Analizza gli effetti termici con l'Heat Transfer Module

 

Software di modellazione per simulazioni avanzate

Potete analizzare il trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento con l'Heat Transfer Module, un prodotto aggiuntivo della piattaforma COMSOL Multiphysics®. L'Heat Transfer Module include un 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 dispositivi, componenti 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.

Funzionalità Specifiche per Analisi di Trasferimento Termico

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. Queste funzionalità possono essere utilizzate per modellare scambiatori di calore, sistemi di raffreddamento per l'elettronica e sistemi per il risparmio energetico, per citare alcuni esempi.

Sono supportati sia i flussi laminari che turbolenti, e possono essere modellati in convezione naturale e forzata. È possibile tenere conto dell'influenza del lavoro di volume e della dissipazione viscosa sulla distribuzione di temperatura. La turbolenza può essere simulata usando modelli Reynolds Average Navier-Stokes (RANS), come i modelli di turbolenza k-ε, low-Reynolds k-ε, algebrico yPlus o LVEL. I modelli di turbolenza realizable k-ε, 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. Si può tenere conto della convezione naturale senza difficoltà, grazie alla funzionalità Gravity.

Esempio dell'utilizzo di COMSOL Multiphysics e dell'Heat Transfer Module per modellare flusso non isotermo. Modello di due fluidi separati a diverse temperature che fluiscono attraverso uno scambiatore di calore a fascio tubiero.

Strati sottili e Shell

Per la modellazione del trasferimento di calore in strati sottili e shell, l'Heat Transfer Module offre funzionalità specifiche che sono computazionalmente efficienti e accurate. Grazie a questi strumenti, potrete studiare il trasferimento di calore in strati che sono geometricamente molto più sottili del resto della geometria, senza la necessità di creare mesh sullo spessore di questi strati.

Il modello Thermally thin shell viene utilizzato per materiali altamente conduttivi in situazioni in cui il contributo dello strato al trasferimento di calore è principalmente nelle sue direzioni tangenziali e dove la differenza di temperatura tra i lati dello strato è trascurabile. Viceversa, il modello Thermally thick può rappresentare materiali poco conduttivi che fungono da resistenza termica nella direzione perpendicolare alla shell. Questo modello calcola la differenza di temperatura fra i due lati dello strato. In ultimo, il modello generale rappresenta un modello universale e di massima accuratezza poiché risolve l'equazione del calore completa.

Le funzionalità di strati sottili supportano carichi di calore simili al normale modello di dominio. In particolare, le fonti di calore e le dissipazioni possono essere definite sugli strati, e il flusso di calore e la radiazione superficie-superficie possono essere definiti su entrambi i lati delle shell.

Radiazione superficie-superficie

L'Heat Transfer Module utilizza il metodo della radiosità per modellare la radiazione superficie-superficie su superfici con radiazione diffusa in geometrie 2D, 2D assialsimmetriche e 3D. Le proprietà della superficie possono dipendere dalla temperatura, dalla lunghezza d'onda della radiazione o da qualsiasi altra quantità nel modello. Le proprietà di trasparenza possono anche essere definite per ciascuna banda spettrale (e sono supportate fino a cinque bande).

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 utilizzando il metodo dell'emicubo dell'integrazione diretta dell'area. 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.
 

Cambio di fase

Tenere conto dei fenomeni collegati al cambiamento di fase nelle analisi di trasferimento termico sarà più semplice con l'Heat Transfer Module. Il nodo Phase Change Material implementa la formulazione della capacità termica apparente per modellare il cambio di fase: descrive l'entalpia del cambio di fase e le modifiche alle proprietà dei materiali, e comprende la capacità di modellare le variazioni di volume usando la moving mesh.

La libreria delle applicazioni del software COMSOL® contiene modelli di esempio che utilizzano l'interfaccia Deformed Geometry e implementano la condizione di bilancio dell'energia di Stefan per calcolare la velocità del fronte tra due fasi.

Analisi di conduzione, convezione e radiazione

L'Heat Transfer Module può essere usato per studiare in dettaglio i tre tipi di trasferimento termico, ampliando le possibilità di analisi della piattaforma di simulazione COMSOL Multiphysics®.

Conduzione

Per descrivere la conduzione che avviene in ogni materiale, si può definire la conducibilità termica come isotropa o anisotropa, costante o funzione della temperatura (o di una qualsiasi altra variabile del modello).

Convezione

Per tenere conto del moto di fluidi in una simulazione di scambio termico, si possono utilizzare funzionalità per modellare il lavoro di volume, dissipazione viscosa oppure convezione forzata o libera (naturale). La convezione naturale è modellata automaticamente quando l'opzione Gravity è selezionata nell'interfaccia Single-Phase Flow.

