传热模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“传热模块”的用户引入了用于表面对表面辐射的方向相关面属性、新的多孔介质 特征和相变界面 边界条件。请阅读以下内容,了解这些传热特征及其他新增功能。

相变界面边界条件

新的相变界面 边界条件与变形几何 特征相结合,定义了对应于两个不同相的两个域之间的界面。此边界条件基于 Stefan 条件;它设置相变温度,根据相变潜热定义前沿速度,并指定固体侧和热通量突变计算。此边界条件将相变模拟为尖锐的界面,可用于多种应用,包括纯金属熔化,如锡熔化前沿模型,或者凝固或升华,如冷冻干燥模型。

冷冻干燥的仿真结果,在热像仪颜色表中,固体和蒸汽显示在左侧,温度和总热通量显示在右侧。 冷冻干燥模型 气相和固相(左)以及相变界面、温度和总热通量流线(右)。

多孔介质中的热湿传递

此版本新增了接口和特征,用于模拟充满湿空气和液态水的多孔介质中耦合的热湿传递。默认情况下,新的多孔介质中的水分输送 接口提供吸湿性多孔介质 特征,可用于通过蒸汽对流和扩散以及液态水对流和毛细管流动来模拟多孔介质中的水分输送。新接口通过对液体毛细管通量进行建模并添加对重力的支持,可分析由于总压变化引起的液相和气相对流问题。它可以与湿空气 特征结合使用,模拟湿空气流对多孔介质的影响。

传热 接口中,新的含湿多孔介质 域特征分别定义了固体、液态水和湿空气的有效材料属性。湿空气 子节点通过分析湿度来定义材料属性,并计算湿空气中的对流通量和扩散焓通量。液态水 子节点定义液态水饱和度和速度场,可通过热湿 多物理场耦合(如果可用)自动设置。固体属性由多孔基体 子节点处理。这些新功能可用于干燥和蒸发冷却应用。

样例显示为二维矩形,其中流线以彩虹颜色表形式将气流和蒸汽浓度可视化。 潮湿的样品暴露于干燥、温暖的气流中 暴露于干燥、温暖气流中的潮湿样品中的蒸汽浓度和总通量流线。在 COMSOL Multiphysics® 5.6 版本中,多孔介质中的热湿传递新特征简化了模型设置。

新的多孔介质特征

此版本新增的多孔介质处理特征可用于定义不同的相:固体、流体和静止流体。在多孔介质传热 接口中,多孔介质 特征用于管理材料结构,并为每个相(流体多孔基体 和(可选的)静止流体 )提供专门的子特征。这个新的工作流程不仅更加清晰,可以改善用户体验;还以更自然的方式促进多孔介质的多物理场耦合。通过与水分输送多孔介质流动 接口结合使用,多孔介质传热的功能改进支持对多孔介质中的非等温流动和潜热储存进行建模。

以下模型使用了这一新设置:

COMSOL Multiphysics 5.6 版本中的“多孔介质”特征设置,其中显示“有效电导率”选项,并突出显示倒数平均值。 多孔介质特征的设置 包含流体相、固体相和静止流体相的多孔材料与 多孔介质传热接口中的 多孔介质特征结合使用。设置窗口显示了用于定义多孔介质中不同相的有效导热系数的模型选择。

表面对表面辐射的方向相关面属性

表面对表面辐射 接口中,现在可以在表面辐射率、反射率和透射率的不透明表面半透明表面 特征中选择射线发射方法后,定义取决于辐射入射角的面属性,这对于模拟具有在不同方向以不同方式吸收、反射和传输热辐射的纹理或样式的表面非常有用。

COMSOL Multiphysics 5.6 用户界面,显示“不透明表面”特征设置,右侧是方向相关面属性模型的函数图。 演示“不透明表面”特征 不透明表面特征根据 定义节点下的方向发射率函数(突出显示)定义方向相关发射率, 图形窗口中显示相应的函数图。

参与介质中的辐射的半透明表面

参与介质中的辐射 接口提供新的半透明表面 特征。在外部边界上,您可以指定外部辐射强度,并分析通过表面漫反射或镜面透射的入射强度部分。在内部边界上,分析表面两侧的辐射强度。该边界条件对于模拟来自参与介质样品上透明介质的入射辐射特别有用,例如,参与介质辐射属性的建模就是这种情况。您可以在表面半透明的玻璃板辐射冷却模型中看到此特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版中“参与介质中的辐射”接口中“半透明表面”边界条件的设置。 “半透明表面”边界条件的设置 参与介质中的辐射接口中 半透明表面边界条件的用户界面提供用户输入,定义边界两侧的表面透射率和用于外部边界的外部辐射强度。

