Heat Transfer Module

Analysieren Sie thermische Effekte mit erstklassiger Simulationssoftware

Analysieren Sie den Wärmetransport durch Leitung, Konvektion und Strahlung mit dem Heat Transfer Module, einem Zusatzprodukt zur COMSOL Multiphysics® Simulationsplattform. Das Heat Transfer Module enthält eine umfassende Reihe von Features für die Untersuchung von thermischen Designs und Auswirkungen von Wärmelasten. Sie können die Temperaturfelder und Wärmeströme in Komponenten, Gehäusen und Gebäuden modellieren. Um das reale Verhalten eines Systems oder Designs virtuell zu untersuchen, können Sie mit den in der Software enthaltenen Multiphysik-Modellierungsfunktionen mehrere physikalische Effekte einfach in einer Simulation verbinden.

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Ein Modellbild einer LED-Glühbirne, das den Flüssigkeitsstrom um die Birne sowie die Temperatur und den Flüssigkeitsstrom im Inneren der Birne zeigt.

Formen des Wärmetransports

Alle Funktionen des Heat Transfer Module basieren auf den drei Arten des Wärmetransports: Leitung, Konvektion und Strahlung. Die Wärmeleitung in einem beliebigen Material kann eine isotrope oder anisotrope Wärmeleitfähigkeit haben, und sie kann konstant oder eine Funktion der Temperatur sein. Konvektion, die Bewegung von Fluiden in Wärmetransportsimulationen, kann erzwungene oder freie (natürliche) Konvektion sein. Die Wärmestrahlung kann durch Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche oder durch Strahlung in halbtransparenten Medien berücksichtigt werden.

Es gibt viele Variationen innerhalb der Wärmetransportmodi, und die verschiedenen Modi müssen zusammen berücksichtigt werden - in einigen Fällen sogar alle drei gleichzeitig. All dies erfordert verschiedene Gleichungen, die simultan behandelt werden müssen, um genaue Modelle zu gewährleisten. Das Heat Transfer Module wurde entwickelt, um jede Art von Wärmetransport, die Sie modellieren möchten, zu meistern.

Was Sie mit dem Heat Transfer Module modellieren können

Multiphysik-Modellierungsansätze für die vielen Arten von Wärmequellen, die für Ihre Simulationen relevant sein könnten.

Detailansicht einer Stromschienenbaugruppe mit Darstellung der Temperaturverteilung.

Joulesche Erwärmung

Modellieren Sie die Joulesche Erwärmung (auch bekannt als Widerstandserwärmung) in Festkörpern, Flüssigkeiten, dünnen Strukturen und geschichteten dünnen Strukturen.

Detaillierte Darstellung der Temperaturverteilung in einem Stahlknüppel beim Durchlaufen von drei stromführenden Spulen.

Induktionserwärmung1

Modellieren Sie Inline-Induktionsheizungen und Metallverarbeitungsanwendungen.

Das Modell einer teilweise transparenten Hohlleiterkrümmung zeigt einen rot-weiß-blauen Oberflächenplot, die die durchlaufende Welle darstellt, und einen dielektrischen Block, dessen Temperatur in einem roten, gelben und weißen Farbverlauf dargestellt ist.

Mikrowellenerwärmung2

Modellieren Sie die Mikrowellen- oder HF-Erwärmung in Wellenleitern, Gewebe und anderen Bioanwendungen.

Detailaufnahme eines halben Glaszylinders, die die Strahlintensität in einem Viertel und die Temperaturverteilung im anderen Viertel zeigt.

Lasererwärmung3

Verwenden Sie das Beer-Lambert-Gesetz zur Modellierung der Lasererwärmung und -ablation in verschiedenen Fertigungs- und biomedizinischen Prozessen.

Detailansicht einer Turbinenstatorschaufel, die die Temperaturverteilung zeigt.

Thermische Spannung4

Verstehen Sie die Auswirkungen der thermischen Ausdehnung und der thermischen Spannung bei verschiedenen Betriebsbedingungen.

Detaillierte Darstellung des Stromflusses durch einen Kontaktschalter und der Temperaturverteilung.

Thermischer Kontakt

Fügen Sie den Kontaktwärmeleitkoeffizienten ein, der vom Kontaktdruck aus dem mechanischen Festkörpermodell abhängt.

