Aggiornamenti dell'Heat Transfer Module

Agli utenti dell'Heat Transfer Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre nuove funzionalità per modellare il trasporto di calore e di umidità nell'aria, un nuovo solutore per la modellazione del trasferimento di calore nel dominio di frequenza e le parti geometriche per dissipatori di calore, per agevolare la creazione di determinate geometrie. Tutti gli aggiornamenti sono descritti in dettaglio qui di seguito.

Trasporto di calore e di umidità

COMSOL Multiphysics® versione 5.3 include diverse funzionalità per estendere ulteriormente la modellazione del trasporto di calore e di umidità nell'aria. La funzione Moist Air è ora disponibile nelle interfacce Heat Transfer in Moist Air e Moisture Transport. Questa funzione gestisce il trasporto di umidità per convezione e diffusione nell'aria, così come la miscelazione turbolenta causata dalla diffusività turbolenta, quando occorre tener conto di questo fenomeno. Le due interfacce possono essere accoppiate utilizzando la funzionalità multifisica Heat and Moisture. In questo caso, il trasporto di umidità e di calore nell'aria viene accoppiato automaticamente nei domini in cui sono definiti i materiali.

Anche la condensazione e l'evaporazione dell'acqua sulle superfici possono svolgere un ruolo importante nelle applicazioni che simulano il trasporto di umidità nell'aria. Non solo questi meccanismi influenzano il bilancio di massa tra vapore e acqua, ma influenzano anche l'equilibrio energetico dovuto al calore latente. Questo fattore è ora più facile da modellare con l'utilizzo delle condizioni al contorno Wet surface e Moist surface.

Modello di raffreddamento per evaporazione La modellazione dell'evaporazione dell'acqua in un bicchiere a causa di un flusso d'aria caldo e asciutto è semplificata dall'uso delle funzionalità predefinite per il trasporto di calore e umidità. La modellazione dell'evaporazione dell'acqua in un bicchiere a causa di un flusso d'aria caldo e asciutto è semplificata dall'uso delle funzionalità predefinite per il trasporto di calore e umidità.

Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza le nuove funzioni per il trasporto di calore e umidità:
Heat_Transfer_Module/Phase_Change_/evaporative_cooling

Trasferimento di calore nel dominio di frequenza

Quando un corpo viene sottoposto a carichi di calore sinusoidali periodici a una determinata frequenza, la sua risposta di temperatura può essere considerata periodica, sinusoidale e di pari frequenza attorno a una temperatura di equilibrio. Questo problema periodico dipendente dal tempo può essere sostituito da un problema lineare stazionario equivalente nel dominio di frequenza, molto meno costoso in termini computazionali.

Le interfacce di trasferimento di calore supportano ora un solutore Frequency-Domain Perturbation, che calcola le variazioni armoniche di temperatura attorno a uno stato di equilibrio. Inoltre, una sottofunzione Harmonic Perturbation può essere aggiunta sotto la funzione Temperature per imporre le variazioni armoniche. Le funzioni Heat Source e Boundary Heat Source possono anche agire da carichi di perturbazione se è selezionata l'opzione Harmonic Perturbation.

Parti geometriche per dissipatori di calore

Un sistema classico per raffreddare un dispositivo consiste nell'uso di un dissipatore di calore, talvolta combinato con una ventola per migliorare il raffreddamento. La Part Library nell'Heat Transfer Module contiene ora diverse parti geometriche parametrizzate per i dissipatori di calore alettati in varie sezioni e profili. Queste nuove parti semplificano l'inclusione di un dissipatore di calore in qualsiasi modello.

Nuove parti del dissipatore di calore nella Part Library Le selezioni per la parte del dissipatore di calore nella Part Library dell'Heat Transfer Module, laddove per il raffreddamento si è selezionato un dissipatore di calore alettato. Le selezioni per la parte del dissipatore di calore nella Part Library dell'Heat Transfer Module, laddove per il raffreddamento si è selezionato un dissipatore di calore alettato.

Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza una parte della Part Library dell'Heat Transfer Module:
Heat_Transfer_Module/Tutorials/Forced_and_Natural_Convection/chip_cooling

Materiali da costruzione e refrigeranti

La libreria dei materiali Building, ora disponibile con l'Heat Transfer Module, raccoglie le tipiche proprietà igroscopiche e termiche dei materiali utilizzati comunemente negli edifici: è possibile così impostare rapidamente modelli di calore e umidità utilizzando proprietà realistiche per i materiali da costruzione (v. esempio sotto). Le proprietà del materiale includono capacità termica, conducibilità termica, densità, contenuto d'acqua, permeabilità al vapore e altro. Inoltre, nel database dei materiali Liquid and Gases sono stati aggiunti due nuovi materiali refrigeranti: R-134A e R-22.

