COMSOL 传热模块

传热模块

深入分析热效应

“传热模块”是 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的一个附加产品，用于分析传导、对流和辐射传热现象，其中集成了一系列丰富的建模功能，为热设计和热效应的研究提供了有力的工具，可以用来分析物体、物体周围和大型建筑的温度场和热通量。软件提供的多物理场耦合功能方便您在同一个软件环境中分析多个物理效应，更准确地模拟真实场景下的传热问题。

传热模式

在“传热模块”中，所有功能都基于传导、对流和辐射三种关键传热方式。对于热传导分析，材料的导热系数可以是各向同性或各向异性，既可以是常数，也可以是温度的函数；对于流体中的对流传热，可以分析强制对流和自然对流；辐射传热则提供了表面对表面辐射，以及半透明介质中的热辐射分析工具。

在实际场景中，传热的方式多种多样，通常是多种传热方式的组合。为了确保仿真结果的准确性，往往需要同时处理相应的方程组，“传热模块”为处理这些复杂情况提供了专业的工具。

传热模块的主要应用

强大的多物理场耦合功能，轻松模拟多种热源。

焦耳热

模拟固体、流体、壳和多层壳中的焦耳热（也称为电阻热）。

母线板中由焦耳热引起的温度分布。

感应加热1

模拟管线感应加热器和金属加工应用。

钢坯通过由交流电激励的线圈时的温度，在钢坯中产生感应涡流并产生热量。

微波加热2

模拟波导、组织和其他生物应用中的微波或射频加热。

x 波段波导弯头包含一个材料属性随温度变化的介质块。模型显示装配因电磁损耗造成温度不断上升的情况，并最终确定了稳态温度。

激光加热3

使用比尔-朗伯定律模拟各种制造和生物医学过程中的激光加热和消融。

玻璃圆柱体中的束流强度（左）和温度（右），本例使用比尔-朗伯定律模拟辐射束。

热应力4

了解在不同工作条件下热膨胀和热应力对系统的影响。

涡轮静叶片中诱发热应力的温度分布图。

热接触

包含与固体力学模型中的接触压力相关的接触导热系数。

开关的两个接触部分的热电性能。

热电效应

分析珀尔帖-塞贝克-汤姆逊效应，并提供包含碲化铋和碲化铅等常见材料的材料库。

热电冷却器设备。热电臂中的温度分布图，其中使用圆锥体表示电流在整个设备中的流动情况。

薄壳

在设计电子设备和电力系统部件时分析热性能。

翅片管换热器，其中的圆锥体显示流体的相对温度、管翅片的温度和流体流过通道的速度。

多孔介质传热

分析多孔介质中的传导和对流以及热弥散。

图为地热回灌中水流经裂隙时的多孔介质传热模型。

局部热非平衡

模拟多孔介质传热，其中不使用局部热平衡假设，例如，孔隙中的快速流动。

潜热存储单元中的温度分布和速度场。

电子冷却

利用高效准确的仿真来分析冷却能力，以避免故障和次优设计。

计算机电源供应器的热性能。该模型计算设备中的强制对流冷却，其中通过从格栅进入并被风扇抽出的气流进行通风。

换热器

分析远距离携带能量的流体，其中固体将不同的流体分离，以在不混合的情况下实现能量交换。

板翅式换热器中的油流动和翅片温度。为了最大限度地提高传热效率，换热器由多孔铝基体制成，其中有热油流动。热量通过与多孔基体接触的铝翅片进行传导。

医学技术和生物加热

使用生物热方程分析医疗应用中的肿瘤消融、皮肤探针和组织坏死等过程。

通过插入一个四臂电探针来实现恶性组织的局部加热。

蒸发冷却

模拟空气中的热湿传递以确定饱和压力，并综合考虑蒸发过程，有效避免冷凝现象的发生。

通过模拟在室温下接触干气流的一杯热水来分析蒸发冷却过程。

建筑物热管理

分析木框架、窗框、多孔建筑材料和其他建筑结构的热性能。

整个建筑结构的温度分布（表面和等值面）和热通量（箭头），该结构将建筑不同楼层的两个房间与外部环境隔开。

