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comsol 热传导.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.14M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    w 页码，1/31(W) COMSOL Multiphysics快速入门实例 : 导电体的热效应 导电体的热效应 该模型的目的在于给出一个多物理场模型的概念并给出采用COMSOL Multiphysics求解这类问题的方法。 该实例研究了热和电流平衡之间的耦合作用现象。装置中通有直流电流。由于装置的有限电导率，在电流流 过装置的过程中会出现发热现象，装置的温度将会显著上升，从而也将改变材料的导电率。这种作用过程是 双向耦合的过程；即电流平衡影响到热平衡，而热平衡又反过来影响到电流平衡。 模型的过程包含以下两个基本过程： • 绘制装置的结构图 • 定义物理环境，设置材料属性和边界条件 • 绘制网格 • 选择一个合适的求解器并开始求解过程 • 后处理结果 COMSOL Multiphysics 包含一个非常易用的CAD工具，在该模型中将会得到介绍。你可能更习惯于采用其 它的CAD工具来绘制几何图形，然后将其导入到COMSOL Multiphysics中; 如果是采用这种方式，则可以 跳过下面的几何结构绘制过程介绍，而通过导入一个CAD文件到COMSOL Multiphysics 中来作为分析模 型，在安装目录下有为该模型准备的分析CAD几何模型文件。 简介 图 2-1 显示了装置的几何结构， 该结构实际上是IC卡的支撑结构的一部分，并被焊接到一个印刷电路板 上。结构由两条腿焊接到pc电路板上，上部通过一个很薄的导电薄膜连接到IC上。 两个导体部分(腿结构)是由铜制成，焊点由 60% 锑 和 40%铅组成的合金制成. 模型假定导体部分必须将1A的电流通过焊点流入到IC电路板中，计算在这个过程中温度的变化情况。 mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，2/31(W) 图 2-1: 装置的几何结构 模型定义 电流平衡条件由下列方程式来描述 其中 σmetal 表示电导率(S/m), V 表示电势(V). 电导率是温度相关函数，用下列表达式来描述： 其中 ρ0 表示在参考温度T0 (K)下的参考电阻 (Ω·m), a 表示温度因变量的比例系数 (K-1)。 热量平衡方程包含了导电体损失的电能转化来的热能： 其中，热源由以下表达式来表达： 在这个表达式里面， kT表示热导率(W/m·K) Qelectric 表示热源(W/m3)。 电流平衡模式下的边界条件分为三种类型： • 在焊点处，连接点将导体部分和电路板部分连接在一起，给定电势值为： • 装置上表面的氧化薄膜层的边界条件设置为给定电流密度，其为薄膜中的电势差的函数 mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，3/31(W) 其中 n 表示指向外的法向矢量，κ 等于薄膜的电导率(S/m2) ， Vg 表示大地电势(0 V). • 所有其它别的边界都设置成电绝缘边界条件，用以下等式来描述： 薄膜表面以及焊点连接处的热量平衡边界条件都设置为绝缘，如下方程式描述： 可以将所有其它表面视为和周围空气接触，并被表面和环境之间的热对流所冷却，使用下述方程进行描述： 其中 h 表示热交换系数 W/m2·K). COMSOL Multiphysics 材料库中具有铜和Sn-Pb焊锡合金的相关材料属性参数。 结果讨论 图 2-2 显示在薄膜的外表面和焊点之间有1mV的电势差时整个结构中的电势分布情况。正如预期，热损耗 将主要集中在狭窄的两条腿中。 图 2-2: 装置表面的电势分布情况 (V) 图 2-3 显示了在总电流载荷大约为1.1A的情况下装置中的温度分布情况，环境温度设定为343 K。 mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，4/31(W) 图 2-3: 装置中的温度分布(K)。 图 2-4: 在电流为1.1A时的温度分布图 可以发现，由于铜和焊锡合金的高热导率系数，装置中的温度场分布几乎是一致的。但是，装置的温度要比 环境温度大约高13K。 温度随装置中的电势差成指数增长。图 2-5 显示温度是装置中的电势的函数。在总电势为0.4mV情况下， 装置中的电流为1.1A。图 2-6 比较了两种情况。 mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，5/31(W) 图 2-5: 装置中温度和电势差之间的关系曲线 图 2-6: 装置中总电流密度随电势差的变化趋势 在 COMSOL Multiphysics中建模 下述建模过程使用了预先建立好的模型接口（在COMSOL Multiphysics中称为应用模式），即电流和热量 平衡相互作用的多物理场模式。