Heat Transfer Module

Neue App: Kühlkörper mit Rippen

Diese neue App umfasst die Geometrie eines parametrisierten Kühlkörpers und berücksichtigt die konjugierte Wärmeübertragung, wobei die Fluidströmung mit dem algebraischen Turbulenzmodell yPlus modelliert wird. Mit der App können verschiedene Kühlkörperbreiten und Rippenabmessungen bei beliebigen Kühlluftgeschwindigkeiten simuliert werden. Weiterhin kann die Anzahl der Kühlrippen variiert werden.

Berechnet werden die Kühlleistung und der mittlere Druckabfall über die Länge des Systems. Je mehr Rippen hinzugefügt werden, desto höher sind die Kühlleistung und der Druckabfall über dem Kühlkörper.

Das aus den App-Einstellungen resultierende Geschwindigkeitsprofil. Das aus den App-Einstellungen resultierende Geschwindigkeitsprofil.

Das aus den App-Einstellungen resultierende Geschwindigkeitsprofil.

Neue App: Festlegung der Abmessungen für konzentrische Rohrwärmetauscher

Diese neue App ermöglicht die Simulation eines Wärmetauschers, der aus zwei konzentrischen Rohren besteht und zwei Fluidbereiche mit unterschiedlichen Temperaturen aufweist. Die Wärmeübertragung im Wärmetauscher wird mit dem Multiphysik-Interface Nicht-isotherme Strömung modelliert. Mit dieser App werden Größen wie ausgetauschte Energie, Druckabfall und Wirkungsgrad berechnet. Die Rohrstruktur, Fluideigenschaften und Randbedingungen können angepasst werden.

Definition der Eigenschaften von Rohren bei der App für konzentrische Rohrwärmetauscher. Definition der Eigenschaften von Rohren bei der App für konzentrische Rohrwärmetauscher.

Definition der Eigenschaften von Rohren bei der App für konzentrische Rohrwärmetauscher.

Algebraische Turbulenzmodelle

Im Heat Transfer Module stehen nun die algebraischen Turbulenzmodelle yPlus und L-VEL zur Verfügung. Diese erweiterten Viskositätsmodelle eignen sich für die Analyse von Strömungen in z. B. Geräten zur Kühlung von Elektronikkomponenten. Die algebraischen Turbulenzmodelle sind weniger rechenintensiv und stabiler, jedoch im Allgemeinen weniger genau als Transportgleichungsmodelle wie das k−ε Modell. Diese Turbulenzmodelle stehen im Interface Einphasen-Strömung und in den Multiphysik-Interfaces Nicht-isotherme Strömung und Konjugierter Wärmetransport zur Verfügung.

Stromlinien in einem Stromversorgungsgerät, die mit dem algebraischen Turbulenzmodell yPlus berechnet wurden. Stromlinien in einem Stromversorgungsgerät, die mit dem algebraischen Turbulenzmodell yPlus berechnet wurden.

Stromlinien in einem Stromversorgungsgerät, die mit dem algebraischen Turbulenzmodell yPlus berechnet wurden.

Lokales thermisches Nichtgleichgewicht-Multiphysik-Interface

Das Multiphysik-Interface Lokales thermisches Nichtgleichgewicht (Local Thermal Non-Equilibrium, LTNE) ermöglicht die Analyse der Wärmeübertragung in porösen Medien auf der Makroebene, wobei die Temperaturen in der Matrix des porösen Mediums und dem Fluid sich nicht im Gleichgewicht befinden. Diese Analysemethode für die Wärmeübertragung in porösen Medien unterscheidet sich von einfacheren Methoden auf Makroebene darin, dass die Temperaturdifferenzen zwischen der Feststoff- und Fluidphase berücksichtigt werden. Dieses Interface eignet sich zur Analyse der schnellen Erwärmung oder Abkühlung eines porösen Mediums durch ein heißes Fluid oder der internen Wärmeentwicklung in einer der Phasen (aufgrund induktiver oder Mikrowellenerwärmung, exothermer Reaktionen usw.). Dieses Erwärmungsverhalten tritt zum Beispiel in nuklearen Anlagen, elektronischen Systemen oder Brennstoffzellen auf.

Coupled Porous Media Flow and Turbulent Flow

The Single-Phase Flow interfaces can now model turbulent flow in a free medium that is coupled to a porous medium. You can activate this functionality by adding a Fluid and Matrix Properties domain node for the Algebraic yPlus or L-VEL turbulence models. These turbulence models are only available in the CFD and Heat Transfer Modules, but you can still couple them to Porous media flow interfaces available in other modules.

You can either start with a porous media flow interface and add a free-flow domain or you can start with a free-flow interface and add a porous domain. The Enable porous media domains checkbox adds the Fluid and Matrix Properties feature. The Brinkman equations are solved in the porous domains and the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved in the free-flow domains.

