COMSOL Multiphysics^® 6.1 Release Highlights

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Heat Transfer Module Updates

Für Nutzer des Heat Transfer Module bietet COMSOL Multiphysics^® Version 6.1 neue Modellierungswerkzeuge für thermische Analysen von Raumfahrzeugen, eine Multiphysik-Kopplung für die Definition einer Kontinuitätsbedingung zwischen gemeinsamen oder gegenüberliegenden Oberflächen und neue Tools für die Definition von Oberflächen-zu-Oberflächen-Strahlungsmodellen. Hier erfahren Sie mehr über die Updates des Heat Transfer Module.

Thermische Analyse von Raumfahrzeugen

Das neue Interface Orbital Thermal Loads bietet vorgefertigte Features zur Modellierung der Strahlungsbelastung eines Raumfahrzeugs, insbesondere der Strahlung von Sonne und Erde für Satelliten, die um die Erde kreisen. Sie können diese Funktion nutzen, um die Strahlungseigenschaften des Raumfahrzeugs, seine Umlaufbahn und Ausrichtung, Orbitmanöver und Planeteneigenschaften einzubeziehen. Das Physik-Interface berechnet und generiert auch Ergebnisse, die die direkte Sonneneinstrahlung, die Albedo und den Infrarotfluss des Planeten, sowie den strahlungsbedingten Wärmetransport zwischen den verschiedenen Teilen des Raumfahrzeugs zeigen. Wenn Sie dieses Interface mit einem Interface für den Wärmetransport kombinieren, können Sie die Wärmeleitung in den festen Teilen des Raumfahrzeugs berücksichtigen. Sie können sich dieses Feature in den folgenden neuen Modellen ansehen:

Eine Umlaufbahn eines Satelliten um ein Erdmodell, das die Stärke der einfallenden Sonnenstrahlung zeigt.

Umlaufbahn eines Satelliten um die Erde. Die Farbe der Bahn zeigt an, ob sich der Satellit in einer Finsternis befindet oder nicht. Die Farbe der Oberfläche des Satelliten steht für die Stärke der einfallenden Sonnenstrahlen. (Bild der Erde: Visible Earth und NASA)

Thermische Verbindung zwischen Gebieten und Schalen

Die neuen Multiphysik-Kopplungen Thermal Connection wurden entwickelt, um eine Kontinuitätsbedingung zwischen zwei Temperaturfeldern zu definieren, die jeweils von einem Interface für den Wärmetransport in einem Gebiet und einem Heat Transfer in Shells Interface berechnet werden. Die Bedingung kann auf einem gemeinsamen Rand der beiden Interfaces oder auf zwei gegenüberliegenden Rändern festgelegt werden. Der Verbinder kann für Schalen verwendet werden, die über eine Kante, einen gemeinsamen Rand mit dem Gebietsinterface oder einen Rand, der einem anderen Rand des Gebietsinterfaces gegenüberliegt, in Kontakt sind. Die Multiphysik-Kopplung vereinfacht die Verwendung von kombinierten Gebiets- und Schaleninterfaces in Modellen erheblich. Sehen Sie sich diese Funktionalität in dem bestehenden Modell Disk-Stack Heat Sink und den folgenden neuen Tutorial-Modellen an:

Ein Leiterplattenmodell mit einem Disk-Stack-Kühlkörper in der Wärmebildkamera-Farbtabelle.

Temperaturfeld in einer Leiterplatte (Gebiete) und einem Disk-Stack-Kühlkörper (Schale) mit einer von dem Feature Thermal Connector festgelegten Kontinuitätsbedingung.

Überprüfungstools für Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlungsmodelle

Es gibt neue Tools, die Sie bei der Definition von Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlungsmodellen unterstützen. Während der Einrichtung des Modells wird die Richtung der emittierten Strahlung jetzt im Grafikfenster mit einem Symbol für die Option Opacity controlled und grauen Oberflächenmodellen dargestellt. Im Falle einer unerwarteten Konfiguration wird ein Warnsymbol angezeigt. Darüber hinaus ist während der Evaluation des Sichtfaktors eine optionale Überprüfung verfügbar, um eine inkonsistente Topologie zu erkennen. Diese Werkzeuge verringern das Risiko einer fehlerhaften Definition von Modellen beträchtlich, insbesondere bei großen und komplexen geometrischen Konfigurationen. Sehen Sie sich diese Updates in dem neuen Modell Topology Verification for Surface-to-Surface Radiation und in diesen bestehenden Modellen an:

Ein violettes 3D-Modell mit roten Pfeilen, die die Richtung der emittierten Strahlung darstellen.

Modellgeometrie mit Pfeilen, die die Richtung der emittierten Strahlung darstellen. Das Ausrufezeichen (vorne, Mitte) kennzeichnet einen Rand, an dem keine Strahlungsrichtung definiert ist.

