Aggiornamenti dell'Heat Transfer Module

Agli utenti dell'Heat Transfer Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.2a offre la capacità di incorporare dati meteorologici nelle simulazioni, un'opzione predefinita per includere gli effetti di buoyancy in modelli di scambio termico coniugato, nuovi materiali nel database Bioheat e molto altro ancora. Gli aggiornamenti dell'Heat Transfer Module sono descritti in dettaglio qui di seguito.

Dati climatici tempovarianti per oltre 6000 stazioni (ASHRAE 2013)

Una nuova sezione denominata Ambient Settings è ora disponibile nella finestra Settings delle interfacce Heat Transfer per la definizione delle variabili ambientali, quali temperatura, umidità relativa, pressione assoluta, velocità del vento e radiazione solare. Dopo aver definito queste variabili una volta, esse saranno disponibili come input per diverse funzionalità di tutte le interfacce dell'Heat Transfer Module.

Per impostazione predefinita spetta all'utente specificare le variabili ambientali (User defined). Si può tuttavia decidere di calcolarle sulla base di misurazioni medie orarie e mensili da valori forniti nel manuale ASHRAE 2013, che raccoglie i dati misurati dalle stazioni meteo in tutto il mondo e fornito dall'American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Sono disponibili parecchie impostazioni per scegliere una località, un'ora specifica e le condizioni ambientali. Questo facilita e velocizza l'accesso a una vasta quantità di dati in una località pertinente al vostro modello. La condizione predefinita corrisponde al valore medio di una determinata data e ora. Tra le diverse possibilità, l'utente può accedere anche al valore di temperatura più alto o più basso registrato dalla stazione selezionata, o a valori medi, ma che deviano di un'unità della deviazione standard.

Quando si eseguono studi transitori, i dati climatici sono sincronizzati automaticamente con l'intervallo temporale impostato nel solutore.

I dati meteo ambientali sono variabili disponibili come input per le diverse funzionalità. Ad esempio, nella funzione Heat Flux, si possono usare nelle correlazioni la temperatura ambiente, la pressione ambientale assoluta e la velocità del vento per definire il coefficiente di scambio termico.

La definizione delle condizioni ambientali a livello di interfaccia garantisce la coerenza nell'intero modello, oltre ad evitare la definizione di altre variabili per i dati ambientali. I dati climatici sono utili per convalidare le condizioni operative di un dispositivo sulla base di dati reali. Grazie alle numerose opzioni per le condizioni, è possibile testare il comportamento di un dispositivo in condizioni estreme o in condizioni standard entro il margine di sicurezza desiderato.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza i dati climatici dipendenti dal tempo (ASHRAE 2013):

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling /condensation_electronic_device_with_diffusion

Opzione predefinita per includere gli effetti di galleggiamento nei modelli di scambio termico coniugato

Le forze di gravità sono responsabili degli effetti di galleggiamento che si osservano non appena emergono differenze di densità in un fluido. Spesso queste differenze di densità sono causate da variazioni di temperatura all'interno un gas o un liquido. La convezione naturale corrisponde a una configurazione in cui il flusso è governato dalle forze di galleggiamento ed è un punto chiave in molte applicazioni, quali il risparmio energetico (dato che la convezione naturale induce moto in un fluido, favorisce lo scambio termico e quindi le perdite) o il raffreddamento elettronico (il raffreddamento basato sulla convezione naturale o senza ventole è preferito perché non comporta alcun dispositivo meccanico ed è silenzioso).

Con la nuova proprietà Gravity, disponibile nell'interfaccia Single-Phase Flow, è possibile includere facilmente gli effetti della gravità. Quando è selezionata, la proprietà Include gravity aggiunge il nodo secondario Gravity all'albero del modello, e da qui è possibile modificare l'accelerazione di gravità. Il nodo Gravity definisce una forza volume corrispondente alla gravità in tutti i domini in cui è attiva l'interfaccia.

