传热模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“传热模块”的用户新增了可以分析上游温度和压力的流入 边界条件、完整模拟空气中水分传递的多物理场耦合,以及用于模拟吸收介质中的热辐射束的新接口。请阅读以下内容,了解传热分析的新增功能。

新增边界条件:流入

新的流入 边界条件可用于模拟来自虚拟域的热量流入(该虚拟域并未包含在模型中),从而在已知上游条件的情况下简化分析。流入 边界条件适用于入口边界,可指定上游的温度和压力,而在之前的版本中,通常是使用温度 边界条件来模拟这一情况。此外,该边界条件不限制入口相邻边(或二维中的点)的温度,而是指定与上游条件一致的热通量。总的来说,此功能可以生成更为准确、逼真的物理模型。“案例库”中的所有适用模型均已更新,以便充分利用这一边界条件。


使用 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本建模的叉流式换热器。 叉流式换热器模型在加入流入的上游属性后,生成的仿真结果更贴合实际。 叉流式换热器模型在加入流入的上游属性后,生成的仿真结果更贴合实际。

水分流动多物理场耦合

湿度管理在电子封装和建筑物理等广泛应用中都起着重要的作用。COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本引入了耦合传热、水分输运和流体流动的完整的多物理场耦合功能,可以快速、轻松地模拟真实世界中的热湿传递过程。

通过扩展之前版本中的水分建模功能,新的水分流动 多物理场耦合节点将单相流 接口的层流和湍流模拟与空气中的水分输送 接口相耦合,用来模拟湿空气的层流或湍流流动。使用化学物质传递 分支中的水分流动 耦合功能的一大优势在于,对于湍流流动,它可以自动处理湍流混合和湿空气的壁函数。将其与非等温流动热湿 多物理场耦合功能相结合,软件可以全面而完整地模拟建筑材料和湿空气中的热湿传递。对于完整的多物理场耦合,用户首先需要添加热湿传递 耦合的湿空气 节点。接下来,添加层流或湍流的“单相流”接口。最后,在模型的多物理场耦合节点中添加非等温流动水分流动 节点。在添加每个多物理场耦合节点时,软件都会自动将相应的多个物理场接口耦合到一起。

该图演示“传热”、“单相流”和“水分输送”接口的连接方式。

传热单相流水分输送接口及关联多物理场耦合的图形表示。

传热单相流水分输送接口及关联多物理场耦合的图形表示。

固体中的不可逆转变

固体 域节点下用于固体传热的不可逆转变 属性特征的功能得到了扩展,现在可以为热诱导的不可逆转变进行建模,其应用包括固体燃烧和熔融的唯象建模。之前名为能量吸收 的转变模型已重命名为 Arrhenius 动力学,您可以为反应速率设置更多配置,并使用其中的选项为任意阶数 n 的 Arrhenius 动力学方程指定多项式。

此外,该属性特征还针对转变模型新增了用户定义 选项,您可以在其中设置变换分数。当预定义的转变模型都不符合您的模型时,和/或变换分数是通过单独的用户定义物理场或数学接口得到时,这个新选项尤其有用。通过用户定义的选项,您还能够指定焓变,分析能量平衡的热量产生或损耗,并为转变后的状态定义不同的热属性。

等效薄电阻层的热接触建模

现在,您可以使用热接触模型的新增等效薄电阻层 选项进行热接触建模。通过使用此选项,您可以基于有效热接触传导来定义热接触。当通过热测量已知有效热接触传导时,或其他接触模型中所需的表面属性未知时,该选项非常有用。此选项提供三种方式来定义层电导率,即指定层电导率、层电阻或层热导率和厚度。

显示“等效薄电阻层”选项的 COMSOL Multiphysics 屏幕截图。

热接触节点中的新 等效薄电阻层选项。

热接触节点中的新 等效薄电阻层选项。

任意流体的传热系数库

系数库中提供的传热系数可用来针对某些特定结构,模拟外部不属于模型的流体流动引起的加热或冷却。流体材料的选择之前仅限于空气、水或变压器油。随着 5.3a 版本的发布,外部流体材料新增了两个选项:湿空气来自材料

流体 选项设为湿空气 时,用户必须指定外部相对湿度才能准确获取相应的传热系数。当流体 选项设为来自材料 时,您可以选择材料 节点中可用的任何材料,随后软件会使用相应的材料属性来定义所选结构的传热系数。

热湿传递的功能改进

潜热源

热湿传递 多物理场耦合将传热水分输送 接口相结合。当发生蒸发或冷凝时,模型中需要考虑的一个重要因素是大量能量的吸收或释放,在新版本中,选中新的蒸发 栏中的蒸发通量贡献 复选框,即可在水汽通量 边界节点中加入蒸发及关联的潜热源。

此外,新版本中热湿 多物理场耦合接口还可自动定义由水分输送 接口引起的潜热源。由蒸发或冷凝引起、并由湿表面潮湿表面水汽通量 节点定义的热通量,现已添加到相应边界的传热方程中。在热湿 节点的新潜热 栏中增加了包含表面潜热源 复选框,以加入这一特性。


