Comsol软件传热模块介绍.pdf-资料库

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传热模块简介

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目录简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 传热模块中的基本概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 App 案例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 传热模块物理场接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 物理场接口适用的空间维度和研究类型 . . . . . . . . . . . . . 18 教学案例 — 散热片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 模型定义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 添加表面对表面辐射影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 | 3

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简介传热模块能够让产品设计师、开发工程师以及科学家使用复杂几何模型，研究加热和冷却对设备和加工过程的影响。本模块能够模拟所有的传热机制，包括传导、对流和辐射。传热模拟可以建立在一维，一维轴对称，二维，二维轴对称以及三维坐标系下，进行稳态和瞬态求解。仿真可以提供高精度细节分析，能够帮助用户在设备和热处理过程中优化设计和操作条件。图 1：铝制散热片和冷却空气中的温度场和流场。通过详细的几何和物理描述，求解得到温度场和流场分布。 App 库中包括了教学模型，以及工业器件和设备对应的标准应用，用于验证和分析。本简介可以进一步提高用户使用 COMSOL 进行传热模拟的技能。教学案例模拟了一个电子设备冷却的共轭传热问题，而且该原理可以应用于任何涉及有关固体和流体传热的研究领域。 | 5

传热模块中的基本概念热是一种类似于功的能量，它可以在系统内部转移，或者从一个系统转移到另一个系统。通常情况下，这种能量可能是以动能或者势能的形式储存在体系的原子和分子中。热传导是一种传热形式，其数值通常与体系中的温度梯度成正比，通过傅里叶定律建立数学方程。传热模块描述体系中的热传导方程，其中的热导率，既可以是常数，也有可能是与温度相关或者是与其他模型中的因变量相关的函数，例如化学成分。辐射传导和对流传导图 2：描述在一个固体周围包含流体的传热过程( 共轭传热)。流体中，传热包含热传导和对流两种方式，而固体中热传导是主要的传热机制。辐射传热可以在表面与表面之间或者表面与环境之间进行。对于一个流动的流体，流体流动过程必然会影响到其中的能量传递过程。这个过程涉及到热量的对流传递，而且必须考虑是强制对流还是自然对流。本模块包括了流体中传热和共轭传热 ( 在相同体系下的固体和流体中传热 ) 的描述、层流和湍流的描述。在湍流情况下，本模块提供了两个代数湍流模型：代数 y+ 和 L-VEL 模型，以及高雷诺数的标准 k- 模型和低雷诺数的 k- 模型用于精确地描述共轭传热。重力特征可定义由密度差（尤其是由密度的温度依赖性）产生的浮力。 6 |

热辐射是第三种传热机制。可用于表面对环境辐射，表面对表面辐射，也可以用于外部热源（例如，太阳）。表面对表面辐射能力基于辐射方法，也可以耦合传热模块和粒子追踪模块来模拟混合的镜面 - 漫反射。除此之外，传热模块还包括介质中辐射的功能，这种辐射模型可以描述在两个辐射表面之间存在流体时，对热辐射的吸收、发射和散射。本模块提供三种方式仿真介质：离散坐标法 (DOM)， P1 法和罗瑟兰近似。传热模块的理论基础是体系中的能量守恒定律。对于能量守恒的贡献一般包括传导、对流和辐射，也可能包括潜热、焦耳热、热源和热沉。对于一个移动的固体，我们也可以在传热模型中添加平移选项，比如旋转机械。使用传热模块，还可以模拟固体变形对于热物理性能的影响。可以使用含有任意模型中的变量 ( 比如温度和电场 ) 表达式来描述物理性能和热源 ( 或热沉 )。当使用传热和流体流动的专用物理场接口时，一般就已经自动定义了传热方程。为了验证，用户还可以查看这些方程的数学公式。可以从 COMSOL 的关于固体和液体的内置材料库或者附加材料库中获得诸如热导率、热容、密度和发射率等物理性能。此外，传热模块还包含了换热系数的计算，以及表面上的不同对流传热类型的计算公式。对于湍流传热，本模块还可以使用湍流模型中的涡流扩散来计算湍流中的热导率 ( 有时被称为湍流热导率 )。模块中的建模流程非常简单直接，可以按照如下步骤进行：构建几何，选择相关材料属性，选择传热类型，定义边界条件和初始值，剖分网格，选择求解器进行计算，最后结果可视化。所有这些步骤都可以在 COMSOL Desktop 上找到，其中网格和求解器常常会自动包含适用于不同传热接口的默认设置。 | 7

App 案例无论是作为附属现象还是预期的现象，在很多物理过程和现象中，都会出现热量的产生和传递。传热模块能够被有效地用于研究各种过程（比如，建筑通风效果）；用于解释湍流自然对流和传热；以及用于研究相变的影响。传热模块的 App 库有很多来自不同工程应用的教学和标准模型，通过查看教学案例 — 散热片了解如何访问 App。 App 库中的 Applications 分支中包含基于使用专用接口运行的现成模型开发的 App。这些设计好的 App 可以解决某一类问题，并呈现一个简化的图形用户界面，可以方便的使用，甚至可供 COMSOL Multiphysics 软件使用。图 3：翅片管道 App 的快照。该App 计算了翅片管道的特性，诸如压力降，管道中的温度降等。可以通过图形用户界面设计翅片管道，流体属性和操作条件等参数。 App 库中的 Building and Constructions 分支，包括了与建筑中节能和耗能相关的案例模型。其中大多数案例使用对流热通量来描述结构与周围环境之间的热量交换。模拟结果准确描述了热量和能量通量，可以使我们能够更好地进行建筑能源的管理。 8 |

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