Heat Transfer Module Per la modellazione dello scambio termico in solidi e fluidi

Generazione, consumo e scambio di calore

L'Heat Transfer Module consente di analizzare gli effetti del riscaldamento e del raffreddamento in dispositivi, componenti o processi. Il modulo offre strumenti di simulazione per studiare i meccanismi di scambio termico – conduzione, convezione e irraggiamento – spesso in correlazione ad altri fenomeni fisici, coinvolgendo per esempio la meccanica strutturale, la fluidodinamica, l'elettromagnetismo e le reazioni chimiche. In questo contesto, l'Heat Transfer Module funge da piattaforma per tutti i settori e le applicazioni possibili, dove la generazione, il consumo o lo scambio di calore o energia è di importanza fondamentale o contribuisce significativamente al processo studiato.

Proprietà termodinamiche e dati dei materiali

L'Heat Transfer Module contiene un database che raccoglie molte proprietà termodinamiche dei materiali, quali i fluidi e i gas più comuni, necessarie per effettuare analisi accurate. Tra queste, la conducibilità termica, la capacità termica e la densità. Anche la Material Library è un'ottima fonte da cui ricavare le proprietà dei materiali poiché contiene i dati o le relazioni algebriche di oltre 2.500 materiali solidi con alcune loro proprietà, tra le quali il modulo di Young e la conducibilità elettrica, dipendenti dalla temperatura. L'Heat Transfer Module consente anche l'importazione da Excel® e MATLAB® di dati, termodinamici e non solo, e il collegamento a database esterni di dati termodinamici attraverso lo standard CAPE-OPEN.

Altre immagini:

  • Scambio termico coniugato: una ventola e una griglia forata generano un flusso d'aria nell'involucro di un alimentatore per computer per ridurre il riscaldamento interno.
  • Contatto termico: la corrente elettrica produce riscaldamento per effetto Joule in un interruttore a contatto. Le resistenze di tipo termico ed elettrico nei punti di contatto sono accoppiate alla pressione di contatto meccanico sull'interfaccia.
  • Riscaldamento a induzione: le alte temperature che si creano in un forno a pareti calde per la lavorazione dei semiconduttori sono la risultante del riscaldamento a induzione. Sono considerati sia l'irraggiamento superficiale tra una lastra di silicio e le pareti del forno sia la conduzione e la convezione.
  • Irraggiamento: la convezione libera dell'argon avviene per variazioni della densità causate dai differenziali di temperatura. Questi sono dovuti all'accoppiamento dell'irraggiamento termico con lo scambio termico per conduzione e convezione.
  • Cambiamento di fase: un'asta di ghiaccio è mantenuta al punto di congelamento a un'estremità e a 80 gradi Celsius all'altra. Il grafico ne indica il profilo di temperatura nel tempo prendendo in considerazione il calore latente e la differenza tra le proprietà del solido e del materiale, come conducibilità e capacità termica.
  • Strati sottili: simulazione di un circuito di riscaldamento che comprende riscaldamento Joule indotto da corrente continua, scambio termico e analisi della meccanica strutturale di uno strato sottile resistivo su una lastra di vetro.

Un flusso di lavoro unificato

L'Heat Transfer Module è unico nel panorama della modellazione, poiché è uno strumento dedicato alla simulazione degli effetti termici sui processi di lavorazione e sulla progettazione di prodotti. COMSOL adotta un approccio unificato per la configurazione del modello e l'esecuzione delle simulazioni, per studiare lo scambio termico e tutti gli altri fenomeni fisici che influenzano le applicazioni finali. Avrete quindi a disposizione uno strumento standard per comunicare i risultati delle vostre analisi a colleghi che stanno studiando fenomeni diversi. Indipendentemente dal fenomeno fisico che voi o i vostri colleghi studiate all'interno di una particolare applicazione, il flusso di lavoro è uniforme e lineare e si articola nelle seguenti fasi:
  • Importazione o disegno della geometria del dispositivo o del sistema in esame
  • Selezione dei dati dei materiali o delle relazioni dagli stessi file, utilizzando proprietà costanti o dipendenti dalla temperatura
  • Scelta dello schema di calcolo migliore per trattare lo scambio termico del sistema sulla base dell'ampia gamma di interfacce su misura che possono dipendere o meno da altri fenomeni fisici accoppiati al sistema
  • Inclusione di altri effetti fisici accoppiati con gli effetti dello scambio termico
  • Definizione delle condizioni e dei vincoli sul contorno del sistema
  • Generazione della mesh del sistema. Questa o le sue derivate vengono poi utilizzate in simulazioni diverse
  • Esecuzione del calcolo per l'individuazione di una soluzione, con un solutore e impostazioni appropriate per l'analisi da effettuare
  • Elaborazione e visualizzazione dei risultati e presentazione negli stessi grafici e figure, anche provenienti da simulazioni diverse

Piattaforma unificata per simulare gli effetti termici sui processi di lavorazione e sui progetti di prodotti

