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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. Temperaturfelder und Wärmeströme in Komponenten, Gehäusen und Gebäuden können modelliert werden. 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 einzelnen Formen des Wärmetransports, die zusammen berücksichtigt werden müssen- in einigen Fällen sogar alle drei gleichzeitig. Diese verschiedenen Wärmetransportformen erfordert verschiedene Gleichungen, die simultan behandelt werden müssen, um genaue Modelle zu gewährleisten. Das Heat Transfer Module bietet Modellierungsmöglichkeiten für jede Art von Wärmetransport.

Die Detailansicht eines Heizkreislaufs zeigt den Wärmetransport und die Verformung durch den Joule-Effekt.
Detailansicht eines Rohrbündelwärmetauschers, die die Strömungslinien des Fluids und den Wärmetransport an einer Mantelbegrenzung zeigt.
Eine Detailansicht eines Wohnzimmers mit einem Ofen, die den Strahlungswärmefluss zeigt.
Die Detailansicht eines Kühlkörpers zeigt die Strömungslinien durch die Säulen des Kühlkörpers und die Radiosität auf den Oberflächen des Kühlkörpers.

Was mit dem Heat Transfer Module modelliert werden kann

Multiphysik-Modellierungsmöglichkeiten für die vielen Arten von Wärmequellen.

Eine Detailansicht einer Stromschienenbaugruppe, die die Temperaturverteilung zeigt.

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.

Eine Detailansicht eines Computer-Netzteils mit Lüfter und Gitter, die die Strömung durch das Gerät 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.

Eine Detailansicht des Modells eines Lamellenwärmetauschers im Farbschema Heat Camera Light.

Wärmetauscher

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

Eine Detailansicht 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.

Eine Detailansicht eines Modells eines die Erde umkreisenden Satelliten.

Thermische Analyse von Raumfahrzeugen

Berechnen Sie die Temperatur von Raumfahrzeugen anhand der direkten Sonneneinstrahlung, der Albedo und des planetarischen Infrarotflusses sowie des strahlungsbedingten Wärmetransports zwischen verschiedenen Teilen des Raumfahrzeugs.

  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 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.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Thermal Expansion, Layered und einem Heizkreislaufmodell 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.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Lumped Thermal System und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Vereinfachte thermische Systeme

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

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Surface-to-Surface Radiation und einem Sonnenschirm-Modell im Grafikfenster.

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.

Eine Detailansicht der Einstellungen des Interfaces Radiation in Participating Media und ein Glasplattenmodell im Grafikfenster.

Strahlung in halbtransparenten Medien

Das Heat Transfer Module bietet Funktionalität für die Simulation von Strahlenbündeln in absorbierenden Medien sowie Strahlung in halbtransparenten Medien, wie partizipierenden Medien und absorbierenden und streuenden Medien.

Für Strahlung in partizipierenden 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 zum Beispiel 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.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Heat and Moisture und einem Verdunstungskühlungsmodell im Grafikfenster.

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.

Eine Detailansicht der Einstellungen für die Planeteneigenschaften und ein Satellitenmodell im Grafikfenster.

Orbitale Wärmelasten

Für die Strahlungsbelastung und Temperatur eines Raumfahrzeugs bietet das Interface Orbital Thermal Loads vorgefertigte Funktionen zur Modellierung der Strahlung von Sonne und Erde für Satelliten, die um die Erde kreisen. Mit dieser Funktion können Sie die Strahlungseigenschaften des Raumfahrzeugs, die Umlaufbahn und die Ausrichtung, die Orbitalmanöver und die Eigenschaften des Planeten berücksichtigen. Darüber hinaus berechnet und generiert das Interface Ergebnisse, die die direkte Sonnenstrahlung, die Albedo und den Infrarotfluss des Planeten sowie den Strahlungswärmetransport zwischen den verschiedenen Teilen des Raumfahrzeugs zeigen. Das Interface kann mit einem Interface für den Wärmetransport kombiniert werden, um die Wärmeleitung in den Bauteilen des Raumfahrzeugs zu berücksichtigen.

Eine Detailansicht der Einstellungen Ambient Properties und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Zeitabhängige meteorologische Daten

Das Heat Transfer Module ermöglicht nicht nur die Einbindung benutzerdefinierter meteorologischer Daten, sondern enthält auch drei meteorologische Datensätze aus dem ASHRAE-Handbuch 2013 (ASHRAE Weather Data Version 5.0), dem ASHRAE-Handbuch 2017 (ASHRAE Weather Data Version 6.0) und dem ASHRAE-Handbuch 2021 (Weather Data Viewer 2021). Diese Datensätze liefern zeitabhängige Wetterbedingungen von rund 8500 Stationen weltweit, mit detaillierten Messungen wie Trockenkugeltemperatur, Taupunkttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, absoluter Druck, Niederschlagsrate sowie direkte und diffuse Sonneneinstrahlung, basierend auf stündlich gemittelten Daten für die Trockenkugeltemperatur und monatlichen Durchschnittsdaten für alle anderen Wetterbedingungen.

Diese Datensätze sind als Variablen für mehrere Features verfügbar und ermöglichen eine detaillierte Modellierung der Umweltbedingungen. Im Feature Heat Flux können zum Beispiel die Umgebungstemperatur, der absolute Umgebungsdruck und die Windgeschwindigkeit als Korrelationen verwendet werden, die den Wärmeübergangskoeffizienten definieren.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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