COMSOL 傳熱模塊

傳熱模塊

深入分析熱效應(yīng)

“傳熱模塊”是 COMSOL Multiphysics? 仿真平臺(tái)的一個(gè)附加產(chǎn)品，用于分析傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳熱現(xiàn)象，其中集成了一系列豐富的建模功能，為熱設(shè)計(jì)和熱效應(yīng)的研究提供了有力的工具，可以用來(lái)分析物體、物體周?chē)痛笮徒ㄖ臏囟葓?chǎng)和熱通量。軟件提供的多物理場(chǎng)耦合功能方便您在同一個(gè)軟件環(huán)境中分析多個(gè)物理效應(yīng)，更準(zhǔn)確地模擬真實(shí)場(chǎng)景下的傳熱問(wèn)題。

傳熱模式

在“傳熱模塊”中，所有功能都基于傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種關(guān)鍵傳熱方式。對(duì)于熱傳導(dǎo)分析，材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以是各向同性或各向異性，既可以是常數(shù)，也可以是溫度的函數(shù)；對(duì)于流體中的對(duì)流傳熱，可以分析強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流；輻射傳熱則提供了表面對(duì)表面輻射，以及半透明介質(zhì)中的熱輻射分析工具。

在實(shí)際場(chǎng)景中，傳熱的方式多種多樣，通常是多種傳熱方式的組合。為了確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，往往需要同時(shí)處理相應(yīng)的方程組，“傳熱模塊”為處理這些復(fù)雜情況提供了專(zhuān)業(yè)的工具。

傳熱模塊的主要應(yīng)用

強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合功能，輕松模擬多種熱源。

焦耳熱

模擬固體、流體、殼和多層殼中的焦耳熱（也稱(chēng)為電阻熱）。

母線(xiàn)板中由焦耳熱引起的溫度分布。

感應(yīng)加熱1

模擬管線(xiàn)感應(yīng)加熱器和金屬加工應(yīng)用。

鋼坯通過(guò)由交流電激勵(lì)的線(xiàn)圈時(shí)的溫度，在鋼坯中產(chǎn)生感應(yīng)渦流并產(chǎn)生熱量。

微波加熱2

模擬波導(dǎo)、組織和其他生物應(yīng)用中的微波或射頻加熱。

x 波段波導(dǎo)彎頭包含一個(gè)材料屬性隨溫度變化的介質(zhì)塊。模型顯示裝配因電磁損耗造成溫度不斷上升的情況，并最終確定了穩(wěn)態(tài)溫度。

激光加熱3

使用比爾-朗伯定律模擬各種制造和生物醫(yī)學(xué)過(guò)程中的激光加熱和消融。

玻璃圓柱體中的束流強(qiáng)度（左）和溫度（右），本例使用比爾-朗伯定律模擬輻射束。

熱應(yīng)力4

了解在不同工作條件下熱膨脹和熱應(yīng)力對(duì)系統(tǒng)的影響。

渦輪靜葉片中誘發(fā)熱應(yīng)力的溫度分布圖。

熱接觸

包含與固體力學(xué)模型中的接觸壓力相關(guān)的接觸導(dǎo)熱系數(shù)。

開(kāi)關(guān)的兩個(gè)接觸部分的熱電性能。

熱電效應(yīng)

分析珀?duì)柼?塞貝克-湯姆遜效應(yīng)，并提供包含碲化鉍和碲化鉛等常見(jiàn)材料的材料庫(kù)。

熱電冷卻器設(shè)備。熱電臂中的溫度分布圖，其中使用圓錐體表示電流在整個(gè)設(shè)備中的流動(dòng)情況。

薄殼

在設(shè)計(jì)電子設(shè)備和電力系統(tǒng)部件時(shí)分析熱性能。

翅片管換熱器，其中的圓錐體顯示流體的相對(duì)溫度、管翅片的溫度和流體流過(guò)通道的速度。

多孔介質(zhì)傳熱

分析多孔介質(zhì)中的傳導(dǎo)和對(duì)流以及熱彌散。

圖為地?zé)峄毓嘀兴鹘?jīng)裂隙時(shí)的多孔介質(zhì)傳熱模型。

局部熱非平衡

模擬多孔介質(zhì)傳熱，其中不使用局部熱平衡假設(shè)，例如，孔隙中的快速流動(dòng)。

潛熱存儲(chǔ)單元中的溫度分布和速度場(chǎng)。

電子冷卻

利用高效準(zhǔn)確的仿真來(lái)分析冷卻能力，以避免故障和次優(yōu)設(shè)計(jì)。

計(jì)算機(jī)電源供應(yīng)器的熱性能。該模型計(jì)算設(shè)備中的強(qiáng)制對(duì)流冷卻，其中通過(guò)從格柵進(jìn)入并被風(fēng)扇抽出的氣流進(jìn)行通風(fēng)。

