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在 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中创建等温 MEMS 换热器此模型基于《 COMSOL 软件许可协议》 5.3 版本授权。所有商标均为其各自所有者的财产。请参见 cn.comsol.com/trademarks。微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

简介以下示例使用 “传热”接口构建并求解热传导和对流传热问题。本例研究不锈钢 MEMS 换热器，这种换热器常用于生物技术和微反应器（例如微型燃料电池）的实验室芯片装置。本 App 研究三维换热器模型，涉及通过对流和传导方式进行的传热。模型定义图 1 显示换热器的几何结构。只需对单个单元进行建模，因为除了外围单元有边缘效应，其他单元几乎完全相同。冷流体热流体图 1：换热器建模部分的描述（左图）。模型的控制方程是有关热传导和对流传热的热方程 Cpu  T  +  k T–  Q= 其中， Cp 表示比热容（SI 单位：J/(kg·K)）， T 是温度（SI 单位：K）， k 是热导率（SI 单位：W/(m·K)），  是密度（SI 单位：kg/m3）， u 是速度矢量（SI 单位： m/s）， Q 是汇项或源项（设为零，因为器件中没有产生或消耗热量）。在换热器的固体部分，速度矢量 uuvw 在所有方向都设为零。在通道中，将速度场定义为近似充分发展层流在圆形横截面的解析式。对于热流体和冷流体，将 x 和 z 方向上的速度分量都设为零。对于热流体，表达式 2 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

v =  vmax 1 –   2 r  ---   R 计算的是速度的 y 分量，其中 • vmax 是最大速度（SI 单位：m/s），出现在通道中间位置 • r 是与通道中心的距离（SI 单位：m） • R 是通道半径（SI 单位：m）对于冷流体，也采用相同的表达式计算速度，但方向相反 v –=  vmax 1 –   2 r  ---   R 可以对这一方法进行扩展，不使用解析式计算速度场，而是使用 “层流”接口来模拟通道中的流体。这里，密度定义为  =  m 1 – T Tm–  ----------------  Tm 其中， m 是平均密度（SI 单位：kg/m3）， TmTcoldThot2 是平均流体温度。流体通道除了入口和出口边界，其他所有外表面边界都是热绝缘的。在入口处，分别对冷流体和热流体指定恒定温度 Tcold 和 Thot。在出口处，对流是主要的传递热通量的方式，因此应用对流通量边界条件： k T n– 0= 结果与讨论图 2 显示装置中的温度等值面和传导热通量的热通量流线，温度等值面清楚地表明对流项在通道中产生的影响。图 3 显示扩展模型的相应结果（参见非等温 MEMS 换热 3 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

器，了解模型描述及结果）。如图所示，温度分布与第一个研究中的温度分布非常相似，因此可以得出结论，本文方法与扩展模型的解近似。图 2：单元几何中的等温线和传导热通量流线。 4 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

图 3：扩展应用的结果；单元几何中的等温线和传导热通量流线。案例库路径：Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/heat_exchanger_iso 建模操作说明从文件菜单中选择新建。新建在新建窗口中，单击模型向导。模型向导 1 在模型向导窗口中，单击三维。 2 在选择物理场树中选择传热 > 固体传热 (ht)。 3 单击添加。 4 单击研究。 5 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

描述通道半径最大速度温度，热流道温度，冷流道 5 在选择研究树中选择预设研究 > 稳态。 6 单击完成。全局定义参数 1 在主屏幕工具栏中单击参数。 2 在 “参数”的设置窗口中，定位到参数栏。 3 在表中输入以下设置：名称 R v_max T_hot T_cold 表达式 50[um] 5[mm/s] 330[K] 300[K] 值 5E-5 m 0.005 m/s 330 K 300 K 几何 1 1 在模型开发器窗口的组件 1 (comp1) 节点下，单击几何 1。 2 在 “几何”的设置窗口中，定位到单位栏。 3 从长度单位列表中选择 µm。工作平面 1 (wp1) 1 在几何工具栏中单击工作平面。 2 在 “工作平面”的设置窗口中，定位到平面定义栏。 3 从平面列表中选择 zx- 平面。 4 单击显示工作平面。矩形 1 (r1) 1 在工作平面工具栏中单击体素，然后选择矩形。 2 在 “矩形”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。 3 在宽度文本框中键入 “300”。 4 在高度文本框中键入 “100”。 5 单击构建选定对象。 6 在图形工具栏中单击缩放到窗口大小按钮。圆 1 (c1) 1 在工作平面工具栏中单击体素，然后选择圆。 6 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

2 在 “圆”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。 3 在半径文本框中键入 “R”。 4 在扇形角文本框中键入 “180”。 5 定位到位置栏。在 xw 文本框中键入 “100”。 6 单击构建选定对象。圆 2 (c2) 1 在工作平面工具栏中单击体素，然后选择圆。 2 在 “圆”的设置窗口中，定位到尺寸与形状栏。 3 在半径文本框中键入 “R”。 4 在扇形角文本框中键入 “180”。 5 定位到位置栏。在 xw 文本框中键入 “200”。 6 在 yw 文本框中键入 “100”。 7 定位到旋转角栏。在旋转文本框中键入 “180”。 8 单击构建选定对象。工作平面 1 (wp1) 在模型开发器窗口的组件 1 (comp1)> 几何 1 节点下，单击工作平面 1 (wp1)。拉伸 1 (ext1) 1 在几何工具栏中单击拉伸。 2 在 “拉伸”的设置窗口中，定位到距离栏。 3 在表中输入以下设置：距离 (µm) 400 4 单击构建选定对象。 5 在图形工具栏中单击缩放到窗口大小按钮。忽略边 1 (ige1) 1 在几何工具栏中单击虚拟操作，然后选择忽略边。 2 在对象 fin 中，选择 “边” 8 和 33。 7 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

3 在几何工具栏中单击全部构建。定义几个选择，以便在模型建立期间使用。定义显式 1 1 在定义工具栏中单击显式。 2 在 “显式”的设置窗口中，在标签文本框中键入 “固体”。 3 选择 “域” 1。显式 2 1 在定义工具栏中单击显式。 2 在 “显式”的设置窗口中，在标签文本框中键入 “通道”。 3 选择 “域” 2 和 3。显式 3 1 在定义工具栏中单击显式。 2 在 “显式”的设置窗口中，在标签文本框中键入 “热流道”。 3 选择 “域” 2。显式 4 1 在定义工具栏中单击显式。 8 | 等温 M E M S 换热器微信关注“技能Tools” 装备更多技能包获取更多科研工具

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