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熱傳模組:分析熱效應

支援進階模擬的熱傳建模軟體

“熱傳模組”是COMSOL Multiphysics ®平台的一個附加產品,用於分析傳導熱傳、對流熱傳和輻射熱傳。

“熱傳模組”包含一組綜合特徵,可用於研究熱設計和熱載荷效應。

您可以為整個設備、組件和建築物的溫度場和熱通量進行建模。

為了檢測某個系統或設計的真實特性,您可以使用軟體內置的多物理場建模功能輕鬆地在一個模擬環境中耦合多個物理效應。

熱傳分析專用特徵

共軛熱傳和非等溫流動
“熱傳模組”的內置特徵用於為共軛熱傳和非等溫流動效應進行建模,這些功能可用於模擬換熱器、電子冷卻以及節能等諸多示例。

支援層流和紊流,並能透過自然對流和強制對流進行建模,可用於分析壓力功和黏性耗散對溫度分佈的影響。您可以使用k-ε、低雷諾數k-ε、代數y+或LVEL紊流模型等雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)模型進行紊流建模。

在與CFD模組結合使用時,您還可以使用Realizable k-ε、k-ω、剪切應力輸運(SST)、v2-f及Spalart-Allmaras等紊流模型。

系統會使用連續性、壁函數或自動壁處理等條件來自動處理流-固界面的溫度過渡,具體取決於流動模型。透過激活重力特徵,您可以輕鬆地分析自然對流。

使用COMSOL Multiphysics 基本模組和“熱傳模組”進行的非等溫流動建模示例。

薄層和薄殼

針對薄層和薄殼熱傳建模,“熱傳模組”提供了一系列計算效率高且結果精確的專用特徵。

您可以使用這些工具,研究幾何尺寸遠小於模型其餘部分幾何尺寸的層的熱傳情況,避免為這些層的寬度區域進行網格剖分。

熱薄殼模型適用於以下情況的高導熱材料:層對熱傳的影響主要體現在其切向方向,並且層兩側的溫差可以忽略不計。相反,熱厚模型可以表示導熱性低的材料,在殼的垂直方向起熱阻作用。

此模型計算層兩側的溫差。最後,透過在一般模型中嵌入完整的熱方程,提供了一個精度高且適用範圍廣的通用模型。

薄層特徵支援與常規域模型相似的熱載荷。特別值得一提的是,您可以在層上定義熱源和熱沉,並可以在殼的兩側定義熱通量和表面對表面輻射。

表面對表面輻射
“熱傳模組”使用輻射度方法模擬二維、二維軸對稱和三維幾何中漫反射表面上的表面對表面輻射。

表面屬性可能取決於模型中的溫度、輻射波長或任何其他物理量。您也可以為每個光譜帶定義透明屬性(支援多達五個光譜帶)。

太陽和環境輻射支援預定義設置,其中短波長(太陽光譜帶)的表面吸收率與較長波長(環境光譜帶)的表面輻射率可能有所不同。此外,您還可以根據地理位置和時間來定義太陽輻射方向。

該模組使用Hemicube 或直接積分面積法來計算視角係數。為了提高模擬計算效率,您可以定義對稱的平面或扇區。透過結合使用動坐標系,表面對表面輻射界面可在幾何構型發生變形時自動更新視角係數。

相變
透過使用“熱傳模組”,您可以輕鬆地解釋熱傳分析中的相變破壞。相變材料節點可以透過實施表觀熱容公式來分析相變,並能解釋相變焓和材料屬性的變化,具有使用動網格為體積變化進行建模的功能。