Radiazione

L'Heat Transfer Module vi permetterà di modellare la radiazione superficie-superficie usando il metodo della radiosità, così come la radiazione in mezzi partecipanti, utilizzando il metodo di approssimazione P1 di Rosseland o il metodo delle ordinate discrete (DOM). È possibile anche modellare un fascio in mezzi assorbenti attraverso la legge di Beer-Lambert e accoppiare questo effetto con altre forme di scambio termico.

Modellazione di conduzione, convezione e irraggiamento con COMSOL Multiphysics e  l'Heat Transfer Module Un modello di convezione naturale in una lampadina che tiene conto anche della conduzione e della radiazione.

Cosa si può modellare con l'Heat Transfer Module

Che il trasferimento di calore sia l'obbiettivo principale del vostro studio o che sia parte di un'analisi più ampia e complessa, è molto probabile che sia necessario esaminare diversi effetti fisici contemporaneamente. Con le funzionalità di modellazione multifisica del software COMSOL®, è possibile eseguire analisi complete e approfondite in un ambiente di simulazione, seguendo un flusso di lavoro coerente che coinvolge più fisiche. Questo approccio intuitivo alla modellazione e alla simulazione può essere utilizzato per studiare il trasferimento di calore insieme a tutti i fenomeni fisici coinvolti nella vostra applicazione.

Sfogliate le seguenti applicazioni per vedere alcuni esempi di ciò che è possibile analizzare e simulare con COMSOL Multiphysics® e con l'Heat Transfer Module.

Potrete studiare il riscaldamento elettromagnetico a diversi regimi elettromagnetici con un accoppiamento fra elettromagnetismo e scambio termico. L'Heat Transfer Module può essere utilizzato per analizzare effetti di riscaldamento Joule, riscaldamento induttivo e riscaldamento a microonde.

Queste capacità di simulazione multifisica sono utili per la progettazione e lo studio di cavi sotterranei, fusibili, induttori e di molte altre applicazioni. Per trarre vantaggio dalle funzionalità avanzate per la modellazione del riscaldamento elettromagnetico, è possibile combinare l'Heat Transfer Module con l'AC/DC Module, l'RF Module, il Ray Optics Module, o il Wave Optics Module.

Modellazione del riscaldamento EM in un riscaldatore a induzione in linea Un campo magnetico (superficie circolare), prodotto da una corrente che passa attraverso una bobina, provoca un aumento di temperatura nei quattro tubi in questo modello di riscaldatore a induzione in linea.

L'Heat Transfer Module offre interfacce robuste per la modellazione del trasferimento di calore in mezzi porosi, per tenere conto sia della conduzione che della convezione nelle fasi solida e fluida della matrice porosa. È possibile selezionare diversi modelli di media per definire proprietà di trasferimento di calore efficaci, che vengono calcolate automaticamente dalle rispettive proprietà dei materiali solido e fluido. È inoltre possibile accedere a una funzione predefinita per la dispersione del calore nei mezzi porosi, causata dal percorso tortuoso dei fluidi attraverso i pori.

Combinando l'Heat Transfer Module con il CFD Module e il Subsurface Flow Module è possibile risolvere il flusso di mezzi porosi (la legge di Darcy e l'estensione di Brinkman alla legge di Darcy) e abbinarlo al modello di trasferimento di calore.

Per ottenere l'equilibrio termico locale, potete utilizzare l'interfaccia LTNE. Questa implementa le equazioni per campi di temperatura della matrice porosa e del fluido, con un accoppiamento che tiene conto del trasferimento di calore all'interfaccia fluido-solido nei pori.

Modellazione di trasferimento del calore in mezzi porosi Modello di trasferimento di calore nei mezzi porosi in cui l'acqua scorre attraverso una frattura in un doppietto geotermico.

L'espansione termica è un fenomeno comune, che può portare a livelli molto elevati di stress termico. Lo stress termico può essere positivo, ad esempio per applicazioni di shrink fit e sensori di temperatura bimetallici, ma può anche essere negativo. Ad esempio, può influire negativamente sugli edifici, rendendo necessari giunti di dilatazione, oppure su dispositivi soggetti a campi di temperatura e carichi termici ciclici.

Una buona progettazione termica è la chiave per ottimizzare l'effetto dell'espansione termica, minimizzando o massimizzando l'effetto a seconda del caso. Questo fenomeno può essere tenuto in considerazione e studiato utilizzando la funzionalità di accoppiamento multifisico disponibile nell'Heat Transfer Module.

Se utilizzato in combinazione con lo Structural Mechanics Module, l'Heat Transfer Module amplia le possibilità di analisi degli stress termici in dispositivi, componenti o sistemi; per esempio, consente di tener conto del trasferimento di calore coniugato o del trasferimento di calore in gusci sottili.

