Heat Transfer Module

Nuova App: Heat Sink with Fins

Questa nuova app comprende la geometria parametrizzata di un dissipatore di calore e considera lo scambio termico coniugato, dove il flusso è modellato utilizzando il modello algebrico di turbolenza yPlus. Il modello può simulare diverse larghezze del dissipatore di calore e varie dimensioni delle alette a velocità arbitrarie dell'aria raffreddamento. Si può anche modificare il numero delle alette.

I risultati sono la potenza dissipata e la caduta di pressione media sulla lunghezza del sistema. Più alette vengono aggiunte, più alta è la potenza dissipata, ma la caduta di pressione sul dissipatore di calore aumenta di conseguenza.

Interfaccia dell'applicazione con il profilo di velocità ottenuto dalle impostazioni dell'utente. Interfaccia dell'applicazione con il profilo di velocità ottenuto dalle impostazioni dell'utente.

Interfaccia dell'applicazione con il profilo di velocità ottenuto dalle impostazioni dell'utente.

Nuova App: Concentric Tube Heat Exchanger Dimensioning Tool

In questa nuova app di simulazione, uno scambiatore di calore costituito da due tubi concentrici contiene due domini fluidi a temperature diverse. L'interfaccia multifisica Non-Isothermal Flow viene utilizzata per modellare il trasferimento di calore nello scambiatore. Questa applicazione calcola le quantità che caratterizzano lo scambiatore di calore, ad esempio la potenza scambiata, la caduta di pressione e l'efficacia. La struttura del tubo, le proprietà del fluido e condizioni al contorno sono tutti elementi personalizzabili.

Definizione delle proprietà dei tubi nella app Concentric Tube Heat Exchanger. Definizione delle proprietà dei tubi nella app Concentric Tube Heat Exchanger.

Definizione delle proprietà dei tubi nella app Concentric Tube Heat Exchanger.

Modelli di turbolenza algebrici

I modelli algebrici di turbolenza yPlus e L-VEL sono ora disponibili nello Heat Transfer Module. Questi modelli di viscosità sono adatti per flussi interni, ad esempio nelle applicazioni di raffreddamento di dispositivi elettronici. I modelli algebrici di turbolenza sono meno dispendiosi dal punto di vista computazionale e anche più robusti ma, in generale, sono meno precisi dei modelli di trasporto come il modello k−ε. Questi modelli di turbolenza sono disponibili nell'interfaccia Single-Phase Flow e nelle interfacce multifisiche Non-Isothermal Flow e Conjugate Heat Transfer.

Streamline calcolate utilizzando il modello algebrico di turbolenza yPlus in un gruppo di alimentazione (PSU). Streamline calcolate utilizzando il modello algebrico di turbolenza yPlus in un gruppo di alimentazione (PSU).

Streamline calcolate utilizzando il modello algebrico di turbolenza yPlus in un gruppo di alimentazione (PSU).

Interfaccia multifisica Local Thermal Non-Equilibrium

L'interfaccia multifisica Local Thermal Non-Equilibrium (LTNE) consente di simulare il trasferimento di calore nei mezzi porosi su macro scala, dove le temperature nella matrice porosa e nel fluido non sono in equilibrio. Si differenzia dai modelli più semplici su macro-scala per il trasferimento di calore nei mezzi porosi dove sono trascurate le differenze di temperatura tra le fasi solida e liquida. Le applicazioni tipiche possono includere il rapido riscaldamento o raffreddamento di un mezzo poroso con un liquido caldo o la generazione interna di calore in una delle fasi (a causa di riscaldamento induttivo o a microonde, di reazioni esotermiche, ecc.). Questo fenomeno è osservabile, ad esempio, negli impianti nucleari, in dispositivi elettronici o nelle celle a combustibile.

Flusso in mezzi porosi e flusso turbolento in mezzi liberi accoppiati

Le interfacce Single-Phase Flow possono ora modellare flussi liberi turbolenti accoppiati a flussi in mezzi porosi. Si può aggiungere questa funzionalità attivando un nodo di dominio Fluid and Matrix Properties con i modelli di turbolenza Algebraic yPlus o L-VEL. Questi modelli di turbolenza sono disponibili unicamente all'interno dei moduli CFD e Heat Transfer ma posoono essere comunque accoppiati con interfacce Porous media flow presenti in altri moduli.

