Heat Transfer Module

Analizzare gli effetti termici con un software di simulazione avanzato

È possibile analizzare il trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento con l'Heat Transfer Module, un prodotto aggiuntivo della piattaforma di simulazione COMSOL Multiphysics®. L'Heat Transfer Module include set completo di funzionalità per lo studio di progetti termici e degli effetti dei carichi di calore. È possibile modellare i campi di temperatura e i flussi di calore in componenti, involucri ed edifici. Esaminate virtualmente il comportamento reale di un sistema o di un progetto: grazie alle funzionalità di modellazione multifisica incluse nel software, potrete associare in modo semplice diversi effetti fisici nella stessa simulazione.

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Modello di una lampadina a LED che mostra il flusso del fluido attorno al bulbo e la temperatura e il flusso del fluido all'interno del bulbo.

Modalità di trasferimento del calore

Tutte le funzionalità dell'Heat Transfer Module sono basate sulle tre modalità di trasferimento del calore: conduzione, convezione e irraggiamento. La conduzione in qualsiasi materiale può mostrare una conducibilità termica isotropa o anisotropa, e può essere costante o funzione della temperatura. La convezione, ovvero il movimento dei fluidi nelle simulazioni di trasferimento di calore, può essere forzata o libera (naturale). La radiazione termica può essere considerata come radiazione superficie-superficie o radiazione in mezzi semitrasparenti.

Ci sono molte variazioni all'interno dei tipi di trasferimento termico, e i diversi modi devono essere considerati contemporaneamente; in alcuni casi, tutti e tre insieme. Tutto questo richiede diverse equazioni che devono essere gestite simultaneamente per assicurare modelli accurati. L'Heat Transfer Module è sviluppato per modellare qualsiasi tipo di trasferimento di calore.

Cosa puoi modellare con l'Heat Transfer Module

Un approccio di modellazione multifisica per tutti i tipi di fonti di calore che si possono simulare.

Visualizzazione in dettaglio di un gruppo di busbar che mostra la distribuzione della temperatura.

Riscaldamento per effetto Joule

Modellare il riscaldamento Joule (noto anche come riscaldamento resistivo) in solidi, fluidi, shell e shell stratificati.

Visualizzazione in dettaglio della distribuzione della temperatura in una billetta di acciaio mentre passa attraverso tre bobine energizzate.

Riscaldamento a induzione1

Modellare i riscaldatori a induzione in linea e le applicazioni di lavorazione dei metalli.

Modello di una curva della guida d'onda, parzialmente trasparente per rivelare un diagramma di superficie rosso-bianco-blu che rappresenta l'onda che viaggia e un blocco dielettrico con temperatura mostrata in gradiente di colore rosso, giallo e bianco.

Riscaldamento a microonde2

Modellare il riscaldamento a microonde o RF, in guide d'onda, tessuti e altre bio-applicazioni.

Visualizzazione in dettaglio di mezzo cilindro di vetro che mostra l'intensità del raggio in un quarto e la distribuzione della temperatura nell'altro quarto.

Riscaldamento laser3

Modellare il riscaldamento e l'ablazione laser in vari processi produttivi e biomedici utilizzando la legge di Beer–Lambert.

Visualizzazione in dettaglio della pala di uno statore di una turbina; è mostrata la distribuzione della temperatura.

Stress termico4

Comprendere gli effetti della dilatazione termica e dello stress termico per una varietà di condizioni operative.

Visualizzazione in dettaglio dei flussi di corrente elettrica attraverso un interruttore a contatto e distribuzione della temperatura.

Contatto termico

Includere il coefficiente di conduttanza termica di contatto, che dipende dalla pressione di contatto dal modello di meccanica solida.

Visualizzazione in dettaglio di un dispositivo di raffreddamento termoelettrico che mostra la distribuzione della temperatura.

Effetti termoelettrici

Tenere conto degli effetti Peltier–Seebeck–Thomson, includendo materiali comuni, come il tellururo di bismuto e il tellururo di piombo.

Visualizzazione in dettaglio di uno scambiatore di calore a tubi alettati che mostra il flusso attraverso il tubo e la temperatura nelle alette.

Strati sottili

Analizzare le prestazioni termiche durante la progettazione di dispositivi elettronici e componenti di sistemi di alimentazione.

Visualizzazione in dettaglio del flusso e del trasferimento di calore attraverso una frattura in un doppietto geotermico.

Trasmissione del calore in mezzi porosi

Tenere conto della conduzione e della convezione in un mezzo poroso, così come della dispersione termica.

Visualizzazione in dettaglio di un serbatoio di accumulo che mostra il flusso e il trasferimento di calore attraverso il serbatoio.

Disequilibrio termico locale

Simulare il trasferimento di calore in mezzi porosi dove non si assume un equilibrio termico locale, come nel caso di un flusso rapido nei pori.

Visualizzazione in dettaglio dell'unità di alimentazione di un computer con una ventola e una griglia; si vede il flusso del fluido attraverso l'unità e il trasferimento di calore nei componenti.