冷冻干燥

计算耦合的热量和质量平衡，以模拟在多孔介质中演变的流-固界面。

脱脂牛奶冷冻干燥过程的仿真，其中显示气相和固相（左）、相变界面、温度和总热通量流线（右）。

航天器热分析

根据直接太阳辐射、反照率、行星红外通量以及航天器各部件之间的辐射传热来计算航天器的温度。

在轨卫星的传热仿真，其中显示温度分布。地球图片来源：Visible Earth 和 NASA。

备注：

1. 需要 AC/DC 模块

2. 需要 RF 模块

3. 需要波动光学模块

4. 需要结构力学模块或 MEMS 模块

传热模块的主要功能

“传热模块”提供专用的工具分析热效应。

共轭传热和非等温流动

“传热模块”针对共轭传热和非等温流动问题提供了专业的工具，支持自然对流和强制对流的仿真，包括层流和湍流。对于自然对流，用户只需点选重力 复选框即可考虑浮升力的影响；此外，还可以考虑压力功和黏性耗散对温度分布的影响。

软件支持使用多种雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型进行湍流建模，包括 k-ε、低雷诺数 k-ε、代数 y+ 或 LVEL 湍流模型等。与 CFD 模块耦合使用时，还可以使用 Realizable k-ε、k-ω、剪切应力输运（SST）、v2-f 和 Spalart-Allmaras 湍流模型。对于各种湍流模型，软件使用连续性、壁函数或自动壁处理等方式，自动处理流-固界面的温度过渡，以确保仿真结果的准确性。

通过带有散热器的通道为共轭传热建模。非等温流动 特征用于耦合传热和流体流动，如设置 窗口所示。

表面对表面辐射

“传热模块”提供了多个适用于二维、二维轴对称和三维几何空间的功能，用于模拟漫反射表面、混合漫反射-镜面反射表面和半透明层上的表面对表面辐射。在表面之间和腔体内，辐射暴露情况可以使用注量率 特征来计算。

该模块针对太阳和环境辐射提供了预置的功能，用户可以针对短波长的太阳光谱与较长波长的环境光谱，定义不同的表面吸收率和辐射率。此外，用户还可以根据地理位置和时间来定义太阳辐射方向。

角系数的计算可以基于半立方体方法、射线发射法或直接积分面积法，用户还可以定义对称平面或扇区来提高计算效率。当仿真分析结合了动坐标系时，表面对表面辐射能够在几何发生变形时自动更新角系数。

遮阳伞对两个保温箱的影响，其中一个保温箱暴露在阳光下，另一个被遮阳伞遮住。本例结合使用表面对表面辐射 接口和外部辐射源 特征来模拟太阳。设置 窗口显示用于计算角系数的半立方体方法。

相变

“传热模块”提供了两种方法用来仿真传热问题中常见的相变现象。一种方法是通过使用相变材料 功能，基于表观热容公式，分析相变焓和材料属性的变化，这种方法同时支持几何的体积变化和拓扑变化。

另一种方法是通过相变界面 功能，基于 Stefan 能量平衡条件分析相变过程，以计算可能具有不同密度的两相之间的界面速度。这种方法与变形几何结合使用，计算效率很高，适用于几何没有拓扑结构变化的情况。

小瓶中冰升华的牛奶冷冻干燥仿真的模型设置。其中使用相变界面 特征来设置蒸汽与冰层之间的边界，图中还显示相变温度和潜热的设置。

半透明介质中的辐射

“传热模块”提供了多种工具来分析半透明介质（参与介质、吸收和散射介质以及吸收介质中的辐射束）中的辐射。

针对参与介质中的辐射，模块提供了 Rosseland 近似、P1 近似或离散坐标法（DOM）；对于吸收和散射介质中的辐射，用户可以使用 P1 近似和离散坐标法来模拟光在非散射介质中的扩散等问题，还可以使用比尔-朗伯定律对吸收介质中的辐射束进行建模，并将这一效应与其他形式的传热进行耦合。

