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传热与相变 博客文章

通过建筑物理仿真改进建筑设计

2018年 10月 4日

想象一下,当雷雨交加时你正在室内,看着雨点从窗户上滴下来。尽管外面是暴风雨,但由于建筑围护结构可以保护你免受外界环境的影响,你仍然能够保持干燥并感到温暖。为了设计功能完善的建筑围护结构,工程技术人员需要考虑各种不同的因素。仿真有助于满足这一需求。

摩擦搅拌焊接过程的传热研究

2018年 8月 6日

高效、经济、环保的摩擦搅拌焊接(FSW)在很多领域得到了广泛应用。顾名思义,这种焊接工艺是利用摩擦对材料进行加热,然后将这些材料搅拌在一起。为了获得最佳的 FSW 性能,产生的热量应当恰好获得合适的温度:如果温度过高,材料会熔化,从而降低焊接性能;如果温度过低,则这个过程的效率非常低。您可以使用 COMSOL 软件评估和改善 FSW 过程中的传热。

基于仿真对碳素制造中的热过程进行优化

2018年 7月 5日

我们博客的特约作者 Bojan Jokanović 来自全球领先的碳基产品制造商——西格里碳素有限公司,他将讨论碳素工业中热过程的优化。 碳素制品的应用领域很广,包括半导体、汽车制造、陶瓷和冶金等行业。石墨具有高温稳定性、良好的导热和导电性以及较好的化学稳定性,这些特性使石墨成为了独一无二的材料。然而,碳素制造业是一个能源密集型产业。我们必须建立数字过程链,以此来优化过程并降低成本。

借助分步仿真优化增材制造工艺

2018年 3月 7日

增材制造有着广泛的应用,例如制造定制医疗设备、航空航天器材和艺术品。随着潜在用途的不断增加,增材制造能够满足需求是非常重要的。然而,分析和优化这个复杂的过程可能很困难。工程技术人员能做哪些工作来克服这个挑战呢?

静态和动态壁换热器的仿真对比分析

2018年 2月 27日

我们将借助流-固耦合建模来比较静态换热器与含动态壁的紧凑式换热器设计的性能和效率

仿真助力超声聚焦的临床应用研究

2017年 8月 31日

来自 COMSOL 认证咨询机构 EMC3 咨询公司的特邀作者 Thomas Clavet   在本篇博客文章中讨论了基于相控阵和几何聚焦探头的临床超声聚焦技术。

葡萄酒冷却器真的可以使饮料变凉吗?