Sono disponibili modelli per il coefficiente di conducibilità termica del contatto, che dipende dalla pressione di contatto. È inoltre possibile studiare il contributo di radiazione superficie-superficie tra superfici separate da piccoli spazi vuoti. La pressione di contatto e la distanza fra le superfici sono ottenute dal modello di meccanica strutturale.

Modellazione dello stress termico utilizzando l'Heat Transfer Module Grafico della distribuzione della temperatura che induce stress termici nella pala dello statore di una turbina

È possibile modellare gli effetti termoelettrici accoppiando interfacce fisiche per le correnti elettriche e il trasferimento di calore nei solidi, tenendo conto degli effetti Peltier-Seebeck-Thomson.

Potrete impostare le proprietà del materiale di un modello scegliendo da una selezione di materiali termoelettrici predefiniti, come il tellururo di bismuto e il tellururo di piombo. Come sempre, è anche possibile definire autonomamente le proprietà del materiale o combinare l'AC/DC Module con l'Heat Transfer Module per disporre di funzionalità di modellazione avanzate per le correnti elettriche.

Modellazione di effetti termoelettrici utilizzando il software COMSOL Un dispositivo di raffreddamento termoelettrico. La distribuzione della temperatura è rappresentata nei supporti termoelettrici con dei coni che indicano il flusso di corrente elettrica in tutto il dispositivo.

L'Heat Transfer Module offre funzionalità per analizzare l'efficienza di raffreddamento nelle simulazioni che coinvolgono la progettazione di dispositivi elettronici, componenti come chip elettronici o sistemi di alimentazione. Permette di simulare la conduzione e la convezione in queste applicazioni per garantirne prestazioni e funzionamento ottimali. È inoltre possibile modellare il raffreddamento per progetti di condotti termici da utilizzare in microelettronica o computer.

Durante le analisi di raffreddamento elettronico, una simulazione efficiente e accurata è importante per evitare malfunzionamenti e ottenere un progetto ottimale. L'Heat Transfer Module è efficiente dal punto di vista computazionale e preciso per il calcolo della capacità di raffreddamento. Con le parti del dissipatore di calore incluse nel software, sarà più semplice impostare anche geometrie complesse.

Modello COMSOL di raffreddamento elettronico in un alimentatore Comportamento termico di un alimentatore per un computer. Il modello calcola il raffreddamento per convezione forzata del dispositivo, la cui scatola è ventilata da una corrente d'aria che entra attraverso una griglia e viene estratta da una ventola.

Gli scambiatori di calore sono coinvolti in molte aree di applicazione: il trattamento delle acque, il raffinamento delle risorse, l'energia nucleare, la produzione di alimenti e bevande, la refrigerazione e altro ancora.

La libreria delle applicazioni contiene tutorial per diversi tipi di scambiatori di calore:

  • Scambiatori di calore a tubi concentrici
  • Scambiatori di calore a doppio tubo
  • Scambiatori di calore a fascio tubiero
  • Scambiatori di calore compatti
  • Scambiatori di calore a tubi alettati

L'analisi degli scambiatori di calore prevede una combinazione di trasferimento di calore in liquidi e in solidi. Il fluido trasporta energia su grandi distanze, mentre i solidi separano i fluidi in modo che possano scambiare energia senza mescolarsi. È possibile tenere conto di questo comportamento grazie alle interfacce fisiche disponibili nel software COMSOL Multiphysics®, e persino modellare la convezione forzata o il cambio di fase all'interno di questi dispositivi.

Scambiatore di calore a flussi incrociati modellato con COMSOL Multiphysics e l'Heat Transfer Module Uno scambiatore di calore a flussi incrociati che mostra la velocità del flusso (diagrammi di superficie) e la distribuzione della temperatura (isosuperfici) mentre i fluidi si scambiano energia.
Un esempio di modellazione del trasferimento termico in uno scambiatore di calore usando il software COMSOL. Uno scambiatore di calore che mostra la velocità del fluido (frecce) e la distribuzione della temperatura (isosuperfici e linee di flusso) mentre i fluidi si scambiano energia.
Scambiatore di calore a doppia tubazione modellato con COMSOL Multiphysics e l'Heat Transfer Module. Uno scambiatore di calore a doppia tubazione che mostra il campo di velocità nel tubo interno (frecce) e la distribuzione della temperatura nel tubo esterno (superfici) mentre i fluidi si scambiano energia.
Scambiatore di calore a tubi alettati modellato con COMSOL Multiphysics e  l'Heat Transfer Module Uno scambiatore di calore a tubi alettati che mostra il moto del fluido (coni) e la distribuzione della temperatura (superfici) mentre i fluidi di scambiano energia.

