Модуль «Теплопередача»
Программное обеспечение для моделирования широкого класса задач о теплопередаче в твердых телах и жидкостях
Распределение температуры в межтрубном пространстве и вдоль одной из труб теплообменника
Образование, поглощение и передача тепла
Модуль «Теплопередача» (Heat Transfer Module) помогает исследовать влияние нагрева и охлаждения на различные устройства, детали или процессы. Инструменты, которые содержит данный модуль, позволяют изучать механизмы теплопередачи — теплопроводность, конвекцию и излучение, зачастую вместе с другими физическими явлениями из области, например, механики конструкций, гидродинамики, электромагнетизма и химических реакций. В некотором смысле, модуль «Теплопередача» является общей платформой для решения задач из самых разных отраслей промышленности, когда выделение, поглощение или передача теплоты или иных видов энергии является определяющим или существенно важным процессом.
Теплофизические свойства веществ
Модуль «Теплопередача» содержит встроенную базу данных термодинамических и теплофизических свойств жидкостей и газов. В базе данных имеются сведения о теплопроводности, теплоемкости и плотности веществ. Кроме того, огромный массив экспериментальных и расчетных данных о свойствах более чем 2500 различных веществ и материалов содержится в отдельном модуле «Библиотека материалов» (Material Library), причем многие свойства, например, модуль Юнга и электрическая проводимость, определены как функции от температуры. Модуль «Теплопередача» также поддерживает импорт термодинамических и иных свойств веществ из приложений Excel® и MATLAB®, а также подключение внешних термодинамических баз данных с использованием интерфейсного стандарта CAPE-OPEN.
Дополнительные изображения с примерами:
Единый рабочий процесс
Модуль «Теплопередача» уникален, поскольку является специализированным инструментом для моделирования тепловых явлений в производственных процессах и элементах промышленного оборудования. COMSOL Multiphysics® использует единый подход к построению моделей как тепловых процессов, так и других физических явлений. Таким образом, вы получаете стандартный инструмент для взаимодействия с инженерами и техническими отделами, изучающими другие процессы в других областях физики. Независимо от того, с какими физическими явлениями вы и ваши коллеги имеете дело в конкретном случае, ваш рабочий процесс будет единообразным, понятным и будет включать следующие этапы:
- Импорт или создание геометрии соответствующего устройства или системы
- Выбор веществ или материалов из единого набора файлов с использованием постоянных, либо зависящих от температуры физических свойств
- Оптимальное описание теплопередачи в моделируемой системе с помощью специализированных интерфейсов, которые могут устанавливать взаимосвязь с другими физическими явлениями, происходящими в данной системе
- Учет в рамках одной модели разных физических явлений, связанных с переносом теплоты
- Задание условий однозначности на границах расчетной области
- Построение расчетной сетки и последующее использование этой же или производных сеток для различных вариантов моделирования
- Запуск процесса решения с применением предварительно настроенного под конкретную задачу решателя
- Обработка и визуализация полученных результатов, построение графиков и диаграмм, в том числе на основе результатов, полученных для различных вариантов задачи
Единая платформа для моделирования тепловых явлений в производственных процессах и элементах промышленного оборудования
Вместе с пакетом COMSOL Multiphysics® и множеством модулей расширения, компания COMSOL® предлагает универсальный инструмент для моделирования самых разных физических явлений. Например, Вы можете сначала рассчитать джоулев нагрев системы, потом — ее охлаждение воздухом, а затем температурные напряжения, возникшие в системе. Более того, можно моделировать все эти процессы одновременно.
Теплопередача — важное явление, которое обычно сопровождает другие физические процессы. Температурные поля вызывают возникновение термических напряжений, а электромагнитные поля являются причиной резистивного, индукционного, микроволнового и радиочастотного тепловыделения. Течение жидкости в различных деталях и компонентах оказывает определяющее влияние на их охлаждение, а изменение температуры существенно сказывается на физических свойствах веществ и их характеристиках при термообработке, например, при литье или сварке. Модуль теплопередачи включает в себя ряд пользовательских интерфейсов для облегчения моделирования теплопередачи в сочетании с другими явлениями и может интегрироваться с любыми другими модулями пакета COMSOL®.