Detailaufnahme eines thermoelektrischen Kühlers mit Darstellung der Temperaturverteilung.

Thermoelektrische Effekte

Berücksichtigen die Peltier-Seebeck-Thomson-Effekte und beziehen Sie gängige Materialien wie Bismuttellurid und Bleitellurid ein.

Detailansicht eines Rippenrohr-Wärmetauschers mit Darstellung der Strömung durch das Rohr und der Temperatur in den Rippen.

Dünne Schichten

Analysieren Sie die thermische Leistung bei der Entwicklung von elektronischen Geräten und Komponenten von Energiesystemen.

Detaillierte Darstellung der Strömung und des Wärmetransports durch einen Riss in einer geothermischen Dublette.

Wärmetransport in porösen Medien

Erfassen Sie Wärmeleitung und Konvektion sowie Wärmedispersion in porösen Medien.

Detailansicht eines Speichers, die den Durchfluss und den Wärmetransport durch den Speicher zeigt.

Lokales thermisches Nicht-Gleichgewicht

Simulieren Sie den Wärmetransport in porösen Medien, bei denen kein lokales thermisches Gleichgewicht angenommen wird, wie bei einer schnellen Strömung in den Poren.

Detailansicht eines Computernetzteils mit Lüfter und Gitter, die den Flüssigkeitsstrom durch das Netzteil und den Wärmetransport in den Komponenten zeigt.

Elektronische Kühlung

Analysieren Sie die Kühlkapazität mit effizienten und genauen Simulationen, um Fehlfunktionen und suboptimale Designs zu vermeiden.

Detailansicht eines Kreuzstromwärmetauschers mit zwei Schichten von Strömungskanälen und der Temperaturverteilung.

Wärmetauscher

Analysieren Sie Fluide, die Energie über große Entfernungen transportieren, während Festkörper die Fluide trennen, um Energie ohne Vermischung auszutauschen.

Detailaufnahme einer elektrischen Sonde mit Stromlinien und Temperatur-Isoflächen des umgebenden Gewebes.

Medizintechnik und Biowärme

Verwenden Sie die Biowärmegleichung zur Analyse von Prozessen in medizinischen Anwendungen: Tumorablation, Hautsonden und Gewebenekrose.

Detailansicht eines Glases mit heißem Wasser, die die Temperatur des Glasbechers und die Stromlinien durch einen Strömungskanal zeigt, der an dem Becher vorbeiführt.

Verdunstungskühlung

Modellieren Sie den Wärme- und Feuchtigkeitstransport in der Luft, um den Sättigungsdruck zu bestimmen, die Verdunstung zu berücksichtigen und Kondensation zu vermeiden.

Ein Modell eines Gebäudeteils, bei dem die Temperaturverteilung in der Farbtabelle der Wärmekamera und der Wärmestrom als Pfeile dargestellt sind.

Wärmemanagement in Gebäuden

Analysieren Sie die thermische Leistung von Holzrahmen, Fensterrahmen, porösen Baumaterialien und anderen Gebäudestrukturen.

Zur Veranschaulichung des Gefriertrocknungsprozesses wird eine Detailansicht von zwei Zylindern gezeigt: die beiden Phasen in einem Zylinder und der Wärmetransport im anderen.

Gefriertrocknung

Berechnen Sie gekoppelte Wärme- und Massenbilanzen, um eine vorrückende Fluid-Festkörper-Grenzfläche durch ein poröses Medium zu simulieren.

  1. Benötigt das AC/DC Module
  2. Benötigt das RF Module
  3. Benötigt das Wave Optics Module
  4. Benötigt das Structural Mechanics Module oder das MEMS Module

Features und Funktionalität des Heat Transfer Module

Das Heat Transfer Module bietet spezielle Funktionen für die Modellierung von Wärmetransporteffekten und fügt sich nahtlos in die COMSOL Multiphysics®-Plattform ein, um einen konsistenten Arbeitsablauf für die Modellerstellung zu gewährleisten.

Das Einstellungsfenster für die Multiphysik-Kopplung Nonisothermal Flow und die Ergebnisse der Kühlkörpersimulation.