La gestione termica è fondamentale per la progettazione degli edifici, poiché i progettisti hanno la necessità di considerare le variazioni di calore e umidità nei componenti dell'edificio. È possibile utilizzare l'Heat Transfer Module per analizzare la gestione termica in cornici di legno, telai di finestre, materiali da costruzione porosi e molto altro. Inoltre, sono disponibili strumenti per analizzare la condensazione e l'evaporazione dell'acqua sulle superfici.

Nell'Heat Transfer Module, sono presenti funzionalità specifiche per analizzare l'accumulo di calore e umidità, gli effetti del calore latente, nonché la diffusione e il trasporto convettivo dell'umidità. Potrete simulare convezione, diffusione e miscelazione turbolenta basata sui vortici turbolenti per il trasporto di calore e umidità nell'aria.

Modello di trasferimento del calore per l'analisi delle prestazioni termiche nei materiali da costruzione La distribuzione della temperatura (superfici e isosuperfici) e il flusso di calore (frecce) attraverso la struttura di un edificio a due piani che scambia con un ambiente esterno.

È possibile analizzare i processi in applicazioni mediche - come l'ablazione di tumori, le sonde cutanee e la necrosi tissutale - con la modellazione del trasferimento di calore: l'Heat Transfer Module comprende funzionalità specifiche per simulare gli effetti termici nel tessuto umano.

Il software COMSOL® risolve l'equazione del bio-heat e può tenere conto degli effetti termici nei tessuti attraverso le proprietà del sangue, la velocità di perfusione sanguigna e le fonti di calore metaboliche. Gli effetti del riscaldamento a microonde, del riscaldamento resistivo, del riscaldamento radiativo e del riscaldamento attraverso reazioni chimiche possono essere facilmente inclusi nell'analisi.

Modellazione del bio-heating con il software di simulazione COMSOL Multiphysics Studio delle caratteristiche di radiazione e variazioni di temperatura del tessuto cutaneo dovute a una sonda dielettrica conica utilizzata per la diagnosi del cancro della pelle

Il raffreddamento evaporativo è un processo che si verifica durante l'essiccazione, l'evaporazione e persino in aree applicative come la fisica delle costruzioni e l'industria alimentare.

Per studiare questi effetti, l'Heat Transfer Module include impostazioni per modellare il trasporto di umidità in aria accoppiato con il flusso non isotermo. Le interfacce fisiche calcolano la pressione di saturazione e possono tener conto dell'evaporazione sulle superfici durante il processo di raffreddamento evaporativo, consentendo così di modellare l'effetto del calore di evaporazione sulla temperatura.

Modellazione di raffreddamento per evaporazione con l'Heat Transfer Module Un bicchiere di acqua calda esposto a una corrente d'aria secca a temperatura ambiente modellato per analizzare il processo di raffreddamento per evaporazione

Analisi più efficienti con le app di simulazione

Provate a pensare al tempo e all'energia che potreste dedicare a nuovi progetti se non doveste continuare a ripetere gli stessi test di simulazione per i membri del vostro team. Con l'Application Builder, integrato in COMSOL Multiphysics®, potrete creare app di simulazione che semplificheranno ulteriormente il flusso di lavoro della simulazione, consentendo di limitare gli input e controllare gli output del modello, in modo che i vostri colleghi possano eseguire in autonomia le proprie analisi.

Grazie alle app, potrete modificare facilmente un parametro di progetto, come la velocità di riscaldamento, le condizioni operative o le proprietà del materiale o geometriche, e testarlo tutte le volte che vorrete senza dover ripetere l'intera simulazione. Potrete utilizzare le app per eseguire i vostri test più rapidamente o distribuire le app agli altri membri del vostro team perché possano svolgere i loro test, lasciando a voi tempo e risorse per altri progetti.

Il processo è semplice:

1. Trasformate il vostro modello complesso di trasferimento termico in una semplice interfaccia utente (un'app)
2. Personalizzate l'app in base alle vostre esigenze selezionando input e output disponibili per gli utenti dell'app
3. Utilizzate il prodotto COMSOL Server™ per catalogare le app e renderle accessibili agli altri membri del team
4. Consentite al vostro team di eseguire analisi sul progetto senza bisogno di ulteriore assistenza

Attraverso le app di simulazione potete estendere la capacità di eseguire simulazioni ai colleghi del vostro team, della vostra organizzazione o istituto, e anche ai vostri clienti e fornitori.

Demo Raffreddamento ad aria forzata con dissipatore di calore creata con l'Application Builder Testate diverse configurazioni di un dissipatore di calore grazie a un'app. Modificate la geometria della base, la geometria delle alette, le dimensioni della scatola e le condizioni operative; ispezionate i campi di temperatura e velocità; monitorate la potenza dissipata e la perdita di pressione per ottenere risultati quantitativi.

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Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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