传热模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.2a 版针对“传热模块”的用户引入了将天气数据结合到您的仿真建模中的新功能,在共轭传热模型中包含浮力效应的预定义选项,新增了生物热数据库中的材料等。请继续阅读下文了解“传热模块”的完整更新列表。

六千多个气象站的时变气候数据 (ASHRAE 2013)

传热接口“设置”窗口中新增了一个名为环境设置的栏,用于定义环境变量,例如温度、相对湿度、绝对压力、风速,以及太阳辐照度。只要完成这些变量的定义,它们就可以作为传热模块的所有接口的一些特征的输入值。

默认情况下,由用户指定(用户定义)环境变量。然而,它们可以通过从ASHRAE 2013 手册中提供的月和小时平均测量值选取来进行计算,这些数据来自于全球范围的气象站测量结果,并按照美国采暖、制冷和空调工程师协会 (ASHRAE) 标准提供。其中还包含一些设定,如位置、特定的时间,以及环境条件。这样可以快速方便地获取在指定位置与您的模型相关的大量数据。默认条件对应于给定日期和小时的平均值。除了上述这些选项,用户还可以访问选定气象站记录的最高或最低气温,或者对应于平均值但是按照一个单位标准偏差变化的值。

当执行瞬态研究时,气候数据将自动地根据求解器中设定的时间范围进行同步。

环境气候数据可以通过变量的形式作为一些特征的输入。例如,在热通量特征中,环境温度、环境绝对压力,以及风速可以用作定义传热系数的相关项。

在接口级别定义环境条件确保在整个模型中的一致性,避免过多的环境数据方面的变量定义。使用气候数据适用于验证基于实际数据工作的设备的条件。由于多条件选项,您可以在极端条件或具有可期安全范围的标准条件下测试设备的行为。

使用时变气候数据 (ASHRAE 2013) 的“App 库”示例路径为:

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling /condensation_electronic_device_with_diffusion

在共轭传热模型中包含浮力效应的预定义选项

在流体中一旦出现密度差,重力就会产生浮力效应。多数情况下,这些密度差异来源于气体或液体的温度变化。自然对流通常是由浮力驱动产生,是很多应用中的重要因素,例如,节能(自然对流产生流体运动,增强了传热;因此产生损耗)或电子冷却(自然对流冷却或无风扇冷却得到重视,因为它不涉及任何机械零件,而且无噪音)。

有了在单相流接口中新增的重力属性,您可以很方便地引入重力效应。当选中它之后,重力属性将在模型树中添加重力子节点,可以在其中编辑重力加速度。重力子节点定义激活接口中所有域上的重力对应的体积力。

在流体流动方程中有两种可以用来实现重力的公式:相对压力公式(默认)和约化压力公式。当选中相对压力公式时,需要考虑用到外部压力,或者允许有静水压力(不可压缩流动)或静水压力近似(弱可压缩和可压缩流动)的外部总应力的特征。当选中约化压力选项时,流动方程使用约化压力作为因变量,适用于与浮力的绝对值相比,浮力变化较小的情况。

使用在共轭传热模型中包含浮力效应的预定义选项的“App 库”示例路径为:

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling/circuit_board_nat_3D

热湿传递多物理场耦合

一组新的接口和特征可用于对建筑材料中的热湿传递进行建模,其中考虑了热和湿度储存、潜热效应,以及液体和湿度对流传递。热和湿度多物理场耦合可以建模建筑组件中的不同湿度变化现象。在较温暖的月份,这个特征可以用来建模初始建筑湿度的干燥过程,以及从建筑物外部向内部的湿度迁移引起的凝露现象。在较寒冷的月份,这个特征可以用来建模由于扩散引起的缝隙凝露产生的湿度累积。

建筑材料模型

建筑材料模型是建筑材料传热接口的默认域特征,可以添加到任何传热接口。这个特征可以模拟包含水和湿空气的多孔介质,采用根据 EN 15026:2007 (Hygrothermal performance of building components and building elements - Assessment of moisture transfer by numerical simulation, CEN, 2007) 推导的偏微分方程。

等效热属性由干材料和水份含量确定。另外,热源(或热沉)项由湿度传递和蒸发潜热确定。

水分输送接口

水分输送接口模拟湿度传递,默认域特征为多孔介质,用来考虑湿度储存,毛细虹吸力,以及蒸汽的对流传递。与建筑材料特征类似,它也采用 EN 15026 推导的偏微分方程。

水分输送接口还提供了定义湿度源、薄湿度屏障、湿度含量,以及湿度通量的特征。

单相流可压缩性

新增一个弱可压缩性流动特征,作为一个中间选项,介于不可压缩流动和可压缩流动 (Ma < 0.3) 之间,前者的密度假设保持恒定,后者的密度可以任意变化。当选定此项后,弱可压缩流动特征确保密度只随温度变化。如果材料属性定义了随压力变化的密度,它将根据接口中定义的参考压力来进行计算。

这个选项特别适用于气体的压力变化对密度的影响相当小的情况,常见于很多低速空气冷却应用。在这种情况下,移除压力依赖性可以显著地提升计算性能。

使用单相流可压缩性特征的“App 库”示例路径为:

Heat_Transfer_Module/Applications/forced_air_cooling_with_heat_sink

空气冷却仿真的结果,其中空气的压力依赖性被忽略。绘图显示了温度场(热相机)和流体流动的流线(木星极光颜色),其中流线的厚度正比于速度大小。

表面对表面辐射的扇区对称条件

减少仿真的计算成本的方法之一是使用对称面或扇形对称来减少几何。从通用的 PDE 仿真,可以使用对称边界条件。然而,表面-表面辐射需要计算视角因子,因此需要在计算时对整个几何进行重构。