Raffreddamento elettronico

Analizzare la capacità di raffreddamento con simulazioni efficienti e accurate, per evitare malfunzionamenti e progetti subottimali.

Visualizzazione in dettaglio di uno scambiatore di calore a flussi incrociati che mostra due strati di canali di flusso e la distribuzione della temperatura.

Scambiatori di calore

Analizzare i fluidi che trasportano energia su grandi distanze, mentre i solidi separano i fluidi per scambiare energia senza mescolarsi.

Visualizzazione in dettaglio di una sonda elettrica con linee di corrente elettrica e isosuperfici di temperatura del tessuto circostante.

Tecnologia medica e bioriscaldamento

Utilizzare l'equazione del bioriscaldamento per analizzare i processi nelle applicazioni mediche: ablazione dei tumori, sonde cutanee e necrosi dei tessuti.

Visualizzazione in dettaglio di un bicchiere di acqua calda che mostra la temperatura della tazza di vetro e le linee di flusso attraverso un canale di flusso che passa accanto alla tazza.

Raffreddamento per evaporazione

Modellare il trasporto di calore e umidità nell'aria per determinare la pressione di saturazione, tenere conto dell'evaporazione ed evitare la condensazione.

Modello di una parte della struttura dell'edificio con la distribuzione della temperatura mostrata nella tavola colori di una termocamera; il flusso di calore è mostrato sotto forma di frecce.

Gestione termica negli edifici

Analizzare le prestazioni termiche di telai in legno, infissi, materiali edili porosi e altre strutture edilizie.

Visualizzazione in dettaglio di due cilindri che dimostra il processo di liofilizzazione: le due fasi in un cilindro e il trasferimento di calore nell'altro.

Essiccazione per congelamento

Calcolare i bilanci di massa e di calore accoppiati per simulare un fluido che avanza e un'interfaccia solida attraverso un mezzo poroso.

Caratteristiche e funzionalità dell'Heat Transfer Module

L'Heat Transfer Module offre funzionalità specializzate per la modellazione degli effetti del trasferimento di calore e si integra perfettamente nella piattaforma COMSOL Multiphysics® per un flusso di lavoro coerente.

Finestra delle impostazioni per l'accoppiamento multifisico Nonisothermal Flow e i risultati della simulazione di un dissipatore di calore.

Trasferimento di calore coniugato e flusso non isotermo

L'Heat Transfer Module include funzioni per la modellazione del trasferimento di calore coniugato e degli effetti di flusso non isotermo. I flussi laminari e turbolenti sono entrambi supportati e possono essere modellati in convezione naturale e forzata. Per tenere conto della convezione naturale, è sufficiente selezionare la casella di controllo Gravity. Possono essere attivati anche il lavoro di volume e la dissipazione viscosa, per considerare l'infuenza della distribuzione di temperatura.

La turbolenza può essere simulata usando i modelli di Navier–Stokes (RANS), che includono modelli di turbolenza k-ε, low-Reynolds k-ε, yPlus algebrico e LVEL. I modelli di turbolenza k-ε realizzabile, k-ω, shear stress transport (SST), v2-f e Spalart–Allmaras sono disponibili in combinazione con il CFD Module. La temperatura di transizione all'interfaccia solido-fluido viene calcolata automaticamente usando continuità, leggi di parete, trattamento automatico di parete, dipendentemente dal modello di flusso.

Impostazioni della funzione dell'interfaccia Phase Change e finestra Graphics con l'applicazione dell'interfaccia Phase Change.

Cambio di fase

Per simulare i fenomeni di cambiamento di fase nelle analisi di trasferimento del calore, l'Heat Transfer Module fornisce due metodi. La funzione Phase Change Material implementa la formulazione della capacità termica apparente e descrive l'entalpia del cambio di fase così come le modifiche alle proprietà del materiale. Questo metodo include la capacità di modellare variazioni di volume e/o topologia.

In alternativa, la funzione Phase Change Interface modella il cambiamento di fase seguendo la condizione di equilibrio energetico di Stefan per calcolare la velocità dell'interfaccia tra due fasi che potrebbero avere densità differente. Combinato con la geometria deformata, questo approccio è molto efficiente ed efficace quando non si verificano cambiamenti topologici.

I tre accoppiamenti multifisici per il trasporto dell'umidità e i risultati del raffreddamento per evaporazione di un bicchiere d'acqua che mostrano la concentrazione di vapore.

Trasporto dell'umidità

Modellare i trasporto di calore e umidità richiede ampie capacità multifisiche per accoppiare il trasferimento di calore con il flusso di umidità, il trasporto di umidità nei materiali da costruzione, l'aria umida e i mezzi porosi igroscopici. Per studiare questi effetti, l'Heat Transfer Module include impostazioni per modellare il trasporto dell'umidità nell'aria e nei mezzi porosi umidi accoppiati al flusso non isotermo. Sono disponibili strumenti per analizzare la condensazione e l'evaporazione dell'acqua sulle superfici e funzioni aggiuntive per analizzare l'immagazzinamento del calore e dell'umidità, gli effetti del calore latente e la diffusione e il trasporto dell'umidità.