COMSOL ®軟體“案例庫”包含的相關教學案例使用變形幾何介面和Stefan能量平衡條件來計算兩個相之間的過渡前沿的速度。

傳導、對流和輻射分析
“熱傳模組”可用於詳細研究三種類型的熱傳,對核心COMSOL Multiphysics ®模擬平台的分析功能進行了擴展。

傳導
您可以將熱導率定義為各向同性或各向異性,描述任意材料中發生的傳導現象。熱導率可以恆定,也可以隨溫度(或任何其他模型變量)發生變化。

對流
分析受流體運動影響的熱傳模擬。

您可以使用內置特徵來模擬壓力功、黏性耗散,以及強制對流和自由(自然)對流。當您在單相流介面中選擇重力選項後,系統會自動模擬自然對流。

輻射
借助“熱傳模組”,您可以使用輻射度方法為表面對表面輻射建模,也可以使用Rosseland 近似、P1 近似或離散坐標法(DOM)為參與介質中的輻射建模。不僅如此,您還可以使用朗伯比爾定律為吸收介質輻射中的輻射束建模,並將這一效應與其他形式的熱傳進行耦合。

 

 

熱傳模組支援的建模對象

無論您將熱傳作為主要的研究領域,還是僅僅作為大型複雜分析的一部分,往往都需要一次檢查多個物理效應。

借助COMSOL ®軟體的多物理場建模功能,您可以在同一個模擬環境中按照一致的工作流程,對多物理場耦合現象執行完整透徹的分析。

這種直觀的建模模擬方法可用於分析您的應用領域中涉及的熱傳及其他所有物理現象。

請瀏覽以下應用,查看COMSOL Multiphysics ®基本模組和“熱傳模組”支援分析和模擬的幾個案例。

電磁熱

使用電磁與熱傳耦合為不同電磁狀態下的電磁熱建模。“熱傳模組”可用於分析焦耳熱、感應加熱和微波加熱效應。

這些多物理場仿真功能在地下電纜、保險絲、電感器以及其他許多應用的設計和研究中起著非常重要的作用。

透過將“熱傳模組”與AC/DC模組、RF模組、射線光學模組或波動光學模組結合使用,您可以受益於電磁熱建模高級功能所帶來的諸多便利。

多孔介質熱傳

“熱傳模組”提供穩定的接口用於多孔介質熱傳建模,從而分析多孔基體的固相和開孔相中的傳導和對流。

您可以選擇不同的平均模型來定義有效熱傳屬性,系統會根據固體和流體材料的相應屬性自動計算這些熱傳屬性。

還可以存取用於多孔介質中的熱分散的預定義特徵,這一現象由流體通過孔隙所經過的曲折路徑引起。

將“熱傳模組”與CFD模組和地下水流模組相結合,可以求解多孔介質流動(達西定律和Brinkman擴展達西定律),並將其與熱傳模型相耦合。

您可以使用LTNE介面來模擬局部熱非平衡,介面中實現了流體和多孔基體溫度場的各個方程,並使用耦合來分析孔隙中流-固界面的熱傳。

熱應力

熱膨脹是一種普遍存在的現象,可能會伴隨產生非常高的熱應力。

在冷縮裝配及雙金屬溫度感測器等應用中,熱應力起著積極作用;但在其他一些方面,也可能帶來負面影響。例如,它會對建築物產生負面影響,因此需要伸縮接頭,並安裝能夠承受高溫和循環熱載荷的設備來應對這一問題。

出色的熱設計是最佳化熱膨脹效應的關鍵,您可以根據實際情況將這一效應最小化或最大化。

“熱傳模組”中的多物理場耦合功能可用於分析和研究這一現象。

與結構力學模組結合使用時,“熱傳模組”增加了用於分析設備、組件或系統中的熱應力的功能;例如,分析共軛熱傳或薄殼熱傳。

提供用於分析接觸導熱係數的案例模型,其中的導熱係數取決於接觸壓力。除此之外,您還可以分析由極微小間隙隔開的表面之間的表面對錶面輻射貢獻。這些接觸壓力和間隙距離可以從結構力學模型中得到。

熱電效應

您可以耦合電流與固體熱傳物理場介面,為熱電效應建模,從而輕鬆地分析珀爾帖-塞貝克-湯姆遜效應。

在設置模型的材料屬性時,您可以基於含有預定義熱電材料(如碲化鉍和碲化鉛)的選擇進行設置。不僅如此,您總是可以自己定義材料屬性,或將“熱傳模組”與AC/DC模組結合使用,獲取更高級的電流建模特徵。