水分迁移系数

与对流热通量类似,我们可以针对某些特定结构,根据努塞尔数来确定水汽通量的大小。在 COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本的“传热模块”中,由于传热边界层和传质边界层原理上类似,可以使用相似的方式来定义水汽通量。因此,新版本中水汽通量 节点中也提供了类似于热通量 节点中针对不同几何和流体流动组合的相应数据,用来定义对流水汽通量。不仅如此,当模型同时包含传热接口时,用户还可以将水分迁移系数与热通量 节点中的传热系数相关联,而无需手动进行定义。

使用 Beer-Lambert 定律的吸收介质中的辐射束接口

在特定方向传播的聚焦电磁辐射(如激光束)渗透到半透明材料的过程中会逐渐被吸收,从而将能量沉积到材料中。吸收折射辐射束的经典模型是 Beer-Lambert 定律,该模型具有较高的计算效率。新的吸收介质中的辐射束 物理场接口提供了多个特征用于定义吸收介质属性,以及多种选项用于多个入射束,如关联图像中所示。只要沉积热量的长度尺度远大于任何干涉图,此公式便对于非相干光源和相干光源均有效。此外,您还可以指定不透明壁来吸收所有产生热量的辐射强度,也可以定义透明边界,使辐射强度在消退时不在这些边界沉积能量。

该 COMSOL 软件 GUI 屏幕截图显示一个使用“吸收介质中的辐射束”接口的模型。

包含 吸收介质中的辐射束接口的模型,其中,两个传播方向不同的入射束在吸收介质的本体中相互交叉。

包含 吸收介质中的辐射束接口的模型,其中,两个传播方向不同的入射束在吸收介质的本体中相互交叉。

瞬态气候数据的功能改进

最新的 ASHRAE 气候数据库 Weather Data Viewer 6.0 版本现可用于在传热 接口的环境设置 栏中定义环境变量。由美国供热、制冷与空调工程师学会 (ASHRAE) 在 ASHRAE 2017 手册中列出了全球约 8000 个气象站的每月和每小时平均测量数据。此外,环境设置 栏也得到了改进,您可以更轻松地浏览和搜索气象站列表(请参见相关图像)。

这个裁剪的屏幕截图显示 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中改进的瞬态气候数据。

传热接口的 环境设置栏中新增的 气候数据 (ASHRAE 2017)选项,用于定义环境变量。

传热接口的 环境设置栏中新增的 气候数据 (ASHRAE 2017)选项,用于定义环境变量。

形状记忆合金中的传热

形状记忆合金 (SMA) 的特性与温度密切相关,任何结构变化(奥氏体 ↔ 马氏体)都会释放或吸收能量,从而改变合金的热属性。传热接口中的形状记忆合金 特征可以分析马氏体和奥氏体的体积分数,然后根据每个相的热属性来定义有效的热属性。形状记忆合金 特征设计为与“非线性结构材料模块”中包含的新增形状记忆合金 特征结合使用。可以选中主传热 接口节点中的合金中的传热 复选框,在模型中引入此特征,此时形状记忆合金 特征便可用作 边界条件。

壳版本的散热器几何零件

薄壳传热建模是降低模型计算成本的重要且实用的工具。鉴于此,我们更新了“传热模块”中的“零件库”,以便加入不同参数化几何零件的壳版本,这些零件专用于带有销钉、直翅片或边框上具有不同尺寸销钉的散热器。这些新零件为特定几何量身定制,在这些几何中,通过将薄结构表示为表面,可以避免对厚度进行网格剖分,从而达到降低计算成本的目的。用于传热的薄层 特征和用于流体流动的内壁 特征可以在此类壳边界上使用。

分别使用三维翅片和壳翅片创建的两个版本的散热器几何。 使用散热器零件生成的具有三维翅片(左图)或壳翅片(右图)的带倒角散热器。 使用散热器零件生成的具有三维翅片(左图)或壳翅片(右图)的带倒角散热器。

电磁热多物理场耦合的新增和改进功能

新的电磁热 多物理场耦合节点简化了电磁和传热物理场接口耦合模型的设置过程,它将电磁热源边界电磁热源温度耦合 节点合并成具有同等功能的单个节点。在此节点中,您可以选择域或边界作为传热方程中的体积电磁热源或表面电磁热源。此外,还可以将传热接口中计算得到的温度传递到电磁接口。温度耦合是自动进行的,您可以在域选择边界选择 栏(如图所示)中控制对那些实体启用此耦合。此特征用于为电磁热建模,例如,焦耳热、感应加热、微波加热或激光加热。请注意,模拟感应加热、微波加热或激光加热需要使用其他模块。