Sono disponibili due formulazioni per implementare l'equazione di moto con gravità: la formulazione di pressione relativa (default) e la formulazione di pressione ridotta. Quando è selezionata la formulazione di pressione relativa, le funzioni che utilizzano una pressione esterna o uno sforzo esterno totale consentono di prendere in considerazione la pressione idrostatica (flussi incomprimibili) o l'approssimazione di pressione idrostatica (flussi debolmente comprimibili e comprimibili). Quando è selezionata la formulazione di pressione ridotta, le equazioni di flusso vengono definite utilizzando la pressione ridotta come variabile dipendente, opzione adatta nei casi in cui le variazioni delle forze di galleggiamento sono minime rispetto al valore assoluto delle stesse.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza l'opzione predefinita per includere gli effetti di galleggiabilità nei modelli di scambio termico coniugato:

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling/circuit_board_nat_3D

Accoppiamento multifisico di trasporto di calore e umidità

Nuove interfacce e funzioni che servono per la modellazione del trasporto di calore e umidità accoppiati nei materiali da costruzione sono disponibili, e tengono conto dell'accumulo, degli effetti del calore latente e del trasporto convettivo di umidità. L'accoppiamento multifisico heat and moisture può modellare svariati fenomeni di variazione di umidità in materiali da costruzione. Nei mesi più caldi, questa funzione è utile per modellare l'essiccazione dell'umidità iniziale, così come la condensa causata dalla migrazione di umidità dall'esterno dell'edificio al suo interno. Nei mesi più freddi, questa funzione può essere utilizzata per modellare l'accumulo di umidità per condensa interstiziale a causa della diffusione.

Modello di materiale da costruzione

Il modello Building Material è la funzionalità di dominio predefinita dell'interfaccia Heat Transfer in Building Materials e può essere aggiunto a qualsiasi interfaccia di scambio termico. Questa funzionalità modella i mezzi porosi contenenti acqua e aria umida, sulla base delle equazioni alle derivate parziali tratte da EN 15026:2007 (Hygrothermal performance of building components and building elements - Assessment of moisture transfer by numerical simulation, CEN, 2007).

Le proprietà termiche efficaci sono determinate da quelle del materiale secco e dal contenuto di acqua. Inoltre, il termine sorgente nell'equazione del calore è determinato dal trasferimento di umidità e dal calore latente di evaporazione.

Interfaccia Moisture Transport

L'interfaccia Moisture Transport modella il trasporto di umidità. La funzione di dominio predefinita, Porous Medium, rappresenta l'immagazzinamento di umidità, le forze di aspirazione capillare e il trasporto convettivo di vapore. Simile alla funzione Building Material, implementa le equazioni alle derivate parziali tratte da EN 15026.

L'interfaccia Moisture Transport offre inoltre le funzioni per definire Moisture Source, Thin Moisture Barrier, Moisture Content o Moisture Flux.

Comprimibilità di flussi monofase

La nuova funzione Weakly compressible flow è stata introdotta come opzione intermedia tra flusso incomprimibile, in cui la densità è presupposta costante, e flusso comprimibile (Ma < 0,3), in cui la densità può cambiare arbitrariamente. Quando è selezionata, la funzione Weakly compressible flow garantisce che la densità dipenda soltanto dalla temperatura. Se le proprietà del materiale comprendono una densità dipendente dalla pressione, essa viene valutata alla pressione di riferimento definita nell'interfaccia.

Questa opzione è utile soprattutto per i gas nei casi in cui le variazioni di pressione sono troppo piccole per influenzare significativamente la densità. Questa situazione è tipica nella maggior parte delle applicazioni di raffreddamento ad aria a basse velocità; in tali casi, rimuovere la dipendenza dalla pressione può milgiorare significativamente le prestazioni computazionali.

Percorso della Application Library con esempi che utilizzano la funzione di comprimibilità in flussi monofase:

Heat_Transfer_Module/Applications/forced_air_cooling_with_heat_sink

Risultati della simulazione del raffreddamento ad aria, dove per l'aria è stata trascurata la dipendenza dalla pressione della densità. Il grafico mostra il campo di temperatura (Heat Camera) e le streamline (Jupiter Aurora Borealis) il cui spessore è proporzionale al modulo della velocità.

Condizione di simmetria a settori per l'irraggiamento superficie-superficie

Un modo per contenere i costi computazionali di una simulazione consiste nell'uso dei piani di simmetria o di settori di simmetria per ridurre la geometria. Le condizioni al contorno di simmetria sono applicabili alle simulazioni PDE generali. L'irraggiamento superficie-superficie richiede la valutazione di fattori di vista, che a loro volta richiedono la ricostruzione della geometria completa durante la valutazione.