为了克服这个需求,现在已经在二维和三维对称模型的面对面辐射的对称性中新增了名为对称扇区的选项。它支持任意数量的扇区,并且提供选项来定义每个扇区上的反射面。有了这个选项,您可以通过只计算和储存对称几何的一个扇区来提升计算效率。此外,仿真中所有其他模型变量的自由度数也相应地减少。

使用表面对表面辐射的扇区对称条件的“App 库”示例路径为:

Heat_Transfer_Module/ Applications/inline_induction_heater

非等温流动多物理场耦合与相变材料兼容

建模液相在相变过程中运动的典型方法是在整个相变材料求解域内求解流体流动方程,然后在固相赋予材料特殊属性。这样确保材料的固体部分保持不动或者刚体运动。在流体部分,定义了实际的流体属性,并且计算其流体流动。在 COMSOL Multiphysics® 5.2a版本中,您可以使用非等温流动多物理场耦合将相变材料中的传热耦合到流体流动。

非等温流动多物理场接口与相变材料子节点结合使用的“App 库”示例路径为:

Heat_Transfer_Module/Thermal_Processing/continuous_casting

不透明特征得以重构

用在表面对表面辐射中的不透明性子特征已替换为新的不透明性特征,可以在所有主要的求解域特征中使用,包括流体(正式名称为流体传热)、相变材料(正式名称为相变传热)、建筑材料及等温域特征。不透明选项可以在“设置”窗口中选择透明不透明来进行设置。

薄结构中的传热

薄结构在几何中引入了很高的宽厚比,可能导致复杂甚至扭曲的网格。在COMSOL Multiphysics® 之前的版本中,可以在薄壳传热接口中使用固体壳模型。在COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中,您还可以模拟薄膜(流体)和裂隙(多孔介质)中的传热。

薄膜传热裂隙传热接口可以从选择物理场窗口的传热分支下的薄结构子组中进行选用。其中薄膜传热接口用来实现流体方程中的传热,薄膜中的流速既可以手动输入,也可以通过薄膜流动,壳接口获取。裂隙传热接口计算多孔介质方程中的传热,裂隙中的流速也可以是用户定义或从裂隙流接口计算得到。

薄膜的通用公式

在薄膜特征中新增了一个选项,即通用薄膜模型。它提供了沿膜厚方向的温度场的离散。这个新选项定义了一个额外的维度,考虑沿膜厚方向的温度变化。您可以在任意传热接口中使用薄膜特征,包括薄结构接口。这个公式对于很多应用非常有用,例如,轴承建模、或者更通用的情况,当您需要精确地表征薄膜中的温度分布时,特别是存在较大的热源或者穿过薄膜的温度差的情况下。

多孔介质传热现已新增压力功子特征

多孔介质的流体部分中的温度可以受到随压力变化产生的做功的影响。为了在模型中反映这一点,现在已将压力功特征更新,不仅可用于自由流体流动,还可以支持多孔介质,并且它可以作为多孔介质节点的一个子特征。

新增对薄结构两侧温度的支持

根据薄结构特征中使用的近似方法,薄结构两侧的温度可以完全相等(热薄近似)或沿厚度变化(热厚近似或通用选项)。在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 中,薄结构接口得到更新,因此表面-表面辐射特征(漫射面、漫射镜,或指定辐射度)使用薄结构发生热辐射一侧的表面温度。这个表面温度用来定义表面的辐射功率,基于普朗克定律计算。

生物热材料数据库

生物热材料数据库已更新为包含以下材料:

  • 肝脏(猪)
  • 心肌(人)
  • 心肌(猪)
  • 肾皮质
  • 肾髓质

几乎所有这些材料都提供了线性或多项式表达式类型的随温度变化的属性;如果没有则提供常数值。此外,更新了前列腺的材料属性。

新 App:管线感应加热器

铁素体不锈钢由于其组分中不含镍、价格相对较低并且稳定,已经越来越广泛地应用于食品工业中。为了增强其耐腐蚀性,工业中常常添加铬和钼;由于其具有磁属性,为食品加工提供了新的方式。

新增的管线感应加热器 App 计算流经一组铁素体不锈钢管道的流质食品进行感应加热的磁感应装置。在这组管道外围绕着环形电磁线圈,管道中流过食品,被加热。线圈中通过电流时产生磁场和涡流,造成感应加热。最终,热量经过传导传递给流体。

有了这个 App,您就可以研究不同的管道构成,包括修改数量、长度、厚度,以及材质。您还可以对线圈进行调制,设定其匝数、线径、电流密度,或者激励频率。为了优化设计,App 报告整个流体的最大温度、出口处的最小温度,出口处的平均温度升幅,以及加热器的热效率。

“App 库”路径:

Heat_Transfer_Module/Applications/inline_induction_heater

更新的教程模型:大蒸发率多孔介质中的蒸发

多孔介质中的蒸发是食品和造纸及其他工业中的重要工艺。其中必须考虑多个物理效应:流体流动、传热以及参与的流体和气体的传递。所有这些效应相互强耦合,可通过传热模块中预定义的接口进行模拟。

这个教程模型描述了使用层流气流来干燥湿润的多孔物体的现象。入口流入干燥空气,随后流经多孔介质,其湿度上升。此模型主要探讨了传热模块中实现多孔介质中多相流模拟所需的步骤,还模拟了液相到气相的蒸发。并计算了多孔介质中的水饱和度随时间的演化。

App 库路径:

Heat_Transfer_Module/Phase_Change/evaporation_porous_media_large_rate