传热模块

使用高级仿真软件分析热效应

“传热模块”是 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的一个附加产品,用于分析传导传热、对流传热和辐射传热,其中包含一组丰富的建模特征,用于研究热设计和热载荷效应。用户可以对整个组件、附件和建筑物的温度场和热通量进行建模。为了检测系统或设计的真实特性,您还可以使用软件内置的多物理场建模功能,轻松地在同一个仿真环境中耦合多个物理效应。

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LED 灯泡的模型图像,显示了灯泡周围的流体流动以及灯泡内部的温度和流体流动。

传热模式

“传热模块”中的所有功能都基于三种传热模式:传导、对流和辐射。任何材料中的传导都可以具有各向同性或各向异性的导热系数,既可以是常数,也可以是温度的函数。对流,即传热仿真中流体的运动,可以是强制对流,也可以是自由(自然)对流。使用表面对表面辐射或半透明介质中的辐射可以分析热辐射。

传热模式中有许多变化,我们必须同时考虑不同的模式;在某些情况下,还需要综合考虑这三种模式。所有这些都需要同时处理不同的方程,以确保模型的准确性。开发“传热模块”是为了处理您想要模拟的任何类型的传热。

传热模块支持的建模对象

强大的多物理场建模方法,适用于您可能感兴趣的许多热源类型。

母线板装配的局部放大图,其中显示温度分布。

焦耳热

模拟固体、流体、壳和多层壳中的焦耳热(也称为电阻热)。

钢坯通过三个通电线圈时的温度分布的局部放大图。

感应加热1

模拟管线感应加热器和金属加工应用。

部分透明的波导弯头模型,以红色、白色和蓝色显示表面图(表示行波),并显示一个介质块,其中以红色、黄色和白色的颜色渐变显示温度。

微波加热2

模拟波导、组织和其他生物应用中的微波或射频加热。

半个玻璃圆柱体的局部放大图,其中在四分之一圆柱体中显示束流强度,并在另外四分之一圆柱体中显示温度分布。

激光加热3

使用比尔-朗伯定律模拟各种制造和生物医学过程中的激光加热和消融。

涡轮静叶片的局部放大图,其中显示温度分布。

热应力4

了解各种工作条件下热膨胀和热应力的影响。

经过接触开关的电流流线和温度分布的局部放大图。

热接触

包含与固体力学模型中的接触压力相关的接触热导系数。

热电冷却器设备的局部放大图,其中显示温度分布。

热电效应

分析珀尔帖-塞贝克-汤姆逊效应,并提供包含碲化铋和碲化铅等常见材料的材料库。

翅片管换热器的局部放大图,其中显示流经管的流量和翅片的温度。

薄壳

在设计电子设备和电力系统部件时分析热性能。

地热回灌裂缝中流动和传热的局部放大图。

多孔介质传热

分析多孔介质中的传导和对流以及热弥散。

储罐的局部放大图,其中显示通过储罐的流动和传热。

局部热非平衡

模拟多孔介质传热,其中不使用局部热平衡假设,例如,孔隙中的快速流动。

带有风扇和格栅的计算机电源供应器的局部放大图,其中显示通过该装置的流体流动和部件中的传热。

电子冷却

通过使用高效准确的仿真来分析冷却能力,以避免故障和次优设计。

错流式换热器的局部放大图,其中显示两层流道和温度分布。

换热器

分析长距离携带能量的流体,其中固体将不同流体分离,避免混合,以实现能量交换。

一个局部放大图,其中显示电探针的电流流线和周围组织的温度等值面。

医学技术和生物加热

使用生物热方程分析医疗应用中的过程:肿瘤消融、皮肤探针和组织坏死。

一杯热水的局部放大图,其中显示玻璃杯的温度,以及通过流道时绕过玻璃杯的流线。

蒸发冷却

模拟空气中的热湿传递,以确定饱和压力,分析蒸发并避免冷凝。

建筑结构部件的模型,其中以 HeatCamera 颜色表显示温度分布,并用箭头显示热通量。

建筑物热管理

分析木框架、窗框、多孔建筑材料和其他建筑结构的热性能。

局部放大图显示两个圆柱体来演示冷冻干燥过程:其中一个圆柱体显示两个相位,另一个显示传热。

冷冻干燥

计算耦合的热量和质量平衡,以模拟在多孔介质中演变的流-固界面。

传热模块的特征和功能

“传热模块”提供专门的功能来模拟传热效应,并在 COMSOL Multiphysics® 平台中无缝工作,从而实现一致的建模工作流程。

“非等温流动”多物理场耦合的设置窗口,以及散热器仿真的结果。

共轭传热和非等温流动

“传热模块”包含对共轭传热和非等温流动效应进行建模的专用特征,支持层流和湍流,它们都能通过自然对流和强制对流进行建模。如需分析自然对流,只需选中重力 复选框。此外,也可以激活压力功和黏性耗散来影响温度分布。