Verbesserungen für die Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlung

Die Ray-Shooting-Methode wurde verbessert, so dass kleine Oberflächen auch dann erkannt werden, wenn für die Bewertung des Sichtfaktors eine grobe Auflösung verwendet wird. In Kombination mit der Auflösungsanpassung verbessert dies die Genauigkeit der Sichtfaktoren mit einer optimalen Anzahl von Strahlen. Darüber hinaus werden die Ausdrücke, die zur Definition von Variablen und Gleichungen verwendet werden, jetzt für alle Berechnungsmethoden des Sichtfaktors vorverarbeitet, so dass ihre Lesbarkeit erleichtert wird und ihre Auswertung während des Zusammensetzens viel schneller erfolgt. Die folgenden Modelle veranschaulichen diese neuen Verbesserungen:

Ein Strandmodell mit einem Sonnenschirm und zwei Kühlboxen.

Dieses Modell zeigt den solaren Wärmestrom am Strand, wo zwei Styropor-Kühlboxen mit Getränkedosen stehen. Ein Sonnenschirm spendet einer der Kühlboxen Schatten, und die Temperatur der Getränkedosen über die Zeit wird berechnet.

Fluenzrate

In dem Interface Surface-to-Surface Radiation ist es jetzt möglich, einen Fluence Rate Calculation Knoten hinzuzufügen, um die Gebiete auszuwählen, in denen die Fluenzrate berechnet werden soll. Die Fluenzrate gibt die Strahlungsbelastung an, wenn ein kleines Objekt in einem Hohlraum platziert wird. Dies ist nützlich, wenn Sie zum Beispiel die UV-Belastung in einem Wasserreinigungsreaktor überprüfen möchten. Sie können sich dieses neue Feature in dem Modell Annular Ultraviolet Reactor, Transparent Water ansehen.

Ein UV-Reaktor-Modell in der Magma-Farbtabelle.

Fluenzrate in einem UV-Reaktor, der mit quasitransparentem Wasser gefüllt ist.

Klimadaten: ASHRAE 2021

Umgebungseigenschaften wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Sonneneinstrahlung können über einen Ambient Properties Knoten unter Definitions > Shared Properties definiert werden. Neben der Möglichkeit, benutzerdefinierte meteorologische Daten hinzuzufügen, können die Umgebungsvariablen aus monatlichen und stündlichen Durchschnittswerten berechnet werden, die in den Handbüchern der American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) enthalten sind. Die meteorologischen Daten aus dem Handbuch ASHRAE 2021 wurden in COMSOL Multiphysics^® integriert und enthalten Umgebungsdaten von mehr als 8500 Wetterstationen auf der ganzen Welt.

Sie können sich diese neue Funktionalität in den folgenden bestehenden Modellen ansehen:

Ein 1D-Plot mit einer gepunkteten blauen Linie und einer durchgezogenen grünen Linie.

Die Höchsttemperaturen an den heißesten Tagen des Jahres (blau, 2013; grün, 2021) an einer Wetterstation in Glasgow, Großbritannien, zeigen, dass die gemessenen Temperaturen nach 2013 gestiegen sind. Daten von ASHRAE Weather Data.

Verbesserte Thermische Wandfunktionen für viskose Dissipation

In der Kopplung Nonisothermal Flow ist unter den Einstellungen Heat Transfer Turbulence eine neue Einstellung Thermal wall function für Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS) Turbulenzmodelle verfügbar. Es stehen zwei Optionen zur Verfügung: Standard, die für die meisten Konfigurationen geeignet ist, und High viscous dissipation at wall, die die viskose Dissipation in der Randschicht berücksichtigt. Dies ist für genaue Ergebnisse im Falle einer schnellen internen Strömung erforderlich, insbesondere bei engen Pfaden oder wenn das Fluid sehr viskos ist. Das neue Modell Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate veranschaulicht diese neue Funktion.

Ein 2D-Plot, der das Temperaturprofil in der Wärmebildkamera-Farbtabelle und die Geschwindigkeitsrichtung in weißen Pfeilen zeigt.

Temperaturprofil (Oberflächendarstellung), das durch viskose Dissipation in der Nähe der Wand und der Geschwindigkeitsrichtung (Pfeile) verursacht wird. Die grüne Kurve zeigt die Grenze der Randschicht (99% U_inf), und die blauen Kurven zeigen das Geschwindigkeitsprofil bei x = 0,97 m und x = 1,9 m.

Benutzerdefinierte Phasenübergangsfunktion für Phase Change Material

In dem Feature Phase Change Material ist eine benutzerdefinierte Phasenübergangsfunktion verfügbar, die eine genauere Beschreibung der Materialeigenschaften ermöglicht. Mit dieser Option ist es möglich, genaue Beschreibungen von Phasenübergängen aus Messungen oder Materialdatenbanken zu verwenden. Sehen Sie sich diese Aktualisierung in dem neuen Modell Phase Change in a Semi-Infinite Soil Column - Lunardini Solution und in den folgenden bestehenden Modellen an:

Ein 1D Plot mit drei durchgezogenen Linien und der Temperatur auf der y-Achse.

Temperaturprofil in einem anfänglich gefrorenen Gebiet, das mit der Zeit erwärmt wird.

