传热模块简介

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1、传热模块 简介 联系信息 请访问 “ 联系 COMSOL” 页面 或搜索我们的联系地址及电话号码。您还可以访问全球销售办事处页面 contact/offices，以获取地址和联系信息。 如需联系技术支持，可以访问 COMSOL Access 页面并填写在线申请表，位于： 技术支持中心： 产品下载： 产品更新： COMSOL 博客： 用户论坛： 活动： COMSOL 视频中心： 技术支持知识库： 文档编号：CM020804 传热模块简介 19982016 COMSOL 版权所有 受 中列出的美国专利和美国专利 7,519,518、 7,596,474、 7,623,991、 8,457,932、

2、 8,954,302、 9,098,106、 9,146,652 和 9,323,503 的保护。专利申请中。 本文档和本文所述的程序根据 COMSOL 软件许可协议 ( 提供，且 仅能按照许可协议的条款进行使用和复制。 COMSOL、COMSOL 徽标、COMSOL Multiphysics、Capture the Concept、COMSOL Desktop、LiveLink 和 COMSOL Server 为 COMSOL AB 公司的注册商标或商标。所有其他商标均为其各自所有者的财产， COMSOL AB 及其子公司和产品不与上述商标所有者相关联，亦不为其正式认可、赞助或支持。相关商

3、标所有者的列表请参见 版本：COMSOL 5.2a | 3 目录目录 简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 传热模块中的基本概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 App 案例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 传热模块物理

4、场接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 物理场接口适用的空间维度和研究类型 . . . . . . . . . . . . . 18 教学案例 散热片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 模型定义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 结果 . . .

5、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 添加表面对表面辐射影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4 | | 5 简介简介 传热模块能够让产品设计师、开发工程师以及科学家使用复杂几何模型，研究 加热和冷却对设备和加工过程的影响。本模块能够模拟所有的传热机制，包括 传导、对流和辐射。传热模拟可以建立在一维，一维轴对称，二维，二维轴对 称以及三维坐标系下，进行稳态和瞬态求解。 仿真可以提

6、供高精度细节分析，能够帮助用户在设备和热处理过程中优化设计 和操作条件。 图 1： 铝制散热片和冷却空气中的温度场和流场。通过详细的几何和物理描述，求解得 到温度场和流场分布。 App 库中包括了教学模型，以及工业器件和设备对应的标准应用，用于验证和 分析。 本简介可以进一步提高用户使用 COMSOL 进行传热模拟的技能。教学案例模 拟了一个电子设备冷却的共轭传热问题，而且该原理可以应用于任何涉及有关 固体和流体传热的研究领域。 6 | 传热模块中的基本概念传热模块中的基本概念 热是一种类似于功的能量，它可以在系统内部转移，或者从一个系统转移到另 一个系统。通常情况下，这种能量可能是以动能或者

7、势能的形式储存在体系的 原子和分子中。 热传导是一种传热形式，其数值通常与体系中的温度梯度成正比，通过傅里叶 定律建立数学方程。传热模块描述体系中的热传导方程，其中的热导率，既可 以是常数，也有可能是与温度相关或者是与其他模型中的因变量相关的函数， 例如化学成分。 传导和对流 传导 辐射 图 2： 描述在一个固体周围包含流体的传热过程(共轭传热)。流体中，传热包含热传导 和对流两种方式，而固体中热传导是主要的传热机制。辐射传热可以在表面与表面之间 或者表面与环境之间进行。 对于一个流动的流体，流体流动过程必然会影响到其中的能量传递过程。这个 过程涉及到热量的对流传递，而且必须考虑是强制对流还是

8、自然对流。本模块 包括了流体中传热和共轭传热 ( 在相同体系下的固体和流体中传热 ) 的描述、 层流和湍流的描述。在湍流情况下，本模块提供了两个代数湍流模型：代数 y+ 和 L-VEL 模型，以及高雷诺数的标准 k- 模型和低雷诺数的 k- 模型用于精确 地描述共轭传热。重力特征可定义由密度差 （尤其是由密度的温度依赖性）产 生的浮力。 | 7 热辐射是第三种传热机制。可用于表面对环境辐射，表面对表面辐射，也可以 用于外部热源 （例如，太阳） 。表面对表面辐射能力基于辐射方法，也可以耦 合传热模块和粒子追踪模块来模拟混合的镜面 - 漫反射。除此之外，传热模块 还包括介质中辐射的功能，这种辐射模

9、型可以描述在两个辐射表面之间存在流 体时，对热辐射的吸收、发射和散射。本模块提供三种方式仿真介质：离散坐 标法 (DOM)， P1 法和罗瑟兰近似。 传热模块的理论基础是体系中的能量守恒定律。对于能量守恒的贡献一般包括 传导、对流和辐射，也可能包括潜热、焦耳热、热源和热沉。对于一个移动的 固体，我们也可以在传热模型中添加平移选项，比如旋转机械。使用传热模 块，还可以模拟固体变形对于热物理性能的影响。可以使用含有任意模型中的 变量 ( 比如温度和电场 ) 表达式来描述物理性能和热源 ( 或热沉 )。当使用传热 和流体流动的专用物理场接口时，一般就已经自动定义了传热方程。为了验 证，用户还可以查看