用户可以使用 k-ε、低雷诺数 k-ε、代数 y+ 或 LVEL 湍流模型等雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型进行湍流建模。通过将该模块与 CFD 模块结合使用,您还可以使用 Realizable k-ε、k-ω、剪切应力输运(SST)、v2-f 和 Spalart-Allmaras 湍流模型。软件可以根据流动模型使用连续性、壁函数或自动壁处理等方式来自动处理流-固界面的温度过渡。

“相变界面”特征设置,“图形”窗口中显示“相变界面”的应用。

相变

“传热模块”提供两种方法用来模拟传热分析中的相变现象。相变材料 特征用于实现表观热容公式,并分析相变焓和材料属性的变化。此方法支持对体和/或拓扑变化进行建模。

此外,相变界面 特征根据 Stefan 能量平衡条件对相变进行建模,以计算可能具有不同密度的两相的界面速度。这种方法与变形几何相结合,在不改变拓扑结构的情况下非常高效。

三个水分输送多物理场耦合,以及一杯水的蒸发冷却结果,其中显示蒸汽浓度。

水分输送

热湿传递需要广泛的多物理场功能,将传热与水分流动、建筑材料中的水分输送、湿空气和吸湿性多孔介质相耦合。为了研究这些影响,“传热模块”提供了许多设置来模拟空气和含湿多孔介质中的水分输送与非等温流动的耦合。此外,模块中还提供多种工具用来分析表面上水的冷凝和蒸发,并提供附加特征用于分析热湿储存、潜热效应以及水分的扩散和传递。

显示“集总热系统”接口的“模型开发器”,其中突出显示“集总系统连接器”特征,并显示结果比较图。

集总热系统

相关特征可用于计算热网络中的传热速率和温度分布。集总热系统 接口支持热阻、热耗率和热质量等集总特征,使用温度和热耗率作为因变量来求解能量守恒方程。

“模型开发器”中的“表面对表面辐射”接口,“图形”窗口中显示仿真结果:遮阳伞和保温箱在阳光下的表面辐射度。

表面对表面辐射

“传热模块”使用辐射度方法来模拟漫反射表面、混合漫反射-镜面反射表面和半透明层上的表面对表面辐射。对漫反射表面进行建模时,可以在二维、三维和二维轴对称几何中执行这些操作。表面和环境属性可能取决于模型中的温度、辐射波长、入射角或任何其他物理量。此外,还可以为每个光谱带定义透明属性(并支持任意数量的光谱带)。

本模块为太阳和环境辐射提供了预定义的设置,其中短波长(太阳光谱带)的表面吸收率与较长波长(环境光谱带)的表面辐射率可能有所不同。不仅如此,您还可以根据地理位置和时间来定义太阳辐射方向。

可以使用半立方体方法、射线发射法或直接积分面积法来计算角系数,也可以定义对称平面或扇区来提高仿真计算效率。通过结合使用动坐标系,表面对表面辐射界面可以在几何构型发生变形时自动更新角系数。

“参与介质中的辐射”接口设置,“图形”窗口中显示玻璃板的入射辐射。

半透明介质中的辐射

通过“传热模块”,您可以使用许多工具来模拟半透明介质(参与介质、吸收和散射介质以及吸收介质中的辐射束)中的多种辐射类型。

对于参与介质中的辐射,可以使用 Rosseland 近似、P1 近似或离散坐标法(DOM)。对于吸收和散射介质中的辐射,可以使用 P1 近似和离散坐标法来模拟光在非散射介质中的扩散等问题。最后,您还可以使用比尔-朗伯定律为吸收介质中的辐射束建模,并将这一效应与其他形式的传热进行耦合。

“多层热膨胀”多物理场接口,“图形”窗口中显示温度和变形结果。

薄层和壳

对于薄层中的传热,“传热模块”提供单独的层模型和多层材料技术,用于研究几何尺寸远小于模型其余部分的层中的传热。此功能可用于薄层、壳、薄膜和裂隙。

对于单个层,热薄层模型用于高导热材料,其传热方向与层相切,并且层两侧的温差可以忽略不计。相反,热厚层模型可以表示导热性较差的材料,这些材料在壳的垂直方向起着热阻作用;该模型计算层两侧之间的温差。最后,通用模型中嵌入了完整的热方程,从而提供一个高度精确且适用范围广的模型。

多层材料技术包含可定义详细多层材料的预处理工具,支持从文件中加载多层结构构型/将多层结构构型保存到文件,并提供层预览特征。您可以将薄的多层结构中的结果可视化,就像它们最初被建模为三维实体一样。多层材料功能在 AC/DC 模块结构力学模块中提供,从而能够在多层材料中包含电磁热或热膨胀等多物理场耦合。

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