Feuchtigkeitstransport in Hygroskopischen Porösen Medien

Um die Modelldefinitionen zu vereinfachen, wurde die Multiphysik-Kopplung Moisture Flow aktualisiert, so dass die von dem Interface Moisture Transport berechnete Variable der Verdunstungsrate in der von dem Interface Brinkman Equations berechneten Massenbilanz berücksichtigt wird. Darüber hinaus können die Randbedingungen Open Boundary und Inflow jetzt auf äußere Ränder angewandt werden, die an Gebiete grenzen, in denen das Hygroscopic Porous Medium aktiv ist.

Neue Tutorial-Modelle

COMSOL Multiphysics^® Version 6.1 enthält mehrere neue Tutorial-Modelle für das Heat Transfer Module.

Orbit Calculation

Umlaufbahn und einfallende Strahlung eines 1U CubeSat in 400 km Höhe, mit einer Neigung von 50° und dem Längengrad des aufsteigenden Knotens bei 0°. Die schwarze Farbe der Umlaufbahn zeigt die Finsternis an. Die gesamte Einstrahlung und die Strahlungslasten von allen Umweltquellen werden berechnet.

Application Library Titel:
orbit_calculation
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Orbit Thermal Loads

Eine Umlaufbahn eines Satelliten um ein Erdmodell in der Rainbow-Farbtabelle.

Umlaufbahn der Raumsonde und einfallende Strahlung. Die Farbe auf der Erdoberfläche stellt den Albedo-Wert dar. Ein Satellit in der Umlaufbahn wird durch die Sonne, die Albedo und das planetarische Infrarot (IR) belastet, wobei die Albedo und das planetarische IR mit dem Breitengrad und auch mit dem Längengrad variieren können. Die gesamte Einstrahlung und der Fluss auf dem Satelliten werden über mehrere Erdumläufe ausgewertet.

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orbit_thermal_ loads
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Spacecraft Thermal Analysis

Ein Leiterplatten-Modell, das die Temperaturverteilung in der Wärmebildkamera-Farbtabelle zeigt.

Temperaturverteilung in einer Satelliten-Leiterplatte mit elektrischen Komponenten. Die direkte Sonneneinstrahlung, die Albedo und die IR-Wärmebelastung der Erde werden in einer Orbit Thermal Loads Studie vorberechnet und in einer Orbital Temperature Studie für mehrere Umlaufperioden wiederverwendet.

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spacecraft_thermal_analysis
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Plate-Fin Heat Exchanger

Ein Wärmetauscher-Modell, das die Ölströmung und die Temperatur in der Wärmebildkamera-Farbtabelle zeigt.

Ölströmung und Lamellentemperatur in einem Platten-Lamellen-Wärmetauscher. Um den Wärmetransport zu maximieren, besteht der Wärmetauscher aus einer porösen Aluminiummatrix, in der das heiße Öl fließt. Die Wärme wird durch Aluminiumlamellen geleitet, die in Kontakt mit der porösen Matrix stehen. Diese Lamellen werden als dünne Schichten modelliert, d.h. ihre Dicke ist nicht in der Geometrie dargestellt, wird aber im Modell für den Wärmetransport berücksichtigt.

Application Library Titel:
plate_fin_heat_exchanger
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Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate

Ein 2D-Plot, der das Temperaturprofil in der Wärmebildkamera-Farbtabelle sowie die Geschwindigkeitsrichtung mit weißen Pfeilen zeigt.

Das Temperaturprofil (Oberflächendarstellung) und die Geschwindigkeitsrichtung (Pfeile) des Modells Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate. Der Plot zeigt das Verhalten eines Turbulenzmodells und der Wandfunktionen in der Randschicht einer turbulenten Strömung.

Application Library Titel:
zero_pressure_gradient_2d_flat_plate
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Annular Ultraviolet Reactor, Optically Transparent Water

Fluenzrate in einem ultravioletten Reaktor, der mit quasitransparentem Wasser gefüllt ist. Der Reaktor enthält einen ringförmigen Fluidbereich, der eine zylindrische Lampe umgibt.

Application Library Titel:
annular_ultraviolet_reactor_optically_transparent_water
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Thermal Connector Tutorial Models

Zwei Anschluss-Modelle, die das Temperaturfeld in der Wärmebildkamera-Farbtabelle zeigen.

Vergleich des Temperaturfeldes in zwei ähnlichen Strukturen. Die untere Struktur wird in einer klassischen Geometrie aus verschiedenen Gebieten berechnet. Die obere Struktur wird als Kombination von Gebieten und Schalen berechnet, die über die Kopplung Thermal Connector verbunden sind.

Application Library Titel:
thermal_connection_edges
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thermal_connection_facing_boundary
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thermal_connection_shared_boundaries
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Topology Verification for Surface-to-Surface Radiation

Ein violettes Geometriemodell mit roten Pfeilen und drei Warnsymbolen.

Automatische Erkennung von verdächtigen Definitionen der Strahlungsrichtung in der Benutzeroberfläche. Die Warnsymbole kennzeichnen die Ränder, an denen inkonsistente Strahlungseinstellungen erkannt wurden.

Application Library Titel:
topology_verification_nonradiating
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