Механизмы теплопередачи
Основное назначение модуля теплопередачи — решение уравнения сохранения энергии с учетом различных физических явлений, таких как диссипация механической энергии, фазовые переходы, джоулев нагрев или химические реакции, сопровождающиеся тепловым эффектом. В данном модуле имеются готовые физические интерфейсы, с помощью которых уравнение сохранения энергии решается на основе исходных параметров модели, заданных через графический пользовательский интерфейс (GUI). Как и во всех прочих интерфейсах пакета COMSOL Multiphysics®, здесь имеется возможность изменять исходные уравнения, чтобы обеспечить гибкую модификацию механизмов теплопередачи, задавать специфические источники тепла или подключать другие физические явления.
Теплопроводность
Модуль «Теплопередача» предоставляет средства для анализа переноса тепла за счет теплопроводности в твердых телах, жидкостях и газах, или в их комбинации, и содержит большой набор данных о теплопроводности различных веществ, часто с учетом ее зависимости от температуры. Кроме того, модуль позволяет моделировать перенос тепла теплопроводностью в анизотропных средах и телах сложной геометрической формы, что дает возможность с высокой точностью моделировать тепловые процессы, например, в композитных материалах.
Излучение
Специализированные алгоритмы модуля «Теплопередача» позволяют решать некоторые задачи о переносе тепла излучением, в том числе сопряженные задачи, когда теплообмен осуществляется также конвекцией и теплопроводностью. В модуле имеются инструменты для моделирования излучения с поверхности в окружающую среду, из окружающей среды на поверхность и с поверхности на поверхность в прозрачных, непрозрачных или взаимодействующих с излучением средах.
Для моделирования излучения между поверхностями в модуле применяется метод излучательности, а также учитываются поверхностные свойства, зависящие от длины волны, при этом одновременно можно рассматривать до пяти спектральных диапазонов в одной модели. Это удобно при моделировании солнечного излучения, когда показатель поглощения поверхностью коротких волн (соответствующих диапазону солнечного света) может отличаться от показателя излучения с поверхности более длинных волн (спектральный диапазон излучения внешней среды). Кроме того, для каждого спектрального диапазона можно определить характеристики прозрачности. Модуль также позволяет моделировать перенос тепла во взаимодействующих с излучением средах с учетом поглощения, выделения и рассеивания теплового излучения.
Конвекция
Если в системе имеются движущиеся массы жидкости или газа, тогда перенос тепла определяется еще одним механизмом — конвекцией, которая сопровождается появлением дополнительных источников теплоты, связанных с работой сил давления и вязкой диссипацией. Модуль «Теплопередача» позволяет с легкостью моделировать как вынужденную, так и свободную конвекцию. В нем имеется специальный физический интерфейс для расчета различных механизмов переноса тепла в твердых телах и жидкостях в рамках одной модели. В модуле реализованы интерфейсы для моделирования ламинарного и турбулентного режимов течения, причем в модуль включены стандартная и низкорейнольдсовая k-ε модели турбулентности. В любом из режимов неизотермического течения можно учесть действие сил плавучести, возникающих вследствие неоднородности плотности жидкости в поле действия массовых сил, например, силы тяжести. Использование дополнительного модуля «Вычислительная гидродинамика» (CFD Module) позволяет создавать более сложные модели неизотермического течения жидкостей и газов, в том числе с помощью дополнительных моделей турбулентности, моделей течения в пористых средах и двухфазных потоков.
Кроме того, в модуле «Теплопередача» имеются инструменты, которые помогут упростить расчет конвективного теплообмена в тех случаях, когда полное решение гидродинамических уравнений не дает преимущества в точности или требует чрезмерно большого объема вычислений. Модуль содержит встроенные библиотеки коэффициентов теплоотдачи, с помощью которых можно рассчитать перенос тепла на внешней границе моделируемой системы при вынужденной или естественной конвекции. В эти библиотеки включены соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи при внешнем обтекании объектов различных геометрических форм, например, труб или плоских поверхностей (вертикальных, наклонных и горизонтальных).