熱傳模組更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對“熱傳模組”的用戶引入了用於模擬空氣中熱與濕度傳遞的新功能、用於頻域內熱傳建模的新求解器,以及可以幫助您更輕鬆地創建散熱片幾何的元件庫。請閱讀以下內容,了解這些熱傳特徵及其他新增功能。

 

熱與濕度傳遞

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本包含可進一步擴展空氣中熱與濕度傳遞建模的多個特徵,可以在濕空氣中的熱傳和水分輸送介面中使用濕空氣特徵,用於處理空氣中由對流和擴散引起的水分輸送,還可以在需要分析紊流流濕氣對流時處理由渦流擴散係數引起的紊流混合。可以使用熱與濕度多物理場特徵將這兩個介面相耦合。在這種情況下,空氣中的熱與濕度傳遞在定義建築材料的域中會自動耦合。

 

表面上的水冷凝和蒸發也可能在模擬空氣中水分輸送的 App 中起重要作用。這些機制不僅會影響蒸汽與水之間的材料平衡,還會對潛熱造成的能量平衡產生重大影響。現在可以使用濕表面和潮濕表面 邊界條件更容易的分析這種現象。

 

An evaporative cooling model made with the updated Heat Transfer Module.

使用預定義的熱與濕度傳遞特徵可大大簡化對玻璃杯中由溫暖、乾燥的氣流引起的水分蒸發的建模

 

有關使用新特徵分析熱與濕度傳遞的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Heat_Transfer_Module/Phase_Change_/evaporative_cooling

 

頻域中的熱傳

物體承受給定頻率下的週期性正弦熱負載時,可以假定物體本身的溫度響應也是週期性的、正弦的,並且在平衡溫度附近以相同頻率變化。這種暫態週期性問題能夠被頻域中的等效線性穩態問題所替代,從而大大減少計算成本。

 

熱傳介面現在支援頻域擾動(Frequency-Domain Perturbation)求解器,用於計算平衡狀態附近的諧波溫度變化。此外,可以在溫度特徵下添加諧波擾動子特徵,用於指定諧波變化。如果選擇了諧波擾動選項,則熱源和邊界熱源特徵還可以用作擾動負荷。

 

散熱片的幾何元件

冷卻裝置的典型方法是將散熱片貼附到裝置上,散熱片有時與風扇共同作用來加強冷卻。熱傳模組中的元件庫現在包含不同的參數化幾何元件,分別用於以下類型的散熱片:銷釘鰭片、直鰭片,或邊界尺寸不同的銷釘鰭片。使用這些新元件,可以很容易地將散熱片添加到任何模型中。

The new heat sink parts in the Heat Transfer Module Part Library.

熱傳模組元件庫中的散熱片元件選擇,其中已經選擇了帶冷卻銷釘的散熱片

 

有關使用熱傳模組元件庫中的元件的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Heat_Transfer_Module/Tutorials/Forced_and_Natural_Convection/chip_cooling

 

建築材料和製冷材料

熱傳模組新增了建築 材料庫,其中提供了建築物中常用材料的典型吸濕屬性和熱屬性。借助這些材料,我們可以使用建築材料的實際材料屬性快速建立熱濕模型(見圖)。材料屬性包括熱容、導熱係數、密度、含水量、蒸汽滲透率等。此外,液體和氣體材料庫中還新增了兩種新的製冷材料:R-134A R-22

 

固體中的不可逆變換

當材料暴露於高溫或低溫環境時,其成份可能會發生不可逆變換(Irreversible Transformation),其中部分變換能量可能由於發生的材料變化或化學反應而消耗或釋放。固體域節點下的不可逆變換屬性可用於模擬此類熱誘導不可逆變換。通過此特徵,可使用溫度門檻值(Temperature threshold)或能量吸收(Energy Absorption)模型來分析變換。變換過程中維持能量平衡的熱量產生或損耗的熱量可以通過焓變來考慮。最後,還可以為變換後的狀態定義不同的熱屬性。

 

熱傳的Serendipity元素

在使用有限元素法時,單元選擇對模擬的精度和性能起關鍵作用。熱傳 App 現在已引入Serendipity元素,其中包含替代(Serendipity)形狀函數。這意味著,對於給定的元素階層,Serendipity形狀函數所需的計算資源比同等拉格朗日形狀函數少,後者通常比前者更準確。對於四面體和三角形網格,這兩個函數完全相同。

 