Per ovviare a questo, per i modelli 2D e 3D è ora disponibile la nuova opzione Sectors of symmetry nella funzione Symmetry for Surface-to-Surface Radiation. Questa supporta un numero arbitrario di settori e consente di definire un piano di riflessione in ciascuno di essi. Con questa opzione, è possibile migliorare l'efficienza computazionale, calcolando e memorizzando i fattori di visualizzazione per un solo settore di una geometria simmetrica. Inoltre, nella simulazione diminuisce proporzionalmente il numero di gradi di libertà per tutte le altre variabili del modello.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza la condizione Sector Symmetry per Symmetry for Surface-to-Surface Radiation:

Heat_Transfer_Module/ Applications/inline_induction_heater

Accoppiamento multifisico NonIsothermal Flow ora compatibile con i materiali a cambiamento di fase

Tradizionalmente, la modellazione del moto della fase liquida durante un cambiamento di fase è stata quella di risolvere l'equazione di moto nell'intero dominio del materiale e quindi di assegnare le proprietà particolari al materiale nella fase solida. Questo garantisce che la parte solida del materiale rimanga immobile o si muova rigidamente. Nella parte fluida, sono definite le proprietà effettive del fluido per calcolarne il campo di moto. In COMSOL Multiphysics® versione 5.2a, è ora possibile utilizzare l'accoppiamento multifisico Non-Isothermal Flow per accoppiare lo scambio termico in un materiale a cambiamento di fase con il campo di moto.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza l'interfaccia di multifisica Non-Isothermal Flow con il nodo secondario Phase Change Material:

Heat_Transfer_Module/Thermal_Processing/continuous_casting

Nuova funzione Opacity

La funzione secondaria Opaque utilizzata nell'irraggiamento superficie-superficie è stata sostituita da Opacity, disponibile in tutte le funzionalità di dominio principali, tra cui Fluid (nome precedente: Heat Transfer in Fluids), Phase Change Material (nome precedente: Heat Transfer with Phase Change), Building Material e Isothermal Domain. L'opacità viene impostata selezionando Transparent o Opaque nella finestra impostazioni.

Trasferimento di calore in strutture sottili

Le strutture sottili introducono nella geometria rapporti di forma elevati, che possono essere responsabili della generazione di mesh complicate o distorte. Nelle versioni precedenti di COMSOL Multiphysics®, era possibile utilizzare un modello shell per i solidi utilizzando l'interfaccia Heat Transfer in Thin Shells. In COMSOL Multiphysics® versione 5.2a, è possibile modellare anche film sottili (fluidi) e fratture (all'interno di mezzi porosi).

L'interfaccia Heat Transfer in Thin film e le interfacce Heat Transfer in Fractures sono disponibili nel sottogruppo Thin Structures del ramo Heat Transfer nella finestra Select Physics. L'interfaccia Heat Transfer in Thin Films implementa lo scambio termico nelle equazioni fluidodinamiche. La velocità del fluido nel film può essere inserita manualmente o può essere ottenuta da un'interfaccia Thin-Film Flow, Shell. L'interfaccia Heat Transfer in Fractures implementa lo scambio termico nelle equazioni per mezzi porosi. La velocità del fluido nella frattura può essere sia definita dall'utente che calcolata da un'interfaccia Fracture Flow.

Formulazione generale per i film sottili

La nuova opzione General thin film è disponibile nella funzione Thin Film per la discretizzazione del campo di temperatura nello spessore del film. Questa nuova opzione definisce una extra dimension per calcolare le variazioni di temperatura nello spessore del film. È possibile utilizzare la funzione Thin Film in qualsiasi interfaccia di scambio termico, tra cui le interfacce Thin Structures. Questa formulazione è utile per applicazioni come la modellazione di cuscinetti o, più in generale, per una rappresentazione precisa del profilo di temperatura in un film, specialmente in presenza di forti sorgenti di calore o forti differenze di temperatura nel film.