Si può partire da un'interfaccia porous media flow e aggiungere un dominio free-flow oppure partire con un'interfaccia free-flow interface ed aggiungere un dominio poroso. La checkbox Enable porous media domains aggiunge la funzionalità Fluid and Matrix Properties. Le equazioni di Brinkman sono risolte all'interno dei domini porosi e le equazioni Reynolds-averaged Navier-Stokes sono risolte per i flussi liberi.

Infine, le capacità di modellazione sono state estese dal fatto che il termine di Forchheimer può essere aggiunto alle equazioni del flusso in mezzi porosi. Questo permette la descrizione di velocità interstiziali elevate (cioè alte velocità nei pori).

Questa figura mostra un filtro poroso, il più lontano da voi, supportato da una piastra forata solida. Un flusso viene pompato attraverso il filtro, dove l'effetto del filtro poroso e dei fori nella piastra di supporto sul flusso turbolento vengono presi automaticamente in considerazione nell'interfaccia. Questa figura mostra un filtro poroso, il più lontano da voi, supportato da una piastra forata solida. Un flusso viene pompato attraverso il filtro, dove l'effetto del filtro poroso e dei fori nella piastra di supporto sul flusso turbolento vengono presi automaticamente in considerazione nell'interfaccia.

Questa figura mostra un filtro poroso, il più lontano da voi, supportato da una piastra forata solida. Un flusso viene pompato attraverso il filtro, dove l'effetto del filtro poroso e dei fori nella piastra di supporto sul flusso turbolento vengono presi automaticamente in considerazione nell'interfaccia.

Accoppiamento di flusso non isotermo in domini porosi

La funzione Fluid and Matrix Properties è stata introdotta nell'interfaccia FluSingle Phase Flow nei seguenti moduli di COMSOL Multiphysics 5.1: Batteries & Fuel Cells, CFD, Chemical Reaction Engineering, Corrosion, Electrochemistry, Electrodeposition, Microfluidics e Subsurface Flow.

Parallelamente, è stato aggiornato il nodo dell'accoppiamento multifisico Non-Isothermal Flow (Heat Transfer Module e CFD Module). Ora si possono simulare fenomeni multifisici che richiedono l'accoppiamento all'interfaccia Heat Transfer in Porous Media e alla funzione Fluid and Matrix Properties features. Questa funzionalità può essere utilizzata per modellare il flusso non isotermo in mezzi porosi, ad esempio la convezione naturale dovuta a una distribuzione di temperatura variabile attraverso la matrice di un mezzo poroso. La dissipazione viscosa e il lavoro delle forze di pressione possono inoltre essere risolti anche nei domini di mezzi porosi.

Inoltre, è possibile utilizzare il nodo dell'accoppiamento multifisico Non-Isothermal Flow per simulare il flusso turbolento non isotermo, utilizzando un modello algebrico di turbolenza nei domini liberi e l'accoppiamento al flusso in mezzi porosi sull'interfaccia.

Potenza depositata dal fascio

La nuova funzionalità Deposited Beam Power è disponibile in 3D e viene utilizzata per modellare fasci laser confinati, di elettroni o ioni che depositano la potenza in uno spot localizzato. L'interfaccia utente offre diverse opzioni per definire le proprietà del fascio e il tipo di profilo: gaussiano o disco "top-hat". Permette anche di definire il punto di origine del fascio, il vettore direzionale, lo spessore e la potenza depositata. Da questi dati, la funzione Potenza depositata dal fascio determina il punto di intersezione con le superfici selezionate e applica una sorgente di calore localizzata secondo la funzione di distribuzione selezionata.

Effetto Marangoni

Una nuova funzionalità multifisica di boundary accoppia le interfacce single-phase flow e heat transfer per modellare l'effetto Marangoni indotto da una tensione superficiale dipendente dalla temperatura. La convezione di Marangoni (o termo-capillare) si verifica quando la tensione superficiale di un'interfaccia (generalmente liquido-aria) dipende dalla temperatura. Ciò è importante nei campi della saldatura, crescita di cristalli e nella fusione di metalli mediante fascio laser o di elettroni.

Le superfici isoterme, la direzione del flusso sulla superficie (frecce) e le streamline nel fluido indotte dall'effetto Marangoni in un metallo liquido riscaldato con un fascio laser. Le superfici isoterme, la direzione del flusso sulla superficie (frecce) e le streamline nel fluido indotte dall'effetto Marangoni in un metallo liquido riscaldato con un fascio laser.