Konjugierter Wärmetransport und nicht-isotherme Strömung

Das Heat Transfer Module enthält Funktionen zur Modellierung des konjugierten Wärmetransports und nicht-isothermer Strömungseffekte. Sowohl laminare als auch turbulente Strömungen werden unterstützt und können mit natürlicher und erzwungener Konvektion modelliert werden. Um natürliche Konvektion zu berücksichtigen, aktivieren Sie einfach das Kontrollkästchen Gravity. Druckarbeit und viskose Dissipation können ebenfalls aktiviert werden, um die Temperaturverteilung zu beeinflussen.

Die Turbulenz kann mit Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Modellen (RANS) modelliert werden, z. B. mit dem k-ε-, dem Low-Reynolds k-ε-, dem algebraischen yPlus- oder dem LVEL-Turbulenzmodell. Die realisierbaren k-ε-, k-ω-, Schubspannungstransport- (SST), v2-f- und Spalart-Allmaras-Turbulenzmodelle sind in Kombination mit dem CFD Module verfügbar. Der Temperaturübergang an der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche wird je nach Strömungsmodell automatisch mit Kontinuität, Wandfunktionen oder automatischer Wandbehandlung behandelt.

Die Einstellungen der Funktion Phase Change Interface und das Grafikfenster, das die Anwendung des Phase Change Interface zeigt.

Phasenumwandlung

Zur Simulation von Phasenwechselphänomenen in Wärmetransportanalysen bietet das Heat Transfer Module zwei Methoden. Die Funktion Phase Change Material implementiert die Formulierung der scheinbaren Wärmekapazität und berücksichtigt die Enthalpie der Phasenänderung und Änderungen der Materialeigenschaften. Diese Methode beinhaltet die Möglichkeit, Volumen- und/oder Topologieänderungen zu modellieren.

Alternativ dazu modelliert die Funktion Phase Change Interface den Phasenwechsel nach der Stefan-Energiebilanzbedingung, um die Geschwindigkeit der Grenzfläche zwischen zwei Phasen zu berechnen, die unterschiedliche Dichten haben können. In Kombination mit Deformed Geometry ist dieser Ansatz sehr effizient und effektiv, wenn keine Topologieänderung vorliegt.

Die drei Multiphysik-Kopplungen für den Feuchtetransport und die Ergebnisse der Verdunstungskühlung eines Glases Wasser mit Angabe der Dampfkonzentration.

Feuchtetransport

Der Wärme- und Feuchtetransport erfordert umfangreiche Multiphysik-Fähigkeiten zur Kopplung von Wärmetransport und Feuchteströmung, Feuchtetransport in Baumaterialien, feuchter Luft und hygroskopischen porösen Medien. Um diese Effekte zu untersuchen, enthält das Heat Transfer Module Einstellungen zur Modellierung des Feuchtetransports in Luft und feuchten porösen Medien in Verbindung mit nicht-isothermer Strömung. Es gibt Werkzeuge zur Analyse der Wasserkondensation und -verdunstung auf Oberflächen und zusätzliche Funktionen zur Analyse der Wärme- und Feuchtespeicherung, der Latentwärmeeffekte sowie der Diffusion und des Transports von Feuchtigkeit.

Der Model Builder zeigt das Lumped Thermal System Interface und die Funktion Lumped System Connector, sowie das Ergebnisvergleichsdiagramm an.

Vereinfachte thermische Systeme

Es stehen Funktionen zur Berechnung der Wärmetransportrate und der Temperaturverteilungen in einem thermischen Netzwerk zur Verfügung. Das Lumped Thermal System-Interface unterstützt vereinfachte Merkmale wie thermische Widerstände, Wärmeraten und thermische Masse. Die Software löst eine Energieerhaltungsgleichung unter Verwendung der Temperaturen und Wärmeraten als abhängige Variablen.

Das Surface-to-Surface Radiation Interface im Model Builder und das Grafikfenster mit den Simulationsergebnissen: Oberflächenradiosität eines Sonnenschirms und von Kühlern in der Sonne.