Funzione secondaria Pressure Work ora disponibile per lo scambio termico in mezzi porosi

La temperatura della fase fluida di un mezzo poroso può essere influenzata dal lavoro fatto dalle variazioni di pressione. Per riflettere questa condizione nei modelli, la funzione Pressure Work è stata aggiornata per supportare mezzi porosi oltre a flussi liberi ed è ora disponibile come funzionalità secondaria del nodo Porous Medium.

Supporto per le temperature dei lati di strutture sottili

A seconda dell'approssimazione utilizzata nella funzione Thin Structures, la temperatura sui lati di una struttura sottile può essere uniforme (approssimazione Thermally Thin) o variare con lo spessore (approssimazione Thermally Thick oppure opzione Generale). In COMSOL Multiphysics® 5.2a, le interfacce Thin Structure sono state aggiornate in modo che le funzioni Surface-to-Surface Radiation — Diffuse Surface, Diffuse Mirror o Prescribed Radiosity — utilizzino la temperatura superficiale della struttura sottile dal lato di radiazione. Ad esempio, la temperatura superficiale è utilizzata per definire il potere emissivo superficiale, che viene valutato sulla base della legge di Planck.

Database materiali Bioheat

Il database materiali Bioheat è stato aggiornato con i seguenti materiali:

  • Liver (porcine)
  • Lung
  • Myocardium (human)
  • Myocardium (porcine)
  • Renal cortex
  • Renal medulla
  • Spleen

Le proprietà dipendenti dalla temperatura di quasi tutti questi materiali sono fornite da espressioni lineari o polinomiali; negli altri casi con valori costanti. Inoltre, sono state aggiornate le proprietà del materiale Prostate.

Nuova app: Inline Induction Heater

Gli acciai inossidabili ferritici si sono diffusi notevolmente nel settore alimentare grazie a un prezzo relativamente basso e stabile e all'assenza di nichel nei componenti. La loro resistenza alla corrosione può essere migliorata con l'aggiunta di cromo o molibdeno e le loro proprietà magnetiche offrono nuove tecniche nella lavorazione alimentare.

La nuova app Inline Induction Heater calcola l'efficienza di un apparato a induzione magnetica per il riscaldamento di alimenti liquidi che scorrono in una serie di tubi di acciaio inossidabile ferritico. Una spira elettromagnetica circolare è avvolta intorno ai tubi nei quali scorre e si riscalda l'alimento liquido. Un campo magnetico, derivante dal passaggio di corrente attraverso la spira, genera correnti parassite responsabili del riscaldamento induttivo. Infine, il calore viene trasferito al fluido, essenzialmente per conduzione.

Con questa app, è possibile esaminare varie configurazioni dei tubi modificandone il numero, la lunghezza, lo spessore e il materiale. È inoltre possibile ottimizzare la spira impostando il numero di giri, il raggio, la densità di corrente o la frequenza di eccitazione. Al fine di ottimizzare il progetto, l'app riporta la temperatura generale massima del fluido, la temperatura minima all'uscita, l'elevazione di temperatura media all'uscita e l'efficienza termica del riscaldatore.

Percorso della Application Library:

Heat_Transfer_Module/Applications/inline_induction_heater

Tutorial aggiornato: Evaporation in Porous Media with Large Evaporation Rates

L'evaporazione in mezzi porosi è un aspetto importante in molti settori, soprattutto quello alimentare e di lavorazione della carta. Devono essere considerati molti effetti fisici: fluidodinamica, trasferimento di calore e trasporto dei gas e fluidi partecipanti. Tutti questi effetti sono accoppiati e si possono utilizzare le interfacce predefinite per modellarli con l'Heat Transfer Module.

Questo tutorial descrive un caso arbitrario di asciugatura di un oggetto poroso mediante flusso laminare d'aria. L'aria è asciutta all'ingresso e il suo contenuto di umidità aumenta via via che scorre attraverso il mezzo poroso. Si concentra sui passaggi aggiuntivi necessari per implementare un flusso multifase nei mezzi porosi insieme all'evaporazione da fase liquida a gassosa. Viene calcolata la saturazione di acqua nel mezzo poroso nel tempo.

Percorso della Application Library:

Heat_Transfer_Module/Phase_Change/evaporation_porous_media_large_rate