Finally, your modeling capabilities have been extended by the fact that the Forchheimer term can be added to the equations for porous media flow. This allows for the description of high interstitial velocities (i.e., high velocities in the pores).

Die Abbildung zeigt einen porösen Filter im hinteren Teil des Modells, welcher durch eine perforierte Platte vom vorderen Strömungsbereich getrennt ist. Eine Strömung wird durch den Filter gepumpt und die Effekte des porösen Mediums sowie der Perforationen in der Platte werden automatisch berücksichtigt. Die Abbildung zeigt einen porösen Filter im hinteren Teil des Modells, welcher durch eine perforierte Platte vom vorderen Strömungsbereich getrennt ist. Eine Strömung wird durch den Filter gepumpt und die Effekte des porösen Mediums sowie der Perforationen in der Platte werden automatisch berücksichtigt.

Die Abbildung zeigt einen porösen Filter im hinteren Teil des Modells, welcher durch eine perforierte Platte vom vorderen Strömungsbereich getrennt ist. Eine Strömung wird durch den Filter gepumpt und die Effekte des porösen Mediums sowie der Perforationen in der Platte werden automatisch berücksichtigt.

Kopplung von nicht isothermen Strömungen in porösen Bereichen

In COMSOL Multiphysics 5.1 wurde das Interface Einphasen-Strömung in den folgenden Modulen um Fluid- und Matrixeigenschaften erweitert: Batteries and Fuel Cells, CFD, Chemical Reaction Engineering, Corrosion, Electrochemistry, Electrodeposition, Microfluidics und Subsurface Flow.

Zusätzlich wurde der Multiphysik-Kopplungsknoten für nicht isotherme Strömungen im Heat Transfer Module und CFD Module aktualisiert. Sie können nun multiphysikalische Phänomene simulieren, die eine Kopplung mit der Wärmeübertragung in porösen Medien und den Fluid- und Matrixeigenschaften erfordern. Mit dem Knoten können nicht isotherme Strömungen in porösen Medien modelliert werden, die beispielsweise durch natürliche Konvektion aufgrund einer variablen Temperaturverteilung in der Matrix eines porösen Mediums verursacht werden. In porösen Medien-Bereichen können auch viskose Verluste und die Auswirkungen von Druckkräften berücksichtigt werden.

Nicht isotherme Turbulenzströmungen können auch mit dem Multiphysik-Kopplungsknoten für nicht isotherme Strömungen simuliert werden. Bei der Simulation wird das algebraische Turbulenzmodell für die freien Bereiche mit den Strömungen im porösen Medium gekoppelt.

Strahlenenergieeinbringung

Die neue Funktion Eingebrachte Strahlleistung für 3D-Anwendungen ermöglicht die Modellierung von schmalen Laser-, Elektronen- und Ionenstrahlenbündeln, die Energie in einen örtlich begrenzten Bereich einbringen. Die Strahleneigenschaften und der Profiltyp können mit verschiedenen Optionen definiert werden: Gaußsche oder zylinderscheibenförmige Verteilung. Sie können auch den Ursprung, den Richtungsvektor, die Dicke und die eingebrachte Energie eines Strahls definieren. Aus diesen festgelegten Parametern wird der Schnittpunkt mit den ausgewählten Grenzen bestimmt, und eine örtlich begrenzte Wärmequelle wird entsprechend der ausgewählten Verteilungsfunktion angewendet.

Marangoni-Effekt

Mit einer neuen Multiphysik-Randbedingung kann eine einphasige Strömung mit den Wärmeübertragungs-Interfaces gekoppelt werden, um den Marangoni-Effekt zu modellieren, der durch eine temperaturabhängige Oberflächenspannung induziert wird. Eine Marangoni-Konvektion bzw. Thermokapillar-Konvektion tritt auf, wenn die Oberflächenspannung an einer Grenzschicht (in der Regel Flüssigkeit-Luft-Grenzschicht) temperaturabhängig ist. Diese Konvektionsart spielt eine wichtige Rolle beim Schweißen, beim Kristallwachstum und beim Schmelzen von Metallen mittels Laser- oder Elektronenstrahlen.

Isotherme Oberflächen, Strömungsrichtung auf der Oberfläche (Pfeile) und Stromlinien im Fluid, die durch den Marangoni-Effekt in einem flüssigen Metall, das durch einen Laserstrahl geschmolzen wurde, induziert werden. Isotherme Oberflächen, Strömungsrichtung auf der Oberfläche (Pfeile) und Stromlinien im Fluid, die durch den Marangoni-Effekt in einem flüssigen Metall, das durch einen Laserstrahl geschmolzen wurde, induziert werden.