Insieme a COMSOL Multiphysics e alla sua ampia gamma di moduli aggiuntivi, COMSOL offre uno strumento unificato per studiare tutti gli aspetti di un progetto o processo, a prescindere dai fenomeni fisici oggetto di studio. Si può modellare il riscaldamento Joule dei dispositivi di un sistema in una prima fase, il loro raffreddamento per ventilazione del sistema in un'altra e le sollecitazioni termiche cui sono soggetti in una fase ancora successiva. Oppure è possibile simulare tutti gli effetti anche contemporaneamente.
Lo scambio termico è un effetto fisico importante, per lo più considerato in relazione ad altri effetti fisici. I campi di temperatura portano a sollecitazioni termiche, mentre i campi elettromagnetici creano riscaldamento resistivo, per induzione, a microonde e a radiofrequenza. L'analisi della fluidodinamica su componenti diversi è essenziale per capire come raffreddarli, mentre le variazioni di temperatura esercitano un forte impatto sulle proprietà del materiale e sul loro comportamento fisico durante vari tipi di lavorazione termica, come fusione o saldatura. L'Heat Transfer Module prevede diverse interfacce utente per facilitare la modellazione dello scambio termico accoppiato con altri fenomeni e può essere integrato in uno qualsiasi degli altri moduli della suite di prodotti COMSOL®.

I meccanismi di scambio termico

Caratteristica fondamentale dell'Heat Transfer Module è la capacità di eseguire calcoli relativi alla conservazione del calore, ossia bilanci di energia, in cui vengono considerati diversi fenomeni come perdite meccaniche, calore latente, riscaldamento Joule o calore di reazione. L'Heat Transfer Module offre interfacce preconfigurate, le cosiddette interfacce fisiche, pronte a ricevere i dati di input del modello tramite l'interfaccia grafica utente (GUI) e a utilizzarli per formulare i bilanci di energia. Come con tutte le interfacce fisiche all'interno della suite di prodotti COMSOL, è possibile modificare le equazioni già presenti per una maggiore flessibilità nella definizione dei meccanismi di trasferimento, indicando ad esempio fonti di calore specifiche o accoppiando altri fenomeni fisici.
Conduzione
L'Heat Transfer Module prevede lo scambio termico per conduzione in solidi e liquidi, da soli o combinati, e fornisce accesso illimitato alla conducibilità termica per definire la sua dipendenza dalle variabili, spesso come funzione della temperatura. Il calcolo automatico delle coordinate curvilinee di geometrie arbitrarie, unito alla capacità di definire le proprietà anisotrope dei materiali, assicura rappresentazioni fedeli degli effetti termici su strutture anisotrope come i materiali compositi.
Irraggiamento
L'Heat Transfer Module supporta la modellazione dell'irraggiamento in vari scenari e comprende solutori specializzati per simulare tale fenomeno e accoppiarlo a convezione e conduzione. L'Heat Transfer Module offre gli strumenti per modellare l'irraggiamento da superficie ad ambiente, da ambiente a superficie e tra superfici in mezzi trasparenti, opachi e semiopachi.
Il modulo utilizza il metodo della radiosità per modellare l'irraggiamento tra superfici e permette di considerare le proprietà di superficie dipendenti dalla lunghezza d'onda per poter considerare fino a cinque bande spettrali simultaneamente nello stesso modello. Questo metodo è appropriato per modellare l'irraggiamento solare, dove l'assorbività della superficie per lunghezze d'onda corte (banda spettrale solare) può differire dall'emissività della superficie per le lunghezze d'onda maggiori (banda spettrale ambiente). Per ogni banda spettrale è anche possibile definire le proprietà di trasparenza. L'Heat Transfer Module modella anche lo scambio termico radiativo in mezzi semiopachi, che considera assorbimento, emissione e dispersione della radiazione termica in tali mezzi.
Convezione
La presenza di fluidi nei sistemi introduce chiaramente, nelle applicazioni di scambio termico, il fenomeno della convezione e i contributi dell'energia, attraverso il lavoro delle forze di pressione e gli effetti viscosi. L'Heat Transfer Module supporta questi processi e tiene conto della convezione sia forzata sia libera o naturale. Offre inoltre un'interfaccia fisica specifica per lo scambio termico coniugato, dove domini solidi e liquidi vengono modellati nello stesso sistema. Per tener conto della fluidodinamica, l'Heat Transfer Module offre interfacce fisiche con cui modellare il flusso laminare e turbolento sulla base dei modelli di turbolenza k-ε a basso/alto numero di Reynolds. In tutti i casi di flusso, gli effetti di galleggiamento naturale che si verificano a causa di differenze di temperatura sono presi in considerazione per default assumendo un flusso di tipo non isotermico. L'integrazione dei modelli di scambio termico con il CFD Module consente di eseguire ulteriori simulazioni di fluidodinamica, con modelli di turbolenza alternativi o riguardanti il flusso in mezzi porosi e il flusso bifase.
L'Heat Transfer Module include anche funzionalità per semplificare la simulazione della convezione, quando la modellazione completa della fluidodinamica non garantisce un livello di precisione maggiore o risulta proibitiva per la scarsezza di risorse computazionali. Le funzionalità sono disponibili attraverso una libreria incorporata di coefficienti di scambio termico e possono essere utilizzate per simulare il trasferimento di calore tra l'ambiente che circonda il sistema preso in esame e i contorni mediante convezione forzata o naturale. Il modulo contiene anche le relazioni per diversi tipi di configurazioni geometriche, come camini o piastre (verticali, orizzontali o inclinate) e diversi fluidi esterni (aria, acqua e olio).

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