換熱器

分析遠(yuǎn)距離攜帶能量的流體，其中固體將不同的流體分離，以在不混合的情況下實(shí)現(xiàn)能量交換。

板翅式換熱器中的油流動(dòng)和翅片溫度。為了最大限度地提高傳熱效率，換熱器由多孔鋁基體制成，其中有熱油流動(dòng)。熱量通過(guò)與多孔基體接觸的鋁翅片進(jìn)行傳導(dǎo)。

醫(yī)學(xué)技術(shù)和生物加熱

使用生物熱方程分析醫(yī)療應(yīng)用中的腫瘤消融、皮膚探針和組織壞死等過(guò)程。

通過(guò)插入一個(gè)四臂電探針來(lái)實(shí)現(xiàn)惡性組織的局部加熱。

蒸發(fā)冷卻

模擬空氣中的熱濕傳遞以確定飽和壓力，并綜合考慮蒸發(fā)過(guò)程，有效避免冷凝現(xiàn)象的發(fā)生。

通過(guò)模擬在室溫下接觸干氣流的一杯熱水來(lái)分析蒸發(fā)冷卻過(guò)程。

建筑物熱管理

分析木框架、窗框、多孔建筑材料和其他建筑結(jié)構(gòu)的熱性能。

整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的溫度分布（表面和等值面）和熱通量（箭頭），該結(jié)構(gòu)將建筑不同樓層的兩個(gè)房間與外部環(huán)境隔開(kāi)。

冷凍干燥

計(jì)算耦合的熱量和質(zhì)量平衡，以模擬在多孔介質(zhì)中演變的流-固界面。

脫脂牛奶冷凍干燥過(guò)程的仿真，其中顯示氣相和固相（左）、相變界面、溫度和總熱通量流線(xiàn)（右）。

航天器熱分析

根據(jù)直接太陽(yáng)輻射、反照率、行星紅外通量以及航天器各部件之間的輻射傳熱來(lái)計(jì)算航天器的溫度。

在軌衛(wèi)星的傳熱仿真，其中顯示溫度分布。地球圖片來(lái)源：Visible Earth 和 NASA。

備注：

1. 需要 AC/DC 模塊

2. 需要 RF 模塊

3. 需要波動(dòng)光學(xué)模塊

4. 需要結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊或 MEMS 模塊

傳熱模塊的主要功能

“傳熱模塊”提供專(zhuān)用的工具分析熱效應(yīng)。

共軛傳熱和非等溫流動(dòng)

“傳熱模塊”針對(duì)共軛傳熱和非等溫流動(dòng)問(wèn)題提供了專(zhuān)業(yè)的工具，支持自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的仿真，包括層流和湍流。對(duì)于自然對(duì)流，用戶(hù)只需點(diǎn)選重力 復(fù)選框即可考慮浮升力的影響；此外，還可以考慮壓力功和黏性耗散對(duì)溫度分布的影響。

軟件支持使用多種雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）模型進(jìn)行湍流建模，包括 k-ε、低雷諾數(shù) k-ε、代數(shù) y+ 或 LVEL 湍流模型等。與 CFD 模塊耦合使用時(shí)，還可以使用 Realizable k-ε、k-ω、剪切應(yīng)力輸運(yùn)（SST）、v2-f 和 Spalart-Allmaras 湍流模型。對(duì)于各種湍流模型，軟件使用連續(xù)性、壁函數(shù)或自動(dòng)壁處理等方式，自動(dòng)處理流-固界面的溫度過(guò)渡，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過(guò)帶有散熱器的通道為共軛傳熱建模。非等溫流動(dòng) 特征用于耦合傳熱和流體流動(dòng)，如設(shè)置 窗口所示。