热电效应多物理场耦合

新的热电效应 多物理场耦合节点可以在传热方程中同时加入体积和表面热电热源。此外,由于域和边界存在温差,它还可以将热电效应的贡献添加到电流密度中。该节点代替了热电效应边界热电效应 节点,以便为珀尔帖效应、塞贝克效应或汤姆逊效应建模。热电效应 多物理场耦合特征是热电效应 多物理场接口的默认特征,其中新增了电磁热 多物理场耦合节点。

浮力导致的湍流

浮力会在流体本体中引入体积力,从而不可避免地引起不稳定性。流动中的这些不稳定因素会逐渐变得混乱,最终导致湍流。“CFD 模块”中的重力 特征用于为浮力建模,现在新增了一个选项,支持在模型中考虑浮力产生的湍流,通过选中相应的复选框即可实现该功能。随后,可以使用非等温流动 多物理场耦合来自动定义这一湍流形成因素,也可以通过用户定义的湍流施密特数进行定义。

突出显示 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中的“重力”特征的屏幕截图。

重力特征中现在新增了一个选项 包含浮力导致的湍流

重力特征中现在新增了一个选项 包含浮力导致的湍流

用于充分发展的湍流的入口边界条件

用于充分发展的湍流的入口 边界条件可以在入口横截面提供速度剖面和湍流变量值,其中假设入口通道上游具有一定的长度,并且流动已充分发展。在以前的 COMSOL® 软件版本中,需要模拟一个非常长的通道入口截面,才能为横截面的速度剖面做出合理的估计。新的边界条件无需额外的几何便能给出非常精确的入口速度分布,因此有效节省了计算资源。

充分发展的湍流建模示例。 使用充分发展的湍流入口条件模拟的具有星形横截面的喷嘴入口。 使用充分发展的湍流入口条件模拟的具有星形横截面的喷嘴入口。

新增教学案例:空气中的浮力流

新的“空气中的浮力流”教学案例研究充满空气,并以两块垂直板为边界的型腔中的稳态自然对流。两块板保持不同的温度,从而在空气域中引起浮力流。案例运行的工况下,流体为层流流动。模型包含两个组件:一个二维,一个三维,为方便您在模型中包含空气的自然对流提供了基本条件。

请注意,该模型的构建方式与现有的“水中的浮力流”模型相似,这两个模型的主要区别在于,新案例中基于理想气体定律建模,空气密度与温度和压力相关。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本的“传热模块”创建的“空气中的浮力流”模型。 当两个相对垂直壁之间的温差为 10 K 时,由浮力引起的温度分布(等温线)和速度场(箭头)。 当两个相对垂直壁之间的温差为 10 K 时,由浮力引起的温度分布(等温线)和速度场(箭头)。

案例库路径:
Heat_Transfer_Module/Tutorials_Forced_and_Natural_Convection/buoyancy_air

新增教学案例:圆管中的非等温层流

这个新的验证教学案例使用二维轴对称几何来计算圆管中的速度、压力和温度分布。模型中定义的工况对应于层流流动。这种非等温流动已有非常成熟的研究,流体与壁之间的热通量也已通过实验验证。下图显示了通过仿真推导出的传热系数与文献中基于努塞尔数得出的传热系数的比较情况。仿真结果与实验测量数据高度一致。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本的“传热模块”创建的“圆管中的非等温层流”模型。

根据温度数值解得到的传热系数(红线)与根据努塞尔数相关性得到的传热系数(绿线和蓝线)的比较图。

根据温度数值解得到的传热系数(红线)与根据努塞尔数相关性得到的传热系数(绿线和蓝线)的比较图。

案例库路径:
Heat_Transfer_Module/Verification_Examples/circular_tube_nitf_laminar

新增教学案例:平板上的非等温湍流

这个新的验证教学案例可以计算板上的速度、压力和温度分布。如果流动为湍流并已充分发展,则它会到达板的热区。气流与板之间的传热系数已通过实验测量,并提供了基于努塞尔数的不同相关性。仿真结果与文献中已发表的数据高度一致。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本的“传热模块”创建的“平板上的非等温湍流”模型。 根据温度数值解得到的传热系数(实线)与根据努塞尔数相关性得到的传热系数(虚线)的比较图。 根据温度数值解得到的传热系数(实线)与根据努塞尔数相关性得到的传热系数(虚线)的比较图。

案例库路径:
Heat_Transfer_Module/Verification_Examples/flat_plate_nitf_turbulent

新增教学案例:动态壁换热器

受一篇已发表论文的启发,“动态壁换热器”教学案例演示了一种紧凑型换热器,其中使用了具有振荡波形的变形壁,使得性能得到了大幅提升。壁振荡在流体中引起混合,并可以减少热边界层的形成。此外,波形变形可以产生与蠕动泵类似的泵送效应,从而减少压力损耗。此模型包含共轭传热 多物理场耦合与­动网格特征,用于处理壁和通道变形。并针对静态和动态换热器计算整个换热器的压降以及总传热系数。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本的“传热模块”创建的“动态壁换热器”模型。

动态换热器通道中的温度分布。

动态换热器通道中的温度分布。

案例库路径:
Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/Dynamic_wall_heat_exchanger