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传热 博客文章

变形固体中的热传递

2014年 5月 28日

在之前的博客文章中,我们介绍了关于静止固体共轭传热的应用。静止固体简化了将要求解的热方程,并且通常是温度场的精确近似值。

如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟热粘性声学

2014年 2月 28日

当模拟声学现象、尤其是对几何尺寸非常小的声学装置而言,需要考虑许多复杂因素。热粘性声学 接口为声学模型的建立,及对声压、速度场、温度变化等因素的求解提供了一个简便、精确的方法。在本文中,我们将介绍如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟热粘性声学问题,同时还为您提供了一些操作技巧和有用的资源。

使用 COMSOL 模拟窗户的隔热性能

2014年 2月 4日

设计师在设计建筑物时,常常会考虑:怎样才能让建筑物内部保持舒适的温度,使人感到冬暖夏凉呢?这可以通过对建筑物的窗户结构进行精心设计来实现。

共轭传热

2014年 1月 6日

我们将在本篇博客中解释共轭传热这一概念,并会展示相关应用。共轭传热综合了固体传热和流体传热。固体传热以传导为主;流体传热则以对流为主。我们在很多情况下都能观察到共轭传热。如设计散热器时,就可以结合散热器中的传导和周围流体中的对流来进行优化。

借助传递与固体力学耦合模型做出更美味的爆米花

2013年 11月 20日

在 COMSOL 工作期间,传热所能涉及的领域广度一直是我的兴趣所在。研究人员常常使用 COMSOL Multiphysics 进行食品制造中的传热研究,远非局限于钢锭和 CPU 风扇方面的研究。对爆米花生产过程中热力学效应的研究便是一个很好的例子,这个案例曾在 COMSOL 用户年会 2013 波士顿站上做过演示。

为什么微波炉加热食物不均匀?

2013年 9月 3日

我们可能都经历过这样的场景:下班回到家,把昨晚的剩菜放在微波炉里,坐下来准备吃一顿简餐,结果却发现吃到的食物一口滚烫,一口冰冷。这样的经历不止一次促使我思考:为什么微波炉对食物的加热会这么不均匀? 微波加热的物理原理 微波 是一种高频电磁波。微波炉中用来加热食物的微波波长约为 12.23cm,频率为 2.45GHz。电磁波产生振荡的磁场和电场,激发磁场中的分子,从而产生热量。 有多种不同的因素会导致令人不快的微波加热体验。首先,一顿饭中的不同成分通常具有不同的能量吸收率。非常明显的一个例子是在重新加热一个包子时——包子馅吸收热量的速度比包子皮快得多,使得包子馅是热的,而外面的包子皮冰冷。这是因为含水量较高的食物吸收微波能量的效率较高,而含水量较低的食物吸收热量较慢,导致加热不均匀。这是由于水分子中存在偶极子,使得分子的正负两端在振荡电磁场中来回转换。正因为如此,我们还会注意到液态水比冰加热的速度更快,因为液态分子比冰中的分子移动更自由,产生更多的碰撞,从而产生更多的热量。 微波炉加热不均匀的另一个原因来自烤箱内部复杂的振荡模式。下面,我们使用 COMSOL 仿真来仔细研究微波加热食物背后的物理原理,从中我们可以了解加热过程中发生的电磁场和热传递。 微波加热模拟 首先,我们可以设置微波炉的几何结构。在我们的模拟中,微波炉被设置为一个连接到 500W、2.45GHz 微波源的铜盒, 然后,通过位于 烤箱右上角的波导 将微波引向烤箱的中心。底部装有放置食物的玻璃板。为了使我们的分析简单,我们可以看一下加热是如何在均匀食物(例如土豆)中发生的。微波炉、波导、玻璃板和土豆的几何结构如下所示。由于模型存在镜像对称性,因此我们只需要建模一半的几何图形。 微波炉、波导、玻璃板和土豆的几何形状。由于镜像对称,几何图形被缩小。 在模拟中,从土豆的底部切下一块,以使放在盘子上的土豆保持稳定性。这种切割也有助于建立有限元网格,允许在土豆与板接触的区域中进行详细分析。通过使用 阻抗 边界条件计算来自微波炉和波导铜壁的电阻性金属的热损失,虽然损失很小。 当我们向土豆输入微波辐射时,土豆就像一个共振腔,将一些电磁场捕获在里面。转移到土豆上的能量(即耗散功率)大约是辐射源释放能量的 60%。其余的能量通过端口反射回来。从下面的模拟中可以看出,谐振腔在土豆的中心产生了一个峰值,在此处耗散功率最高。 马铃薯内部耗散的微波功率分布。注意土豆中心的峰值。 这个微波场引起土豆内部的加热。5 秒钟过后,我们可以看看土豆内部产生的热量。在模拟中,我们可以观察到,只有土豆的中心在 5 秒钟后开始加热。此外,由于土豆的低热导率,热量仍然集中在中心,而没有扩散。这导致了我们在微波炉中加热食物时有时会得到食物中心热外部冷的结果。 加热 5 秒钟后土豆的温度分布。 如果我们继续加热土豆更长时间,土豆的中心温度最终会达到沸点,蒸汽会形成并向外扩散,加速热量传递,并随着它的干燥降低中心的功率耗散。这将在温度接近 100℃ 时发生,尽管土豆内部不断上升的局部压力可能会增高沸点。然而,当过热到一定程度时,就会发生一次或几次微爆炸,打开通向马铃薯外部的蒸汽通道。任何尝试过微波处理土豆泥或浓汤的人都可能经历过这些微爆炸,并亲眼见证了它们对微波炉内部的影响(土豆泥四溅……)。虽然上面讨论的模拟不包括这些非线性效应,但它可以作为包括这些和其他效应的更复杂模拟的良好起点。 微波炉中的驻波 导致土豆受热不均匀的机制也在整个微波炉中发挥作用。共振电场的形状由微波炉内部大小不同的电场强度斑点的图案。这些斑点是由驻波 引起的。驻波是由于电磁波相互叠加时在烤箱中来回反射而产生的。出现驻波会导致微波中出现电场强度高低分布的斑点图案。使用上面相同的几何结构,我们可以分析这些驻波: 微波中驻波的位置。 旋转位于微波炉底部的玻璃板,将土豆放在板的边缘,而不是中间,可以减轻高强度斑点导致加热不均匀的问题。通过上图,我们可以看到旋转是如何通过斑点移动食物的。 联系 COMSOL 进行软件评估 拓展资源 COMSOL 案例库中下载微波炉模型