Le superfici isoterme, la direzione del flusso sulla superficie (frecce) e le streamline nel fluido indotte dall'effetto Marangoni in un metallo liquido riscaldato con un fascio laser.

Impostazioni di mesh predefinite ottimizzate per le interfacce Heat Transfer

Le impostazioni di mesh predefinite in tutte le interfacce di trasferimento di calore utilizzano condizioni periodiche e condizioni di coppia. Quando si abilitano queste funzioni, la mesh predefinita utilizza una mesh identica sui contorni dell'origine e della destinazione per minimizzare l'errore numerico indotto dall'estrapolazione, che si verifica quando le mesh sui due lati non coincidono. Inoltre, la mesh automatica basata sulla fisica automatizza la creazione di mesh adatte per gli elementi infiniti. La nuova mesh di default applica automaticamente una mesh estrusa (3D) o mappata (2D) ai domini con elementi infiniti.

Mesh predefinita ottenuta per i domini degli elementi infiniti (elementi grigi) che circondano un dominio interno con mesh arbitraria (elementi colorati). Mesh predefinita ottenuta per i domini degli elementi infiniti (elementi grigi) che circondano un dominio interno con mesh arbitraria (elementi colorati).

Mesh predefinita ottenuta per i domini degli elementi infiniti (elementi grigi) che circondano un dominio interno con mesh arbitraria (elementi colorati).

Ulteriori correlazioni per i coefficienti di scambio termico

La libreria dei coefficienti di scambio termico contiene due nuove correlazioni convettive corrispondenti al flusso esterno indotto dalla convezione naturale, attorno a una sfera o un lungo cilindro orizzontale. Questi coefficienti possono essere utilizzati per ridurre il costo della simulazione quando la configurazione del modello corrisponde a una di queste situazioni. In questi casi, il calcolo del flusso e la convezione di calore nel fluido vengono sostituiti da una condizione al contorno di flusso termico sui contorni solidi.

Funzioni predefinite per Intensità del corpo nero e Potenza emessa dal corpo nero

Le interfacce di trasferimento di calore forniscono due nuove funzioni, ht.fIb(T) e ht.feb(T), per valutare, rispettivamente l'intensità del corpo nero e la potenza emessa dal corpo nero. Per entrambe le funzioni, viene tenuto in considerazione l'indice di rifrazione dei mezzi. Dato che queste quantità sono definite come funzioni della temperatura di un corpo nero, è possibile valutarle per temperature arbitrarie. Ad esempio, ht.feb(5770[K]) restituisce la potenza emessa a 5770 K, un valore di temperatura utilizzato per modellare il sole come un corpo nero.

Migliorato il supporto della funzionalità Thin Layer

La funzionalità superficiale Thin Layer viene utilizzata per modellare strutture piccole (in particolare, sottili) che hanno un effetto significativo sui risultati complessivi del modello. Nonostante le piccole dimensioni degli strati, la temperatura può variare notevolmente a seconda del loro spessore. Questa funzionalità è stata aggiornata per prendere in considerazione altri fenomeni oltre alla conduzione, ad esempio condizioni al contorno superficie-superficie, domini isotermi o funzioni di parete.

Calcoli di Bioheat 5 volte più veloci

Per il riscaldamento di tessuti biologici, un nuovo metodo di risoluzione può rendere la simulazione 5 volte più veloce. Questo miglioramento di performance può essere usato per analisi di danneggiamento integrale quando l'opzione Temperature of threshold e la temperatura di necrosi è raggiunta per ipotermia o ipertermia. Inoltre, è stato migliorato il metodo con cui si individua una temperatura superiore a quella di necrosi.

Nuova fattorizzazione delle equazioni nella sezione corrispondente

Le equazioni visualizzate nella sezione "Equation" di tutte le funzionalità sono state migliorate per una migliore leggibilità e coerenza.

Esempio di un'equazione aggiornata per la funzionalità di  Heat Transfer in Fluids. Esempio di un'equazione aggiornata per la funzionalità di Heat Transfer in Fluids.

Esempio di un'equazione aggiornata per la funzionalità di Heat Transfer in Fluids.