另外，在本模型中也包含可选的采用装置中的电势差作为参数变量，选择参 数求解器进行求解。 该模型在COMSOL Multiphysics模型库中可以找到现成的MPH文件。可以从模型导航视窗下的模型库标签 中打开所有的模型实例文件。下列路径提供了该模型实例所在的文件路径： mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，6/31(W) 模型库路径: COMSOL_Multiphysics/Multiphysics/electronic_conductor 使用图形用户界面建模 建模过程由七个主要步骤组成： 1 选择一个恰当的应用模式，即从应用模式列表中选择一个可以用来描述这种类型问题的模式。在该实例 中，所需的应用模式—可以在模型导航视窗中选定—可以模拟一个电流平衡和由导体的欧姆热引起的热 平衡之间的耦合关系。 2 定义常数以及其它的模型模拟所需的数据。在该步骤中，也可以输入其它的一些设置，这些设置和建模 环境紧密相关，例如，绘图区域的尺寸以及网格。 主要在选项菜单下来设置这些参数。 3 使用绘图菜单来绘制几何模型。 4 设定属性以及发生在模型中的各种物理现象（使用求解域设定对话框）以及装置如何和其周围环境进行 交互作用（使用边界设定对话框）。这两个对话框都在物理量菜单下。 5 建立网格，在网格菜单下控制网格的尺寸和质量。 6 在求解器参数对话框中配置求解参数，可以在求解菜单下打开该对话框。在该实例中，选择静态求解 器。 7 评估仿真结果。在后处理菜单中给出了大量的评估方式。 除了上述步骤之外，也可以查看关于参数求解器的指南。 现在可以开始建模过程了。 模型导航视窗 1 双击桌面的COMSOL Multiphysics图标打开模型导航视窗。 2 进入新建页面，在空间维度列表中选择3D。 3 双击COMSOL Multiphysics 打开目录。 4 双击电热交互耦合目录。 5 在应用模式列表中，选择 COMSOL Multiphysics> 电热交互耦合>焦耳热 (见下图). mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，7/31(W) 6 单击设置标签。在单位系统列表中，确定ＳＩ被选中。 7 单击确定。 选项设置 现在开始定义一些常数作为输入数据。 1 从选项菜单下，选择常数。 2 在打开的常数对话框中定义参考温度。在名称列下输入 Tr;在表达式列中输入 273.15[K], 其中 [K]定义了单位，在该模型中定义为开尔文温度；在描述列中，输入Reference temperature. 名称列定义了常数的名称，在模型的其它位置你可以使用名称来调用该常数；表达式列计算常数值；描 述包含为该常数设置的解释。所有的常数都可以是其它常数的函数，因此表达式列并不总是数值列。数 值列中的数据按照给定的基础单位系统来定义单位。例如，如果定义参考温度使用摄氏温度0[degC] 或者华氏温度 32[degF]，则在数值列中将会显示 273.15[K],因为在SI系统中的温度基本单 位是开尔文。 3 进入第二行。在名称列中输入 Td;在表达式列中输入 Tr+70[K]; 在描述列中输入 Device temperature. 4 继续输入下列常数： - 名称 dv; 表达式 0.1[mV]; 描述 Voltage, soldering. - 名称 Vg; 表达式 0[V]; 描述 Voltage, film. - 名称 kf; 表达式 1e10[S/m^2]; 描述 Film conductance. 5 常数设置完成后，将会如下图所示： mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
    w 页码，8/31(W) 6 单击确定。 几何模型 现在在2D工作平面内建立模型的几何投影图，然后拉伸旋转该2D图为3D对象。如果你想直接载入几何图 形，并直接从物理设置开始，可以跳过该步骤并开始59页的“物理设定”. 使用快速页面定义一个工作平面 1 从绘图菜单下，选择工作平面设定。 2 进入快速页面，然后选择y-z选项框。 3 单击应用按钮查看坐标系统，在平面中使用。 4 单击确定。 为了绘制几何图形，必须设置绘图区域的尺寸。返回选项菜单设置该选项。 设置轴线和格点线 1 从选项菜单下，选择轴/格点设定。 2 根据下图设置x和y轴的最大最小值。为了输入这些数据，单击编辑框并输入相对应的数值。 3 单击格点标签，然后清除掉自动选项。 4 根据下图设置 x 间格, y 间格, 特别 x, 特别 y。 mk:@MSITStore:F:\COMSOL_LibDoc_Multiphysics.CHM::/quickguide.5.5.html 2011/5/18
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