表面對(duì)表面輻射

“傳熱模塊”提供了多個(gè)適用于二維、二維軸對(duì)稱(chēng)和三維幾何空間的功能，用于模擬漫反射表面、混合漫反射-鏡面反射表面和半透明層上的表面對(duì)表面輻射。在表面之間和腔體內(nèi)，輻射暴露情況可以使用注量率 特征來(lái)計(jì)算。

該模塊針對(duì)太陽(yáng)和環(huán)境輻射提供了預(yù)置的功能，用戶(hù)可以針對(duì)短波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜與較長(zhǎng)波長(zhǎng)的環(huán)境光譜，定義不同的表面吸收率和輻射率。此外，用戶(hù)還可以根據(jù)地理位置和時(shí)間來(lái)定義太陽(yáng)輻射方向。

角系數(shù)的計(jì)算可以基于半立方體方法、射線(xiàn)發(fā)射法或直接積分面積法，用戶(hù)還可以定義對(duì)稱(chēng)平面或扇區(qū)來(lái)提高計(jì)算效率。當(dāng)仿真分析結(jié)合了動(dòng)坐標(biāo)系時(shí)，表面對(duì)表面輻射能夠在幾何發(fā)生變形時(shí)自動(dòng)更新角系數(shù)。

遮陽(yáng)傘對(duì)兩個(gè)保溫箱的影響，其中一個(gè)保溫箱暴露在陽(yáng)光下，另一個(gè)被遮陽(yáng)傘遮住。本例結(jié)合使用表面對(duì)表面輻射 接口和外部輻射源 特征來(lái)模擬太陽(yáng)。設(shè)置 窗口顯示用于計(jì)算角系數(shù)的半立方體方法。

相變

“傳熱模塊”提供了兩種方法用來(lái)仿真?zhèn)鳠釂?wèn)題中常見(jiàn)的相變現(xiàn)象。一種方法是通過(guò)使用相變材料 功能，基于表觀(guān)熱容公式，分析相變焓和材料屬性的變化，這種方法同時(shí)支持幾何的體積變化和拓?fù)渥兓?/p>

另一種方法是通過(guò)相變界面 功能，基于 Stefan 能量平衡條件分析相變過(guò)程，以計(jì)算可能具有不同密度的兩相之間的界面速度。這種方法與變形幾何結(jié)合使用，計(jì)算效率很高，適用于幾何沒(méi)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況。

小瓶中冰升華的牛奶冷凍干燥仿真的模型設(shè)置。其中使用相變界面 特征來(lái)設(shè)置蒸汽與冰層之間的邊界，圖中還顯示相變溫度和潛熱的設(shè)置。

半透明介質(zhì)中的輻射

“傳熱模塊”提供了多種工具來(lái)分析半透明介質(zhì)（參與介質(zhì)、吸收和散射介質(zhì)以及吸收介質(zhì)中的輻射束）中的輻射。

針對(duì)參與介質(zhì)中的輻射，模塊提供了 Rosseland 近似、P1 近似或離散坐標(biāo)法（DOM）；對(duì)于吸收和散射介質(zhì)中的輻射，用戶(hù)可以使用 P1 近似和離散坐標(biāo)法來(lái)模擬光在非散射介質(zhì)中的擴(kuò)散等問(wèn)題，還可以使用比爾-朗伯定律對(duì)吸收介質(zhì)中的輻射束進(jìn)行建模，并將這一效應(yīng)與其他形式的傳熱進(jìn)行耦合。

比較使用三種不同方法模擬參與介質(zhì)中的輻射的仿真。設(shè)置 窗口中顯示離散坐標(biāo)法（DOM）和 P1 近似。圖中顯示使用 DOM 得到的入射輻射三維結(jié)果，以及整個(gè)玻璃板上的溫度結(jié)果比較。

薄層和殼

對(duì)于薄層中的傳熱，“傳熱模塊”提供了獨(dú)立薄層和多層材料分析方法，可用于研究幾何尺寸遠(yuǎn)小于模型其余部分的薄層中的傳熱現(xiàn)象，適用于薄層、殼、薄膜和裂隙等功能。