10、这些方程的数学公式。 可以从 COMSOL 的关于固体和液体的内置材料库或者附加材料库中获得诸如 热导率、热容、密度和发射率等物理性能。此外，传热模块还包含了换热系数 的计算，以及表面上的不同对流传热类型的计算公式。对于湍流传热，本模块 还可以使用湍流模型中的涡流扩散来计算湍流中的热导率 ( 有时被称为湍流热 导率 )。 模块中的建模流程非常简单直接，可以按照如下步骤进行：构建几何，选择相 关材料属性，选择传热类型，定义边界条件和初始值，剖分网格，选择求解器 进行计算，最后结果可视化。所有这些步骤都可以在 COMSOL Desktop 上找 到，其中网格和求解器常常会自动包含适用于不同传热接口

11、的默认设置。 8 | App 案例案例 无论是作为附属现象还是预期的现象，在很多物理过程和现象中，都会出现热 量的产生和传递。传热模块能够被有效地用于研究各种过程 （比如，建筑通风 效果）；用于解释湍流自然对流和传热；以及用于研究相变的影响。 传热模块的 App 库有很多来自不同工程应用的教学和标准模型，通过查看教学 案例 散热片了解如何访问 App。 App 库中的 Applications 分支中包含基于使用专用接口运行的现成模型开发的 App。这些设计好的 App 可以解决某一类问题，并呈现一个简化的图形用户界 面，可以方便的使用，甚至可供 COMSOL Multiphysics 软件使

12、用。 图 3： 翅片管道 App 的快照。该App计算了翅片管道的特性，诸如压力降，管道中的温 度降等。可以通过图形用户界面设计翅片管道，流体属性和操作条件等参数。 App 库中的 Building and Constructions 分支，包括了与建筑中节能和耗能相关的 案例模型。其中大多数案例使用对流热通量来描述结构与周围环境之间的热量 交换。模拟结果准确描述了热量和能量通量，可以使我们能够更好地进行建筑 能源的管理。 | 9 图 4： 暴露于较低温度环境中的建筑墙体的温度场。该图来自于Thermal Bridge 3d two floors案例。 App 库中的 Heat Exchang

13、ers 分支下包含有数个不同的尺寸、流动排列方式和流 动状态的换热器案例。软件预设了共轭传热接口，在接口中已经耦合了固体， 壳和层流或湍流。模拟结果显示了热交换设备的性能，比如热交换效率，压力 降或者紧凑性等。 10 | 图 5： 壳-管换热器中的壁面温度分布，其中在被薄壁分开的冷热流体之间进行热交 换。该图来自Shell-and-Tube Heat Exchanger 案例。 App 库中的 Medical Technology 分支介绍了生物加热的概念，可以考虑各种过 程对活性生物组织的影响，例如，热通量，热平衡关系中的热源或热沉。生物 加热应用的建模可以包括肿瘤的微波加热 ( 比如超高温

14、肿瘤治疗 )，微波天线 和活性生物组织的相互影响 ( 比如诊断探针的影响，或打电话过程中耳朵周围 的温度分布 )。使用生物加热方程的好处是该方程可以用于描述多种不同的活 性生物组织中的传热，可以使用不同性能、热源和热沉的经验数据。此外，损 伤积分特征可以用来模拟生物组织由于体温过高或低温造成的病变。这个接口 下的模型和模拟功能，可以对实验室和临床实验提供非常好的补充，比如开发 一个新的制定给药剂量计划的方法。 App 库中的 Phase Change 分支，有诸如金属熔化、蒸发、食物烹制等的应用。 这些模型有一个共同特征，就是根据温度场定义材料的相态，所以对于材料性 能有非常大的影响。用于描述

15、与温度相关的高度非线性材料性能的函数，会在 传热模块下的相变特征中自动生成。相变模型为我们提供了模拟材料相变的有 用信息。 | 11 App 库中的 Power Electronics and Electronics Cooling 分支， 其中的模型往往包含 了热量的产生，固相中热传递以及共轭传热 ( 这里对于冷却的描述非常详细 )。 在这些应用领域的案例，经常被用于帮助设计冷却系统以及控制电子设备和电 力系统的运行条件。 App 库中案例的结果，提供了一个了解和优化这些系统中 流动和传热机制的途径。 图 6： 计算机电源装置中的共轭传热温度场以及流线结果。 图片来自Electronic E

16、nclosure Cooling案例。 App 库中的 Thermal Contact and Friction 分支，含了热接触冷却以及摩擦热源等 案例。热接触性质能够通过在接触界面设置接触压力与结构力学相耦合。同 样，在同一个模型中也可以耦合热接触和电接触。 App 库中的 Thermal Processing 分支，包含了热加工过程的案例，例如连铸案 例。这里的大多数案例拥有一个共同的特征，就是温度场和温度变化对加工过 程中的或设备中的材料性质或物理行为有显著地影响 （热膨胀，热泳等等） 。 12 | 因为这些耦合使得过程非常复杂，建模和仿真常常可以为理解这种复杂的现象 提供有用的捷径。 图 7： 连铸案例中的温度场分布图。在模糊区(液相金属凝固)存在很大的温度梯度。 App 库中的 Thermal Radiation 分支，包含了那些为了精确模拟热通量而必须考 虑热辐射贡献的应用。这些模型的一个共同特征是模拟对象都是一些高温设 备，其中热辐射对传热的影响非常大。由于辐射传热