSOL 软件建模的换热器传热示例。 换热器模型显示流体交换能量时的流体流速(箭头图)和温度分布(等值面图和流线图)。
使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“传热模块”建模的双管换热器。 双管换热器模型显示流体交换能量时内管中的速度场(箭头图)和外管中的温度分布(表面图)。
使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“传热模块”建模的翅片管换热器。 翅片管换热器模型显示流体交换能量时的流体流动(锥形图)和温度分布(表面图)。

由于建筑设计师需要考虑建筑构件中的热湿变化,因此热管理对于建筑设计来说至关重要。您可以使用“传热模块”对木质框架、窗框、多孔建筑材料及其他建筑构件执行热管理分析。除此之外,软件还提供了可用于分析建筑物表面的水冷凝和蒸发的专用工具。

“传热模块”包含各种专用功能,用于分析热湿存储、潜热效应,以及水分的扩散和对流输送,模拟对流和扩散,以及基于涡流的湍流混合,分析空气中的热湿传递。

用于分析建筑材料热管理的传热模型。 将两层楼与外部环境隔开的建筑结构中的温度分布(表面图和等值面图)和热通量(箭头图)。

您可以使用传热建模来分析医学应用(例如,肿瘤消融、皮肤探测和组织坏死)中的各种过程。“传热模块”中的特定功能可用于模拟人体组织的热效应。

COMSOL® 软件求解生物热方程,并能通过血液性状、血液灌注率和代谢热源来分析组织中的热效应,可以轻松地将微波加热、电阻加热、辐射加热以及化学反应加热等效应都包含在分析中。

在 COMSOL Multiphysics 仿真软件中的生物热建模示例。 针对皮肤组织的辐射特性和温度变化分析用于皮肤癌诊断的锥形介电探针。

蒸发冷却是干燥、蒸发甚至建筑物理和食品加工等应用领域会涉及的一个过程。

“传热模块”包含的设置可用于模拟空气中的水分输送与非等温流动相耦合的情况,并对这些效应进行分析。自带的物理场接口可以计算饱和压力,并能分析蒸发冷却过程中表面上的蒸发,为蒸发热对温度的影响进行建模。

使用“传热模块”进行的蒸发冷却建模示例。 通过模拟在室温下接触干燥空气流的一杯热水来分析蒸发冷却过程。

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:

  1. 将复杂的传热模型转换为简单的用户界面(App)
  2. 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  3. 使用 COMSOL Server™COMSOL Compiler™ 使团队其他成员可以访问这些 App
  4. 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。

使用 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”创建的“散热器强制空气冷却”演示 App。 该 App 用于测试不同的散热器配置,可供您更改基础几何、翅片几何、框尺寸和工作条件;检查温度场和速度场;以及根据数值结果来监测耗散功率和压力损失。

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每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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