電子冷卻

在電子設備、電子晶片等元件或電力系統的設計工作中,您可以使用“熱傳模組”的內置功能來執行冷卻能力分析。透過模擬這些應用中的傳導和對流,可以確保實現最佳的性能和操作。此外,您還可以在設計微電子或電腦使用的熱管時模擬冷卻情況。

在電子冷卻分析過程中,高效、精確的模擬起著至關重要的作用,它可以幫助排除故障,避免不太理想的設計。“熱傳模組”在冷卻能力計算方面,不僅計算效率高,還能生成精確的結果。您可以使用軟體中包含的散熱器零件庫,輕鬆地建立復雜的幾何。

換熱器

熱交換器的應用領域非常廣泛,例如水處理、資源提煉、核能、食品和飲料生產、製冷,等等。

“案例庫”包含以下換熱器類型的教學案例:

▲同心管式換熱器
▲雙管換熱器
▲管殼式換熱器
▲緊湊式換熱器
▲翅片管換熱器
換熱器分析同時涉及流體熱傳與固體熱傳。流體在遠距離範圍內傳輸能量,而固體則將流體分開,使其能夠在不混合的情況下實現能量交換。

您可以使用COMSOL Multiphysics ®軟件中的物理場介面來分析這一特性,甚至可以為這些設備中的強制對流或相變進行建模。

建築物熱管理

由於建築設計師需要考慮建築構件中的熱濕變化,因此熱管理對於建築設計來說至關重要。您可以使用“熱傳模組”對木質框架、窗框、多孔建築材料及其他建築構件執行熱管理分析。

除此之外,還提供了可用於分析建築物表面的水冷凝和蒸發的專用工具。

“熱傳模組”包含各種專用特徵,用於分析熱濕存儲、潛熱效應,以及水分的擴散和對流輸送,模擬對流和擴散,以及基於渦流的湍流混合,分析空氣中的熱濕傳遞。

醫學技術

您可以使用熱傳建模來分析醫學應用(例如,腫瘤消融、皮膚探測和組織壞死)中的各種過程。

“熱傳模組”中的特定功能可用於模擬人體組織的熱效應。

COMSOL ®軟體求解生物熱方程,並能透過血液性狀、血液灌注率和代謝熱源來分析組織中的熱效應,可以輕鬆地將微波加熱、電阻加熱、輻射加熱以及化學反應加熱等效應都包含在分析中。

使用模擬App 高效地運行熱分析

試想一下,如果您不需要再為團隊中的其他成員反復運行模擬測試,是不是就能把更多的時間和精力投入到新的項目中?借助COMSOL Multiphysics ®內置的“App開發器”,您可以構建模擬App,在其中限制模型的輸入並控制模型輸出,使您的同事能夠自行運行分析,從而進一步簡化模擬工作流程。

您可以在App 中輕鬆更改熱耗率、工作條件、材料或幾何屬性等設計參數,並根據需要執行多次測試,而無需重建整個模擬模型。

您可以藉助App 提高自己的測試運行效率,也可以將App 分發給團隊其他成員供其運行各自的測試,從而將節省的時間和資源投入到其他項目中。

模擬App 的構建過程非常簡單:

  1. 將復雜的傳熱模型轉換為簡單的用戶界面(App)
  2. 為App 用戶選擇輸入和輸出,實現按需定制App
  3. 使用COMSOL Server™產品對App進行分類,使團隊其他成員可以訪問這些App
  4. 最終實現您的團隊成員在無需任何幫助的情況下,便能夠自行運行設計分析
    通過構建和使用模擬App,您可以在整個團隊、組織、課堂或客戶群中擴展模擬功能。

軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同,為了能有效地評估COMSOL MultiphysicsR軟體是否能符合您的需求,請您與我們聯繫!

我們的業務與技術人員將根據您的需求,提供您完整的案例並協助您進行評估,以選擇最適合您的模組。

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