Trasformazione irreversibile nei solidi

Quando un materiale è esposto a temperature alte o basse, la sua composizione può trasformarsi in maniera irreversibile. Una parte dell'energia di trasformazione può essere consumata o rilasciata come conseguenza del cambiamento di materiale o della reazione chimica che ha luogo. L'attributo Irreversible Transformation, disponibile sotto il nodo Solid domain, consente di modellare le trasformazioni irreversibili termoindotte. Questa funzione implementa un modello Temperature threshold o Energy absorption per tener conto della trasformazione. Quindi, la generazione o la perdita di calore durante la trasformazione possono essere incluse nel bilancio energetico attraverso la definizione del cambiamento entalpico. Infine, è possibile definire diverse proprietà termiche per lo stato trasformato.

Serendipity Elements per il trasferimento di calore

Quando si utilizza il metodo agli elementi finiti, la scelta dell'elemento può avere un ruolo fondamentale nell'accuratezza e nella prestazione della simulazione. Sono stati introdotti i Serendipity Elements per applicazioni di trasferimento di calore: questi includono una funzione di forma alternativa (serendipity). Ciò significa che per un determinato ordine di elemento le funzioni di forma serendipity richiedono meno risorse computazionali rispetto alla funzione equivalente di forma lagrangiana. La funzione di forma lagrangiana è generalmente più precisa di quella di forma serendipity. Le due funzioni sono identiche per le mesh tetraedriche e triangolari.

Surface-to-Surface Radiation simmetrica con due o tre piani perpendicolari

La funzionalità globale Symmetry for Surface-to-Surface Radiation offre nuove opzioni per i modelli 2D e 3D quando è attiva un'interfaccia Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation oppure Surface-to-Surface Radiation. Questa nuova funzione può essere usata per sfruttare più piani di simmetria e ridurre la dimensione della mesh e richiede meno risorse computazionali. Nei modelli 2D si possono definire due piani perpendicolari. Nel 3D, è possibile definire due piani perpendicolari con un'intersezione parallela a uno degli assi, oppure tre piani perpendicolari paralleli all'asse.

Inoltre, nella funzionalità globale Symmetry for Surface-to-Surface Radiation è possibile visualizzare nella finestra grafica, insieme alla geometria, uno o più piani di simmetria. Risulta così più facile la definizione dei piani per ogni tipo di simmetria. Una casella di controllo consente di mostrare o nascondere i piani nella finestra grafica.

Funzione Symmetry for Surface-to-Surface Radiation

L'interfaccia utente per la funzione Symmetry for Surface-to-Surface Radiation con l'opzione Two perpendicular planes of symmetry selezionata per il tipo di simmetria.

L'interfaccia utente per la funzione Symmetry for Surface-to-Surface Radiation con l'opzione Two perpendicular planes of symmetry selezionata per il tipo di simmetria.

Nuove correlazioni per cilindro e sfera immersi in un campo di moto esterno

Nel caso di simulazioni di raffreddamento convettivo, in genere è necessario calcolare il trasferimento di calore nel fluido circostante insieme alla velocità di flusso. Tuttavia, quando il coefficiente di scambio termico è noto per la componente convettiva della configurazione studiata, è possibile ottenere una buona precisione con un basso costo computazionale modellando il trasferimento di calore solo nella fase solida e utilizzando i coefficienti di scambio termico ai contorni. Questa funzionalità era disponibile nelle versioni precedenti di COMSOL® con le opzioni Plate, averaged transfer coefficient o Plate, local transfer coefficient nell'attributo Heat Flux, selezionando l'attributo Convective heat flux. Ora sono disponibili due opzioni aggiuntive per Cylinder in cross flow e Sphere quando si definisce il coefficiente di scambio termico nel menu a tendina External forced convection.