Isotherme Oberflächen, Strömungsrichtung auf der Oberfläche (Pfeile) und Stromlinien im Fluid, die durch den Marangoni-Effekt in einem flüssigen Metall, das durch einen Laserstrahl geschmolzen wurde, induziert werden.

Optimierte Standard-Vernetzungseinstellungen bei Wärmeübertragungs-Interfaces

Bei den Standard-Vernetzungseinstellungen bei allen Wärmeübertragungs-Interfaces werden periodische Bedingungen und Paarbedingungen verwendet. Wenn diese Bedingungen aktiviert sind, wird ein identisches Netz an den Quell- und Zielgrenzen verwendet, um den durch die Extrapolation induzierten numerischen Fehler zu minimieren. Der Fehler tritt auf, wenn die Netze auf beiden Seiten nicht deckungsgleich sind. Weiterhin wird mit dem physikabhängigen Vorschlag zur automatischen Vernetzung die Vernetzung für infinite Elemente automatisiert. Mit der neuen Vorschlagsfunktion zur automatischen Vernetzung wird die extrudierte (3D) oder strukturierte (2D) Vernetzung automatisch auf Bereiche mit infiniten Elementen angewendet.

Das für Bereiche mit infiniten Elementen (grau) erstellte Standardnetz, das einen Bereich mit einem gewöhnlichen Netz (farbige Elemente) umschließt. Das für Bereiche mit infiniten Elementen (grau) erstellte Standardnetz, das einen Bereich mit einem gewöhnlichen Netz (farbige Elemente) umschließt.

Das für Bereiche mit infiniten Elementen (grau) erstellte Standardnetz, das einen Bereich mit einem gewöhnlichen Netz (farbige Elemente) umschließt.

Zusätzliche Korrelationen für Wärmeübertragungskoeffizienten

Der Bibliothek für Wärmeübertragungskoeffizienten wurden zwei Korrelationen für Konvektion hinzugefügt, die einer externen natürlichen Konvektion entsprechen: Konvektion um eine Kugel und um einen langen horizontalen Zylinder. Mit diesen Wärmeübertragungskoeffizienten kann der Simulationsaufwand gesenkt werden, indem die Strömungsberechnung und die Wärmekonvektion im Fluid durch eine Wärmefluss-Randbedingung auf den Festkörperrändern ersetzt werden.

Vordefinierte Funktionen für Schwarzkörper-Strahlungsintensität und -Strahlungsenergie

Die Wärmeübertragungs-Interfaces bieten die neuen Funktionen ht.fIb(T) und ht.feb(T), mit denen die Strahlungsintensität und Strahlungsenergie bei Schwarzkörpern ermittelt werden können. Bei beiden Funktionen wird der Brechungsindex der Medien berücksichtigt. Da diese Größen als Funktionen der Schwarzkörpertemperatur definiert werden, können sie für beliebige Temperaturen ermittelt werden. Beispiel: ht.feb(5770[K]) gibt die Strahlungsenergie bei 5770 K ab. Dies ist die Temperatur, mit der die Sonne als Schwarzkörper modelliert wird.

Verbesserte Funktion für dünne Schichten

Mit der Funktion Dünne Schicht werden besonders dünne Strukturen modelliert, die wesentliche Auswirkungen auf die Gesamtergebnisse des Modells haben. Ungeachtet der geringen Abmessungen der Schichten kann die Temperatur abhängig von der Schichtdicke erheblich variieren. Diese Funktion bietet nun neben einfacher Wärmeleitung auch weitere Phänomene, wie Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlungsrandbedingung, isotherme Bereiche oder thermische Wandfunktionen.

Wärmetransport in biologischem Gewebe jetzt fünfmal schneller

Für Erwärmung von biologischem Gewebe bringt eine neue Lösungsmethode eine mehr als fünffache Berechnungszeitverkürzung. Diese Beschleunigung ist verfügbar für integrale Hyperthermieanalysen, wenn die Option Temperaturschwelle aktiv und überschritten ist. Zusätzlich wurde die Erkennung von Überschreitungen der Beschädigungstemperatur verbessert.

Refaktorisierte Gleichungen im Gleichungsabschnitt

Die im Bereich Gleichung angezeigten Gleichungen sind nun verständlicher und einheitlicher.

Beispiel einer verbesserten Gleichungsdarstellung für die Wärmeübertragung in Fluiden. Beispiel einer verbesserten Gleichungsdarstellung für die Wärmeübertragung in Fluiden.

Beispiel einer verbesserten Gleichungsdarstellung für die Wärmeübertragung in Fluiden.

Neue Übung: Modellierung einer konischen dielektrischen Messsonde zur Hautkrebsdiagnose

Bei einer Millimeterwelle mit einer Frequenz von 35 GHz und 95 GHz wird die Ansprechempfindlichkeit erheblich von Wasser beeinflusst. Beim Modell in dieser Simulationsanwendung wird zur nichtinvasiven Krebsdiagnose mithilfe einer 35-GHz-Ka-Band-Millimeterwelle mit geringer Leistung deren Reflexionsgrad bezüglich Feuchtigkeit ermittelt.