使用兩個或三個垂直平面的對稱表面對表面輻射

面對面輻射的對稱性這一全域特徵包含新的選項,在表面對表面輻射熱傳介面或表面對表面輻射介面處於啟動狀態時,這些選項可用於二維和三維模型。通過這個新特徵,可以利用多個對稱平面,以減小網格尺寸,同時,需要的計算資源也較少。在二維模型中,可以定義兩個垂直平面。在三維模型中,可以定義兩個垂直平面,使兩個平面的交集平行於其中一個軸,也可以定義平行於軸的三個垂直平面。

 

此外,在面對面輻射的對稱性全域特徵中,可以將幾何圖形視窗中的對稱平面可視化。這意味著為所有類型的對稱定義平面更容易。可透過圖形視窗中的複選框來顯示/隱藏平面。

A screenshot of the Symmetry for Surface-to-Surface Radiation feature.
已選中兩個垂直對稱平面對稱類型選項的面對面輻射的對稱性特徵的用戶界面
 

圓柱體和球體在外部流中的新修正

對於大多數對流冷卻模擬,需要計算周圍流體中的熱傳及流速。但是,當所研究配置的對流分量的熱傳係數已知時,僅對固相中的熱傳建模並使用邊界處的熱傳係數,能夠以較低的計算成本達到較高的精度。在以前版本的COMSOL® 軟體中,選擇對流熱通量屬性,然後選擇熱通量屬性中的板,平均傳遞係數或板,局部傳遞係數選項時,可以使用此功能。現在,在外部強制對流下拉菜單中定義熱傳係數時,新增了圓柱繞流和球體兩個可用選項。

 

表面對表面輻射模型中的散射輻射和太陽直射輻射

在表面對表面輻射模型中使用漫反射表面和漫射鏡 特徵時,現在可以選擇分析太陽散射輻射。在這些特徵的設定視窗的環境欄中,如果已選擇包括散射輻射,則可以選擇正午晴空水平散射輻照度選項,此貢獻已添加到由外部輻射源特徵和正午晴空太陽法向輻照度選項定義的太陽直接輻射(太陽光直接照在表面)。兩種太陽輻射屬性都在物理場介面的環境設置欄中定義。

 

自動計算等效對流熱導率的溫差

在熱傳介面的流體特徵中,在Nusselt數關聯性下選擇來自下方加熱的水平腔體和垂直矩形腔體選項時,等效對流熱導率(Equivalent Conductivity for Convection)欄提供一個新選項自動,用於計算瑞利數溫差。軟體通過找到域邊界最高溫度與最低溫度之間的差來自動確定溫差。

 

薄層特徵中的暫態項

薄層特徵中的熱厚近似值選項現在可分析對暫態能量存儲建模的暫態項,其中需要在暫態項的熱力學欄中定義層密度和層熱容的附加材料屬性。當薄層的熱容比周圍材料的熱容大時,此特徵可提高模型精度。

 

薄膜和薄多層殼擴展功能

薄膜和薄多層殼特徵現在包含新功能,該功能之前僅適用於固體熱傳介面中的薄層特徵。預設情況下,此特徵提供熱源子特徵及外部溫度子特徵,可透過在薄膜設定視窗中選擇常規作為薄膜模型來使用。在薄殼熱傳介面中,薄膜特徵包含外部溫度子特徵,其中新增一個選項,提供上方和下方溫度。在薄多層殼特徵的相同介面中,包含熱源和外部溫度 這兩個子特徵,包括上方和下方溫度。

A screenshot showing the External Temperature settings in the Heat Transfer Module.

外部溫度特徵的設定提供可用來控制殼的每一側外部溫度的選項

 

環境資料的改進

環境資料功能有三個新的改進,其中,外部輻射源的用戶界面已與環境設置功能同步。此外,當溫度定義選項設為來自指定溫度時,環境溫度已添加為等溫域特徵中的特徵輸入。最後,所有環境數據變量現在都可用作全域變量,並且可以在後處理目的的全域計算中使用。

 

新教學模型:電子晶片冷卻

新教學模型使用幾何元件庫中的散熱片幾何,展示研究電子晶片冷卻時的不同熱傳建模方法。在第一部分,只對固體部分建模,而對於對流氣流,則使用對流熱通量邊界條件來建模。在第二部分,將模型擴展為包含流道的流體域,以計算假設為非等溫特性的流體的耦合溫度和速度。在最後一個部分,分析表面對表面輻射以了解其對結果的影響程度。

A heat sink model made with COMSOL Multiphysics version 5.3 and the Heat Transfer Module.連接到晶片的散熱片中的溫度分佈

 

“案例庫”路徑:

Heat_Transfer_Module/Tutorials/Forced_and_Natural_Convection/chip_cooling