Irraggiamento solare diffuso e diretto nei modelli Surface-to-Surface Radiation

Quando si utilizzano le funzionalità Diffuse Surface e Diffuse Mirror nei modelli Surface-to-Surface Radiation, ora c'è la possibilità di tener conto dell'irraggiamento solare diffuso. Nella sezione Ambient della finestra impostazioni di queste funzioni, è possibile selezionare l'opzione Clear sky noon diffuse horizontal irradiance, se è selezionata Include diffuse irradiation. Questo contributo viene aggiunto all'irraggiamento solare diretto (raggi solari che colpiscono direttamente le superfici) definito dalla funzione External Radiation Source e dall'opzione Clear sky noon beam normal irradiance. Entrambe le proprietà di irraggiamento solare sono definite nella sezione Ambient Settings dell'interfaccia fisica.

Differenza di temperatura automatica nella valutazione della conducibilità equivalente per la convezione

Nella funzionalità Fluid delle interfacce di trasferimento di calore, la sezione Equivalent Conductivity for Convection offre la nuova opzione Automatic per valutare la differenza di temperatura nel numero di Rayleigh quando si scelgono le correlazioni di Nusselt per le opzioni Horizontal cavity heated from below e Vertical rectangular cavity. Il software determina automaticamente la differenza di temperatura trovando la differenza tra la temperatura massima e minima dei contorni di dominio.

Termine dipendente dal tempo nella funzionalità Thin Layer

L'opzione Thermally thick approximation nella funzionalità Thin Layer ora tiene conto di un termine dipendente dal tempo, che modella l'immagazzinamento energetico dipendente dal tempo. Per il termine dipendente dal tempo si devono definire altre proprietà del materiale per Layer density e Layer heat capacity nella sezione Thermodynamics. Questa funzionalità migliora la precisione del modello quando la capacità termica di uno strato sottile è elevata rispetto ai materiali circostanti.

Funzionalità estese per Thin Film and Thin Layered Shell

Le funzioni Thin Film e Thin Layered Shell includono ora nuove funzionalità precedentemente disponibili solo per Thin Layer nell'interfaccia Heat Transfer in Solids. Si dispone così di una sottofunzione Heat Source per impostazione predefinita, nonché di una sottofunzione External Temperature, accessibile selezionando General come Thin film model nella finestra impostazioni Thin Film. Nell'interfaccia Heat Transfer in Thin Shells, la funzione Thin Film include la sottofunzione External Temperature, con un'opzione aggiuntiva per fornire le temperature Upside e Downside. La funzione Thin Layered Shell, nella stessa interfaccia, contiene le sottofunzioni Heat Source e External Temperature, incluse le temperature Upside e Downside.

Schermata con le impostazioni External Temperature

Le impostazioni per la funzionalità External Temperature offrono la possibilità di controllare la temperatura esterna su ciascun lato della shell.

Le impostazioni per la funzionalità External Temperature offrono la possibilità di controllare la temperatura esterna su ciascun lato della shell.

Miglioramenti per Ambient Data

Sono proposti tre nuovi miglioramenti per la funzionalità Ambient data, in cui l'interfaccia utente di External Radiation Source è stata sincronizzata con la funzionalità Ambient Settings. Inoltre, la temperatura ambiente è stata aggiunta come input nella funzione Isothermal Domain quando l'opzione Temperature definition è impostata su From prescribed temperature. Infine, tutte le variabili dei dati ambientali sono ora disponibili come variabili globali e possono essere utilizzate in una valutazione globale a scopo di postprocessing.

Nuovo tutorial: Electronic Chip Cooling

È presente un nuovo tutorial, che utilizza la geometria di un dissipatore di calore dalla Part Library. Il tutorial mostra diversi approcci alla modellazione del trasferimento di calore quando si studia il raffreddamento di un chip elettronico. Nella prima parte sono modellate solo le parti solide, mentre il flusso d'aria convettivo viene modellato utilizzando le condizioni al contorno Convective Heat Flux. Nella seconda parte, il modello viene esteso per includere un dominio fluido per il canale di flusso, per calcolare la temperatura e la velocità accoppiate del fluido che assume un comportamento non isotermo. Nell'ultima parte, viene preso in considerazione l'irraggiamento da superficie a superficie per verificare se contribuisce in modo significativo ai risultati.

Modello di un dissipatore di calore Distribuzione della temperatura nel dissipatore di calore montato sul chip. Distribuzione della temperatura nel dissipatore di calore montato sul chip.

Percorso dell'Application Library:
Heat_Transfer_Module/Tutorials/Forced_and_Natural_Convection/chip_cooling