針對(duì)獨(dú)立薄層，軟件提供了適用于高導(dǎo)熱材料的熱薄層模型，這種情況中，傳熱沿薄層的切線(xiàn)方向，可以忽略薄層厚度方向兩側(cè)的溫差。對(duì)于導(dǎo)熱性較差的材料，軟件提供了熱厚層模型，這種情況中，材料在薄層的法線(xiàn)方向上起著熱阻作用，需要計(jì)算層兩側(cè)之間的溫差。同時(shí)，軟件還提供了包含完整熱方程的通用模型，作為一個(gè)高度精確且適用范圍廣的選項(xiàng)。

針對(duì)多層材料，軟件提供了多個(gè)預(yù)處理工具，用于詳細(xì)定義多層材料的結(jié)構(gòu)和組成，支持從文件中加載多層結(jié)構(gòu)構(gòu)型，或?qū)⒍鄬咏Y(jié)構(gòu)構(gòu)型保存到文件，并提供層預(yù)覽功能。通過(guò)這種方式，用戶(hù)可以方便地為多層材料幾何建模，并查看仿真結(jié)果。AC/DC 模塊和結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中也提供了多層材料相關(guān)功能，與這些模塊結(jié)合使用時(shí)，用戶(hù)可以分析多層材料的電磁熱或熱膨脹等多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)。利用軟件提供的熱連接 多物理場(chǎng)耦合功能，還可以方便地設(shè)置域傳熱接口和殼傳熱 接口之間的熱連續(xù)性。

分層加熱電路中的傳熱和變形，其中薄導(dǎo)電層中的焦耳熱導(dǎo)致熱膨脹。

水分輸送

為了實(shí)現(xiàn)高效的熱濕傳遞，我們提供了廣泛的多物理場(chǎng)功能，將傳熱與水分流動(dòng)、建筑材料中的水分輸送以及濕空氣和吸濕性多孔介質(zhì)相耦合。為了深入研究這些影響，“傳熱模塊”提供了多種設(shè)置選項(xiàng)，可用于模擬空氣和含濕多孔介質(zhì)中的水分輸送與非等溫流動(dòng)的耦合。此外，模塊中還包含多種工具用來(lái)分析水在表面上的冷凝和蒸發(fā)現(xiàn)象，并提供附加特征用于分析熱濕儲(chǔ)存、潛熱效應(yīng)以及水分的擴(kuò)散和傳遞。

一杯熱水的蒸發(fā)冷卻仿真。該模型基于多個(gè)多物理場(chǎng)相互作用而創(chuàng)建：熱濕傳遞、熱量和湍流氣流、水分輸送和湍流氣流。水分輸送僅計(jì)算水面外的空氣域中的蒸汽濃度和相對(duì)濕度，如圖形 窗口所示。

集總熱系統(tǒng)

“傳熱模塊”提供一系列工具，用于精確計(jì)算熱網(wǎng)絡(luò)中的傳熱速率和溫度分布。通過(guò)集總熱系統(tǒng) 接口，用戶(hù)可以方便地借助于熱阻、熱耗率和熱質(zhì)量等集總參數(shù)來(lái)進(jìn)行熱分析，其中溫度和熱耗率作為因變量，通過(guò)求解能量守恒方程提供準(zhǔn)確的結(jié)果。

將三維模型與該模型的集總版本的結(jié)果進(jìn)行比較的傳熱仿真。其中使用集總熱系統(tǒng) 接口作為三維模型的輸入，如設(shè)置 窗口所示。結(jié)果表明，兩種方法的結(jié)果高度吻合。

軌道熱載荷

航天器面臨著來(lái)自太陽(yáng)和地球輻射的影響，軌道熱載荷 接口提供了專(zhuān)用的工具，用于分析繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星受到的輻射載荷及溫度變化。通過(guò)這個(gè)接口，用戶(hù)可以描述航天器輻射屬性、軌道和方向、軌道機(jī)動(dòng)和行星屬性，計(jì)算結(jié)果可以顯示直接太陽(yáng)輻射、反照率和行星紅外通量等參數(shù)，同時(shí)還可以提供航天器各部件之間輻射傳熱的詳細(xì)信息；與傳熱接口耦合時(shí)，可以詳細(xì)描述航天器各部件的傳熱。

帶有電子元件的衛(wèi)星電路板的溫度分布。本例在 軌道熱載荷研究中預(yù)先計(jì)算直接太陽(yáng)輻射、反照率和地球紅外熱負(fù)荷，然后在 軌道溫度研究的多個(gè)軌道周期中重用這些數(shù)據(jù)。