Il Model Builder mostra l'interfaccia Lumped Thermal System interface e la funzionalità Lumped System Connector evidenziata, nonché il grafico di confronto dei risultati.

Sistemi termici concentrati

Sono disponibili funzioni per calcolare la velocità di trasferimento del calore e le distribuzioni di temperatura in una rete termica. L'interfaccia Lumped Thermal System supporta caratteristiche a parametri concentrati come resistenze termiche, gradiente di calore e massa termica. Il software risolve un'equazione di conservazione dell'energia usando le temperature e i gradienti di calore come variabili dipendenti.

L'interfaccia Surface-to-Surface Radiation nel Model Builder e la finestra Graphics che mostra i risultati della simulazione: radiosità superficiale di un ombrellone e refrigeratori al sole.

Radiazione superficie-superficie

L'Heat Transfer Module utilizza il metodo della radiosità per modellare la radiazione superficie-superficie su superfici diffuse, superfici miste diffuse-speculari e strati semitrasparenti. Questi sono disponibili in geometrie 2D e 3D, e in geometrie 2D assialsimmetriche quando si modellano superfici diffuse. Le proprietà della superficie possono dipendere dalla temperatura, dalla lunghezza d'onda della radiazione, dall'angolo di incidenza o da qualsiasi altra quantità nel modello. Le proprietà di trasparenza possono anche essere definite per ogni banda spettrale (ed è supportato un numero arbitrario di bande spettrali).

Sono disponibili impostazioni predefinite per la radiazione solare e ambientale, in cui l'assorbanza della superficie per lunghezze d'onda corte (la banda spettrale solare) può differire dall'emissività della superficie per le lunghezze d'onda maggiori (la banda spettrale ambientale). Inoltre, la direzione della radiazione solare può essere definita tramite posizione geografica, data e ora.

I fattori di vista sono calcolati usando il metodo dell'emicubo, del ray-shooting o dell'area di integrazione diretta. Per diminuire il carico computazionale delle simulazioni, è possibile definire piani o settori di simmetria. Combinata con un sistema di riferimento mobile, l'interfaccia radiazione superficie-superficie aggiorna automaticamente i fattori di vista al variare della configurazione geometrica.

Impostazioni dell'interfaccia Radiation in Participating Media e finestra Graphics che mostra la radiazione incidente in una lastra di vetro.

Irraggiamento in mezzi semitrasparenti

Con l'Heat Transfer Module, si dispone di strumenti per simulare molti tipi di radiazione in mezzi semitrasparenti: mezzi partecipanti, mezzi assorbenti e disperdenti e fasci in mezzi assorbenti.

Per la radiazione in mezzi partecipanti, è possibile utilizzare l'approssimazione di Rosseland, l'approssimazione P1 o il metodo delle ordinate discrete (DOM). Per la radiazione in mezzi assorbenti e disperdenti, è possibile utilizzare l'approssimazione P1 e il DOM, per modellare ad esempio la diffusione della luce in un mezzo non emittente. Infine, si può modellare un raggio radiativo in mezzi assorbenti usando la legge di Beer-Lambert e accoppiare l'effetto con altre forme di trasferimento di calore.

L'interfaccia multifisica Layered Thermal Expansion e i risultati di temperatura e deformazione nella finestra Graphics.

Strati sottili e shell

Per il trasferimento di calore in strati sottili, l'Heat Transfer Module fornisce modelli di strati singoli e tecnologia per materiali stratificati, al fine di studiare il trasferimento di calore in strati che sono geometricamente molto più sottili del resto del modello. Questa funzionalità è disponibile per strati sottili, shell, film sottili e fratture.

Per i singoli strati, il modello Thermally thin shell viene utilizzato per materiali altamente conduttivi con trasferimento di calore tangenziale allo strato e differenza di temperatura trascurabile tra i lati dello strato. Viceversa, il modello Thermally thick può rappresentare materiali poco conduttivi che agiscono come una resistenza termica nella direzione perpendicolare alla shell; questo modello calcola la differenza di temperatura tra i due lati dello strato. Infine, il modello generale rappresenta un modello altamente accurato e universale, poiché risolve l'equazione del calore completa.

La tecnologia dei materiali stratificati include strumenti di pre-processing per la definizione dettagliata dei materiali stratificati, il caricamento/salvataggio di configurazioni di strutture stratificate da/verso un file e le funzioni di anteprima degli strati. È possibile visualizzare i risultati in strati sottili e stratificati come se fossero originariamente modellati come solidi 3D. La funzionalità dei materiali stratificati è inclusa nel AC/DC Module e nello Structural Mechanics Module: è quindi possibile includere accoppiamenti multifisici come riscaldamento elettromagnetico o espansione termica su materiali stratificati.

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