石墨烯革命:第二部分

2013年 3月 27日

我在之前的一篇博客中曾经介绍过石墨烯的一些奇异特性。石墨烯仅包含单层原子,这意味着任何石墨烯基结构都将有极高的纵横比;而高纵横比的几何也为模拟带来了各种挑战。 石墨烯的传热模拟 COMSOL 提供了多种工具来帮助模拟具有极高纵横比的几何及特征。最近,人们利用 COMSOL 对石墨烯“被子”进行了传热模拟,《Nature Communications》杂志的”用于高功率 GaN 晶体管热管理的石墨烯被子“一文介绍了该研究。论文作者使用 COMSOL Multiphysics 证实,可通过引入由薄层石墨烯 (FLG) 制作的额外散热通道,即顶面导热片,来显著提升 AlGaN/GaN 异质结场效应晶体管 (HFET) 的局部热管理。 COMSOL Multiphysics 的传热接口支持您使用薄层特征特征模拟极高纵横比的组件。这一特征仅求解表面切面处的传热方程,因此免去了在高纵横比层中使用极端细化网络的需求。使用此方法能够极大减少计算时间和内存使用。 薄层特征设定窗口。 石墨烯的电气模拟 从 2006 年开始,人们就已经使用 COMSOL 来研究石墨烯的电气特征。在这篇论文中,研究人员使用 COMSOL 来推导石墨烯基复合材料的面内和横向电导率。我们可以很轻松地在 COMSOL Multiphysics 中输入电导率的张量物理量。您仅需提供电导率张量元,它可以是温度或其他任何量的函数。 可以轻松在电流接口电流守恒特征的设定窗口中指定各向异性电导率。 石墨烯的结构力学模拟 COMSOL 也可以模拟石墨烯的结构力学应用。在这篇论文中,研究人员计算了石墨烯膜在压力差作用下产生的挠度和应变。可通过电气检测到带结构中的变化,这说明它可用于制造超灵敏压力传感器。结构力学模块的壳接口主要用于薄壁结构中的结构力学分析,因此非常适合此类应用。壳接口使用 Mindlin-Reissner 类公式,即考虑了横向剪切形变。这意味着我们无须对极薄结构进行网格剖分,就可以获得高精度的结果。 壳接口中材料模型的设定窗口。 相关示例模型 我们现在已经分析了热学、电气以及力学的模拟概念,您可能在想有什么模型能同时用到所有这些概念。确实有一个,您可以查看案例库中电路板加热模型,如下所示。 电路板加热模型演示了热学、电气以及力学模拟概念。 这一多物理场示例模拟了加热电路器件时电热的产生、传热,以及机械应力和变形。模型用到了传热模块的固体传热接口,AC/DC 模块的电流,壳接口,以及结构力学模块的固体力学和壳接口。

模拟锂离子电池的散热

2013年 1月 21日

阅读全文,简要了解如何在 COMSOL Multiphysics® 软件中通过三个顺序研究来创建锂离子电池模型。在文章结尾,我们为您附上了教学模型的下载链接。


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