Oberfläche-zu-Oberfläche Strahlung

Das Heat Transfer Module verwendet die Radiosity-Methode zur Modellierung der Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche auf diffusen Oberflächen, gemischten diffus-spiegelnden Oberflächen und semitransparenten Schichten. Diese sind in 2D- und 3D-Geometrien sowie in achsensymmetrischen 2D-Geometrien bei der Modellierung diffuser Oberflächen verfügbar. Die Oberflächen- und Umgebungseigenschaften können von der Temperatur, der Wellenlänge der Strahlung, dem Einfallswinkel oder einer anderen Größe im Modell abhängen. Die Transparenzeigenschaften können auch pro Spektralband definiert werden (und es wird eine beliebige Anzahl von Spektralbändern unterstützt).

Vordefinierte Einstellungen sind für Sonnen- und Umgebungsstrahlung verfügbar, wobei sich das Oberflächenabsorptionsvermögen für kurze Wellenlängen (das Sonnenspektralband) vom Oberflächenemissionsvermögen für die längeren Wellenlängen (das Umgebungsspektralband) unterscheiden kann. Darüber hinaus kann die Richtung der Sonneneinstrahlung anhand der geografischen Position und der Uhrzeit bestimmt werden.

Die Sichtfaktoren werden mit der Hemicube-, der Ray-Shooting- oder der direkten Integrationsflächenmethode berechnet. Für rechnerisch effektive Simulationen ist es möglich, Symmetrieebenen oder -sektoren zu definieren. In Kombination mit einem beweglichen Rahmen aktualisiert das Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlungsinterface automatisch die Sichtfaktoren, wenn sich die geometrische Konfiguration verformt.

Die Einstellungen des Radiation in Participating Media Interface und das Grafikfenster, das die einfallende Strahlung in einer Glasplatte zeigt.

Strahlung in halbtransparenten Medien

Mit dem Heat Transfer Module haben Sie die Möglichkeit, viele Arten von Strahlung in halbtransparenten Medien zu simulieren: teilnehmende Medien, absorbierende und streuende Medien sowie Strahlen in absorbierenden Medien.

Für Strahlung in teilnehmenden Medien verwenden Sie die Rosseland Approximation, die P1-Näherung oder die Diskrete Ordinaten Methode (DOM). Für Strahlung in absorbierenden und streuenden Medien verwenden Sie die P1-Näherung und die DOM-Methode, um z. B. die Lichtdiffusion in einem nicht-emittierenden Medium zu modellieren. Schließlich können Sie einen Strahl in absorbierenden Medien mit dem Beer-Lambert-Gesetz modellieren und den Effekt mit anderen Formen des Wärmetransports koppeln.

Das Multiphysik-Interface Layered Thermal Expansion und die Temperatur- und Verformungsergebnisse im Grafikfenster.

Dünne Schichten und Schalen

Für den Wärmetransport in dünnen Schichten bietet das Heat Transfer Module individuelle Schichtmodelle und Schichtmaterialtechnologie, um den Wärmetransport in Schichten zu untersuchen, die geometrisch viel kleiner sind als der Rest eines Modells. Diese Funktionalität ist für dünne Schichten, Schalen, dünne Filme und Brüche verfügbar.

Für einzelne Schichten wird das thermisch dünne Schichtmodell für hochleitende Materialien mit tangentialem Wärmetransport zur Schicht und vernachlässigbarer Temperaturdifferenz auf beiden Seiten der Schicht verwendet. Umgekehrt kann das thermisch dicke Schichtmodell schlecht leitende Materialien darstellen, die in der senkrechten Richtung der Schale als Wärmewiderstand wirken; dieses Modell berechnet die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Schichtseiten. Schließlich bietet das allgemeine Modell ein sehr genaues und universelles Modell, da es die vollständigen Wärmegleichungen enthält.

Die Schichtwerkstofftechnologie umfasst Vorverarbeitungswerkzeuge für die detaillierte Definition von Schichtwerkstoffen, das Laden/Speichern von Schichtwerkstoffkonfigurationen aus/in einer Datei und Funktionen für die Schichtvorschau. Sie können die Ergebnisse in dünnen, geschichteten Strukturen visualisieren, als wären sie ursprünglich als 3D-Volumenkörper modelliert worden. Die Funktionalität für geschichtete Materialien ist im AC/DC Module und im Structural Mechanics Module enthalten, wodurch es möglich ist, Multiphysik-Kopplungen wie elektromagnetische Erwärmung oder thermische Ausdehnung auf geschichteten Materialien zu berücksichtigen.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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