Nuovo tutorial: Modeling a Conical Dielectric Probe for Skin Cancer Diagnosis

La risposta di un'onda millimetrica con frequenze di 35 e 95 GHz è nota per la sua sensibilità al contenuto d'acqua. Il modello in questa applicazione utilizza un'onda millimetrica in banda Ka a bassa potenza di 35 GHz e la sua riflettività all'umidità per la diagnosi non invasiva dei tumori.

Poiché i tumori della pelle hanno un contenuto di umidità superiore alla pelle sana, ciò porta a maggiori riflessioni in questa banda di frequenza. Quindi, la sonda rileva le anomalie in termini di parametri S presso le sedi tumorali. Una guida d'onda circolare al modo dominante e una sonda conica dielettrica sono analizzate rapidamente insieme alle caratteristiche di radiazione della sonda utilizzando un modello 2D assialsimmetrico. Vengono inoltre eseguite analisi di variazione di temperatura della pelle e della frazione di tessuto necrotico.

La simulazione mostra che la variazione di temperatura indotta dalla radiazione della sonda è inferiore a 0,06 K anche dopo 10 minuti di esposizione. La simulazione mostra che la variazione di temperatura indotta dalla radiazione della sonda è inferiore a 0,06 K anche dopo 10 minuti di esposizione.

La simulazione mostra che la variazione di temperatura indotta dalla radiazione della sonda è inferiore a 0,06 K anche dopo 10 minuti di esposizione.

Nuovo tutorial: Evaporation in Porous Media with a Small Evaporation Rate

L'evaporazione in mezzi porosi è un aspetto importante in molti settori, soprattutto quello alimentari e di lavorazione della carta. Devono essere considerati molti effetti fisici: flusso fluido, trasferimento di calore e trasporto dei fluidi partecipanti. Questo modello descrive il flusso d'aria laminare attraverso un mezzo poroso umido. L'aria è asciutta in ingresso e il suo contenuto di umidità aumenta via via che l'aria scorre attraverso il mezzo poroso. Il tasso di evaporazione è abbastanza ridotto da poter trascurare i cambiamenti indotti alle proprietà nel mezzo poroso.

Tutorial aggiornato: Vacuum Flask

Questa app calcola la quantità di calore dissipata nel tempo da un termos che contiene un liquido caldo. Include la recente funzionalità Isothermal Domain per monitorare la temperatura.

La diminuzione di temperatura del caffè (a sinistra) e il profilo di temperatura finale (a destra) nel termos dopo 10 ore. La diminuzione di temperatura del caffè (a sinistra) e il profilo di temperatura finale (a destra) nel termos dopo 10 ore.

La diminuzione di temperatura del caffè (a sinistra) e il profilo di temperatura finale (a destra) nel termos dopo 10 ore.

Tutorial aggiornato: Electronic Enclosure Cooling

Questa applicazione utilizza il nuovo modello di turbolenza algebric yPlus per modellare il flusso. È quindi possibile modellare il flusso nel dispositivo più rapidamente, perché le impostazioni di mesh e del solutore sono state semplificate risultando anche in una semplificazione del set up del modello. L'applicazione risolve 1,1 MDOF e richiede circa 6 GB di memoria.

Il profilo di temperatura in un gruppo di alimentazione (PSU) raffreddato con flusso turbolento, utilizzando il nuovo modello algebrico di turbolenza yPlus. Il profilo di temperatura in un gruppo di alimentazione (PSU) raffreddato con flusso turbolento, utilizzando il nuovo modello algebrico di turbolenza yPlus.

Il profilo di temperatura in un gruppo di alimentazione (PSU) raffreddato con flusso turbolento, utilizzando il nuovo modello algebrico di turbolenza yPlus.

Nuovo tutorial: View Factor Computation

Questo benchmark dimostra come calcolare i fattori di vista geometrici di due sfere concentriche che si irradiano reciprocamente. Esso confronta i risultati della simulazione ai valori analitici esatti.

La configurazione geometrica di benchmark di un'applicazione che calcola i fattori di vista geometrici di due sfere concentriche che si irradiano reciprocamente. La configurazione geometrica di benchmark di un'applicazione che calcola i fattori di vista geometrici di due sfere concentriche che si irradiano reciprocamente.

La configurazione geometrica di benchmark di un'applicazione che calcola i fattori di vista geometrici di due sfere concentriche che si irradiano reciprocamente.