2017年 8月 17日

在阳光明媚的日子里,人们很想带些食物和饮料到大自然里去享受美好的天气。然而,在高温下保持葡萄酒(或任何饮料)处于低温状态是一个极具挑战的事情。据推测,葡萄酒冷藏箱可以让冰冻饮料保持至少一个小时的低温。在本文中,我们使用COMSOL Multiphysics®软件来了解葡萄酒冷却器的工作原理。 葡萄酒冷却器的工作原理 葡萄酒冷却器通常由带有充气双壁的开放式丙烯酸圆筒组成。其中,双层壁起到了隔热的作用,可防止热空气到达饮料中。   在我露台的桌子上放置了一个葡萄酒冷却器,可以使刚从冷藏室中拿出的红酒保持低温。   你把一瓶冰过的酒放在冷却器里,首先它必须是凉的,这样可以防止冷却器中的温度上升。之后,瓶子会产生一堆冷空气,并且由于冷空气的密度高于暖空气的密度,因此较冷的空气会留在冷却器内。隔热壁内的空气比瓶子周围的空气略热,但比冷却器周围的空气冷。这些壁可以阻止外部热空气进入冷却器的内部腔室中。 我在家里做了一个小实验,测量了我的葡萄酒冷却器内的空气温度。测量结果证实,冷却器内部的温度从环境温度迅速下降到更低的温度,这表明这种简单的葡萄酒冷却器是有效的——至少在最开始这一阶段。根据某些葡萄酒冷却器制造商的说法,该瓶子至少可以保证一个小时(甚至最多三个小时)的低温,而无需任何其他的冷却方法(如冰块或制冷系统)。 为了评估葡萄酒冷却器是否可以使饮料保持一段时间的低温,我们需要确定饮料的温度会升高多少后,我们酒认为这个饮料就不再是冷的了。例如,白葡萄酒建议的最佳饮用温度一般在6至12°C(48.2°F至53.6°F)之间。由于饮料在饮用时在玻璃杯中会升温,因此我认为10°C(50°F)是一个合适的温度极限,超过这个温度,饮料就不再是冷的了。 让我们使用COMSOL Multiphysics来证明这些制造商的话是否合理。此外,在室外温度超过正常室温的情况下,葡萄酒冷却器的性能如何?   使用COMSOL Multiphysics®对葡萄酒冷却器中的传热进行建模 对于COMSOL Multiphysics®模型,我们可以将葡萄酒冷却器的圆柱形状,创建为一个轴对称的模型。与完整的3D模型相比,该模型的计算效率更高,并且符合所需的所有细节。我们还假设了轴对称条件(也就是说,该模型未考虑外部影响,例如风或太阳的热辐射等)。该模型的几何形状包括瓶中的饮料,瓶本身,冷却器内的空气,冷却器壁以及内、外冷却器壁之间的空气隔热袋。   葡萄酒冷却器模型的几何形状。 对于材料数据,该模型使用了内置材料库中的以下材料: 在瓶上方的液体区域,冷却器内部(瓶子外部),以及冷却器壁上的空气带中填充空气 水,液体用于瓶中的饮料 瓶子本身是用玻璃(石英) 尼龙用于塑料冷却器壁和底部 传热发生在冷却器装置中的所有部分,对玻璃和塑料中固体的传热(热传导)以及饮料和空气中流体的传热(热传导和对流)进行建模。为了模拟瓶子周围更活跃的自然对流模型(因为瓶壁和冷却器壁的温度不同),通过Nusselt number(努塞特数) Nu = 10(参见下面的 “流体” 节点的设置)。在所有流体中都可以使用相似的 努塞特数 值,但是在此部分中,混合是最重要的。   流体节点的设置表示冷却器内的空气,努塞尔特数(在最底部)的设置表示混合。   在初始条件下,瓶子和里面的饮料温度为6°C,代表冷却器。空气和冷却器的初始温度设置为21°C,这是典型的室温。 对于边界条件,当您创建二维轴对称几何图形时,COMSOL Multiphysics会自动处理轴对称问题。冷却器的底部被认为是绝热的。对于冷却器和瓶子的外部,对流热通量描述了边界条件,外部温度设置为环境温度。瓶子和冷却器顶部的开放边界使用温度条件表示:这些边界处的温度设置为环境温度。 为了在仿真过程中测量饮料和冷却器内空气的温度,我们添加了两个域点探头,它们提供了瓶内(用于饮料)和冷却器(用于空气)内部温度的模拟温度。使用 区域探针 来计算饮料的平均温度也可能引起人们的兴趣。 最初,环境温度被设置为21°C(这是中等温暖地区的夏季的温度)。在参数扫描中,我们将环境温度从5°增加到26°C和31°C,分别代表一个温暖的夏天和一个炎热的夏天。参数扫描显示出冷却器对外界温度的敏感程度。 下图显示了如何使用一组值和一个关联单位指定参数扫描: “参数扫描” 节点的“设置”窗口(仅限顶部)。该扫描包括三个环境温度值(以摄氏度为单位)。 最后,我们可以从仿真器中删除冷却器,以检查将瓶子直接放在温暖的空气中时,瓶子的升温速度有多快。在COMSOL Multiphysics中这样做很容易。我们从冷却器域中的传热 接口删除,并将对流热流条件分配给瓶子边界的另一部分,即先前的内部边界,即瓶子与冷却器内空气之间的边界。这部分现在变成了暴露在环境温度下的外部边界。 葡萄酒冷却器模拟的结果 当您在COMSOL Multiphysics中运行轴对称仿真时,该解决方案将自动转换为一个完整的3D解决方案。以下3D图显示了环境温度为21°C 时,1小时后瓶子和冷却器中的温度:   一小时后的温度。除顶部外,冷却器内的瓶子和周围空气仍然是冷的。   通过探针,我们可以绘制出瓶内和冷却器内空气中的温度(在底部上方10 cm处): 瓶内(绿色)和冷却器内空气(蓝色)的温度。   如图所示,冷却器内的空气迅速降至约10°C左右,这与我使用家用温度计进行的测量温度相符。饮料的温度在10°C以下保持近1.5小时,在12°C以下可以保持2小时以上。因此,在21°C的环境温度下,将饮料冷藏至少一个小时的承诺似乎是有效的。 现在,我们可以运行参数扫描。环境温度先升高5度,然后再升高10度。下图显示了3种环境温度下瓶内饮料的温度: 瓶中饮料的温度,环境温度为21摄氏度(蓝色),26摄氏度(绿色)和31摄氏度(红色)。 不出所料,当环境温度升高时,冷却器将无法长时间保持饮料的低温。26°C时,1小时后饮料的温度略高于10°C。当室外温度很高(31°C)时,饮料的温度在1小时后高于10°C,但仍低于12°C。因此,尽管比室温温度高出几度,但冷却器仍能很好地保持饮料的低温。 瓶子在冷却器中停留的时间越长,就越容易受到周围环境温度的影响。但是,如果我们根本不使用冷却器呢?在另一个模拟中,我们可以在没有葡萄酒冷却器的情况下分析瓶子的温度。在这种情况下,我们得到了通过参数扫描的结果:   没有冷却器的瓶中饮料的温度,环境温度为21摄氏度(蓝色),26摄氏度(绿色)和 31摄氏度(红色)。 从上图可以明显看出,冷却器的作用很大。即使在室温情况下,瓶中饮料的温度也不会保持在12°C以下。对于较高的室外温度,饮料的温度上升得很快。现在,我们可以肯定地说,在没有任何冷却器的情况下将一瓶葡萄酒带到外面并不是一个好主意。 保持凉爽 该仿真显示了您可以在COMSOL Multiphysics中建立模型的以验证量级的速度有多快(如果可以的话,还可以将其与您的测量结果进行比较),并使用参数扫描来探索其他配置,例如环境温度的变化等。 我们在本文中讨论的葡萄酒冷却器模拟实验表明,实际上,即使外面真的很热,您也可以将一瓶喜欢的饮料保持几个小时的低温,或者至少接近一个小时。您需要做的就是在将瓶子带到室外之前适当地冷却瓶子,并记住将其放入葡萄酒冷却器中。冷却器的传热机制将为您完成冷却工作,使您可以“冷静下来”。 拓展阅读 看看物理与葡萄酒相遇的另一个例子:葡萄酒的眼泪和马兰戈尼效应 了解本文中提到的一种过程的更多信息:COMSOL Multiphysics®中自然对流建模的简介

比较两种模拟电子芯片散热的方法

2017年 8月 2日

我们介绍了两种模拟电子芯片散热的方法。一种方法模拟了固体零件和“对流散热“边界条件,另一种是加入空气域。


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