多层材料的热接触和对称性

新功能扩展了对多层材料的建模能力,提供新的热接触,界面 特征,您可以描绘表面粗糙度和多层壳各层之间内部界面处的间隙,这些间隙是层与层之间产生热阻的原因。这是模拟脱层对热性能的影响所必需的,如带“热接触,界面”的层压复合壳的热膨胀模型所示。此外,在壳传热 接口中引入的对称 特征支持在边上设置对称条件,从而减小对称模型的大小。

COMSOL Multiphysics 5.6 用户界面,显示“热接触,界面”特征设置,右侧显示正方形模型的两层预览。 演示热接触和对称特征 包含两层材料(之间有热阻)的模型显示在层布局预览中(右)。设置窗口提供定义通过传导和辐射的热接触属性的输入字段。模型尺寸经过了对称简化,参见模型树中存在的 对称条件。

在流体传热中自动检测理想气体材料

各种传热接口中提供的流体 特征已更新,用户可以利用理想气体假设来提高计算效率。流体类型 列表中新增的来自材料 选项可以自动检测每个域选择应用的材料是否为理想气体,并针对每种情况使用相关属性。例如,在计算可压缩非等温流动中的压力功时,这可以加快计算速度。由于 COMSOL Multiphysics® 和“材料库”中提供的气体被模拟为理想气体,许多包含可压缩非等温流动的模型将受益于这一改进。

LED 灯泡模型,使用热像仪颜色表以深蓝色到白色的颜色渐变显示灯泡周围的速度和灯泡内的温度。 使用自动检测理想气体公式的 LED 灯泡模型 LED 灯泡中的温度分布(表面图)和速度(箭头和流线)。在 COMSOL Multiphysics® 5.6 版本中,通过自动使用理想气体公式,计算时间缩短了 10%。

热和能量平衡

能量和热平衡定义的后处理变量已扩展,现在包含新配置。具体来说,这些变量分别用于非等温流动,分析面外热源;体积力、黏性耗散和压力的功;边界应力;以及内壁法向速度非零情况下的焓通量。后处理变量或能量和热平衡定义也已扩展到包括多层材料,这些能量和热平衡为求解器误差估计提供了另一种标准来检验仿真精度。您可以在电子芯片冷却模型中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 用户界面,显示错流式换热器模型的“全局计算”设置,“图形”窗口中显示深红色到白色的渐变颜色,以开氏度为单位表示温度。 演示热和能量平衡的后处理变量 错流式换热器模型中能量平衡的验证。将进入高温入口的总净能率与整个模型的能量平衡进行比较。

新增及更新的教学模型和 App

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“传热模块”引入了新的和更新的模型和 App。

冷冻干燥

冷冻干燥的仿真结果,在热像仪颜色表中,固体和蒸汽显示在左侧,温度和总热通量显示在右侧。 冷冻干燥模型 气相和固相(左)以及相变界面、温度和总热通量流线(右)。

“案例库”标题:
freeze_drying
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表面半透明的玻璃板辐射冷却

圆形玻璃板模型,其中温度以开尔文度为单位,显示为深红色到白色的渐变颜色;玻璃板大部分为浅黄色。 表面半透明的玻璃板模型 冷却 10 秒后,表面半透明的玻璃板内的温度。

“案例库”标题:
glass_plate_semitransparent_surface
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锡熔融前沿

一个二维模型,其中温度以开尔文度为单位,显示为深红色到白色的渐变颜色,通过箭头表示速度场。 锡熔融前沿模型 “锡熔融前沿”教学案例已更新,其中使用了新的 相变界面特征来捕捉相变前沿。

“案例库”标题:
tin_melting_front
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多孔介质中的大蒸发率蒸发

样例显示为二维矩形,其中流线以彩虹颜色表形式将气流和蒸汽浓度可视化。 多孔介质模型中的蒸发 “多孔介质中的大蒸发率蒸发”教学案例已更新,使用新的 多孔介质中的水分输送接口来模拟蒸汽和液态水通过多孔介质的传输。

“案例库”标题:
evaporation_porous_media_large_rate
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管线感应加热器

一个用于设计管线感应加热器的仿真 App,左侧为几何形状、材料和操作条件输入字段,右侧为仿真结果。 管线感应加热器 App 更新之后的“管线感应加热器”App 在面上使用边界层网格。

“案例库”标题:
inline_induction_heater
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