Da Hauttumore mehr Feuchtigkeit als gesunde Haut enthalten, führen sie zu einem höheren Reflexionsgrad in diesem Frequenzband. Mit der Messsonde können somit Abweichungen in Tumorbereichen in Form von S-Parametern erkannt werden. Ein kreisförmiger Wellenleiter im dominierenden Modus und eine konisch zulaufende dielektrische Messsonde können schnell analysiert werden. Die Strahlungscharakteristik der Messsonde wird mit einem achsensymmetrischen 2D-Modell untersucht. Weiterhin können Temperaturabweichungen der Haut und der Anteil des nekrotischen Gewebes ermittelt werden.

Die Simulation zeigt, dass die durch die Messsondenstrahlung induzierte Temperaturabweichung nach 10 Minuten weniger als 0,06 K beträgt. Die Simulation zeigt, dass die durch die Messsondenstrahlung induzierte Temperaturabweichung nach 10 Minuten weniger als 0,06 K beträgt.

Die Simulation zeigt, dass die durch die Messsondenstrahlung induzierte Temperaturabweichung nach 10 Minuten weniger als 0,06 K beträgt.

Neue Übung: Verdampfung in porösen Medien mit einer geringen Verdampfungsrate

Der Verdampfungsprozess in porösen Medien spielt beispielsweise in der Lebensmittelindustrie und papierverarbeitenden Industrie eine wichtige Rolle. Bei diesem Prozess müssen zahlreiche physikalische Effekte berücksichtigt werden, wie die Fluidströmung, die Wärmeübertragung und der Transport der beteiligten Flüssigkeiten. In dieser Übung wird die laminare Luftströmung durch ein feuchtes poröses Medium beschrieben. Am Einlass ist die Luft noch trocken, und während sie durch das poröse Medium strömt, steigt ihr Feuchtigkeitsgehalt. Die Verdampfungsrate ist so gering, dass die induzierten Änderungen der Eigenschaften des porösen Mediums vernachlässigt werden können.

Aktualisierte Übung: Thermosflasche

Mit dieser Anwendung kann berechnet werden, wie viel Wärme eine mit heißer Flüssigkeit gefüllte Thermosflasche im Laufe der Zeit abgibt. Der Temperaturverlauf wird mit der neuen Funktion für isotherme Bereiche verfolgt.

Temperaturabfall bei Kaffee (links) und das Endtemperaturprofil (rechts) nach 10 Stunden bei einer Thermosflasche. Temperaturabfall bei Kaffee (links) und das Endtemperaturprofil (rechts) nach 10 Stunden bei einer Thermosflasche.

Temperaturabfall bei Kaffee (links) und das Endtemperaturprofil (rechts) nach 10 Stunden bei einer Thermosflasche.

Aktualisierte Übung: Kühlung elektronischer Komponenten

Diese App modelliert Strömungen mit dem neuen algebraischen Turbulenzmodell yPlus. Sie können die Strömung in Geräten schneller modellieren, wobei die Vernetzungs- und Solver-Einstellungen vereinfacht wurden. Dies ermöglicht ein schnelleres Einrichten von Modellen. Die Anwendung löst 1.1 Millionen Freiheitsgrade und benötigt dazu einen Speicherplatz von ca. 6 GB.

Temperaturprofil eines Stromversorgungsgeräts, das durch eine turbulente Strömung gekühlt wird – basiert auf dem neuen algebraischen Turbulenzmodell yPlus. Temperaturprofil eines Stromversorgungsgeräts, das durch eine turbulente Strömung gekühlt wird – basiert auf dem neuen algebraischen Turbulenzmodell yPlus.

Temperaturprofil eines Stromversorgungsgeräts, das durch eine turbulente Strömung gekühlt wird – basiert auf dem neuen algebraischen Turbulenzmodell yPlus.

Neue Übung: Berechnung des Sichtfaktors

Für zwei konzentrische Kugeln, die sich gegenseitig bestrahlen, werden die geometrischen Sichtfaktoren berechnet. Anschließend werden die Simulationsergebnisse mit den exakten analytischen Werten verglichen.

Geometrische Benchmark-Konfiguration einer App zur Sichtfaktorenberechnung zweier konzentrischer Kugeln, die sich gegenseitig bestrahlen. Geometrische Benchmark-Konfiguration einer App zur Sichtfaktorenberechnung zweier konzentrischer Kugeln, die sich gegenseitig bestrahlen.

Geometrische Benchmark-Konfiguration einer App zur Sichtfaktorenberechnung zweier konzentrischer Kugeln, die sich gegenseitig bestrahlen.