比较使用三种不同方法模拟参与介质中的辐射的仿真。设置 窗口中显示离散坐标法（DOM）和 P1 近似。图中显示使用 DOM 得到的入射辐射三维结果，以及整个玻璃板上的温度结果比较。

薄层和壳

对于薄层中的传热，“传热模块”提供了独立薄层和多层材料分析方法，可用于研究几何尺寸远小于模型其余部分的薄层中的传热现象，适用于薄层、壳、薄膜和裂隙等功能。

针对独立薄层，软件提供了适用于高导热材料的热薄层模型，这种情况中，传热沿薄层的切线方向，可以忽略薄层厚度方向两侧的温差。对于导热性较差的材料，软件提供了热厚层模型，这种情况中，材料在薄层的法线方向上起着热阻作用，需要计算层两侧之间的温差。同时，软件还提供了包含完整热方程的通用模型，作为一个高度精确且适用范围广的选项。

针对多层材料，软件提供了多个预处理工具，用于详细定义多层材料的结构和组成，支持从文件中加载多层结构构型，或将多层结构构型保存到文件，并提供层预览功能。通过这种方式，用户可以方便地为多层材料几何建模，并查看仿真结果。AC/DC 模块和结构力学模块中也提供了多层材料相关功能，与这些模块结合使用时，用户可以分析多层材料的电磁热或热膨胀等多物理场耦合效应。利用软件提供的热连接 多物理场耦合功能，还可以方便地设置域传热接口和壳传热 接口之间的热连续性。

分层加热电路中的传热和变形，其中薄导电层中的焦耳热导致热膨胀。

水分输送

为了实现高效的热湿传递，我们提供了广泛的多物理场功能，将传热与水分流动、建筑材料中的水分输送以及湿空气和吸湿性多孔介质相耦合。为了深入研究这些影响，“传热模块”提供了多种设置选项，可用于模拟空气和含湿多孔介质中的水分输送与非等温流动的耦合。此外，模块中还包含多种工具用来分析水在表面上的冷凝和蒸发现象，并提供附加特征用于分析热湿储存、潜热效应以及水分的扩散和传递。

一杯热水的蒸发冷却仿真。该模型基于多个多物理场相互作用而创建：热湿传递、热量和湍流气流、水分输送和湍流气流。水分输送仅计算水面外的空气域中的蒸汽浓度和相对湿度，如图形 窗口所示。

集总热系统

“传热模块”提供一系列工具，用于精确计算热网络中的传热速率和温度分布。通过集总热系统 接口，用户可以方便地借助于热阻、热耗率和热质量等集总参数来进行热分析，其中温度和热耗率作为因变量，通过求解能量守恒方程提供准确的结果。

将三维模型与该模型的集总版本的结果进行比较的传热仿真。其中使用集总热系统 接口作为三维模型的输入，如设置 窗口所示。结果表明，两种方法的结果高度吻合。

轨道热载荷

航天器面临着来自太阳和地球辐射的影响，轨道热载荷 接口提供了专用的工具，用于分析绕地球运行的卫星受到的辐射载荷及温度变化。通过这个接口，用户可以描述航天器辐射属性、轨道和方向、轨道机动和行星属性，计算结果可以显示直接太阳辐射、反照率和行星红外通量等参数，同时还可以提供航天器各部件之间辐射传热的详细信息；与传热接口耦合时，可以详细描述航天器各部件的传热。

带有电子元件的卫星电路板的温度分布。本例在 轨道热载荷研究中预先计算直接太阳辐射、反照率和地球红外热负荷，然后在 轨道温度研究的多个轨道周期中重用这些数据。