Novità COMSOL Multiphysics^® versione 6.1

Aggiornamenti dell'Heat Transfer Module

Per gli utenti dell'Heat Transfer Module, la versione 6.1 di COMSOL Multiphysics^® introduce nuovi strumenti di modellazione per le analisi termiche dei veicoli spaziali, un accoppiamento multifisico per definire una condizione di continuità tra superfici condivise o adiacenti e nuovi strumenti per definire modelli di radiazione superficie-superficie. Per approfondire gli aggiornamenti dell'Heat Transfer Module, leggete qui di seguito.

Analisi termica dei veicoli spaziali

La nuova interfaccia Orbital Thermal Loads fornisce funzioni pronte per la modellazione dei carichi radiativi su un veicolo spaziale, in particolare la radiazione dal Sole e dalla Terra per i satelliti in orbita intorno alla Terra. È possibile utilizzare questa funzione per fornire le proprietà radiative del veicolo spaziale, l'orbita e l'orientamento, le manovre orbitali e le proprietà del pianeta. L'interfaccia fisica calcola e genera anche risultati che mostrano la radiazione solare diretta, l'albedo e il flusso infrarosso del pianeta, nonché il trasferimento di calore radiativo tra le diverse parti del veicolo spaziale. Combinando questa interfaccia con un'interfaccia di trasferimento del calore, è possibile tenere conto della conduzione del calore nelle parti solide di un veicolo spaziale. Questa funzione è disponibile nei seguenti nuovi modelli:

• orbit_calculation
• orbit_thermal_loads
• spacecraft_thermal_analysis

Orbita di un satellite intorno alla Terra. Il colore della traccia indica se il satellite è in eclissi o meno. Il colore della superficie del veicolo spaziale rappresenta l'entità dell'irradiazione solare incidente. (Credit per l'immagine della Terra: Visible Earth e NASA)

Connettori termici tra shell e domini

I nuovi accoppiamenti multifisici Thermal Connection sono progettati per definire una condizione di continuità tra due campi di temperatura, calcolati rispettivamente da un'interfaccia di trasferimento di calore del dominio e da un'interfaccia Heat Transfer in Shells. La condizione può essere impostata su un contorno condiviso dalle due interfacce o su due contorni adiacenti. Il connettore può essere utilizzato per shell che sono in contatto attraverso un bordo, un contorno condiviso con l'interfaccia del dominio o un contorno che si trova di fronte a un altro contorno dell'interfaccia del dominio. Questo accoppiamento multifisico semplifica notevolmente l'uso di interfacce di dominio e shell combinati nei modelli. Visualizzate questa funzione nel modello esistente Disk-Stack Heat Sink e nei seguenti nuovi tutorial:

• thermal_connection_by_edges
• thermal_connection_by_facing_boundary
• thermal_connection_by_shared\boundaries

Temperature field in a circuit board (domains) and in a disk-stack heat sink (shell) with a continuity condition set by the Thermal Connector feature.

Strumenti di verifica per i modelli di radiazione superficie-superficie

Sono disponibili nuovi strumenti di supporto per la definizione dei modelli di irraggiamento superficie-superficie. Durante la configurazione del modello, la direzione della radiazione emessa è ora rappresentata nella finestra Graphics con un simbolo per l'opzione Opacity controlled e per i modelli di superficie grigi. In caso di configurazione inaspettata, viene visualizzato un simbolo di avvertimento. Inoltre, durante la valutazione del fattore di vista, è disponibile una verifica opzionale per rilevare una topologia inconsistente. Questi strumenti riducono notevolmente il rischio di definizione errata dei modelli, soprattutto per le configurazioni geometriche grandi e complesse. Questi aggiornamenti sono disponibili nel nuovo modello Topology Verification for Surface-to-Surface Radiation e in questi modelli già presenti:

• cavity_radiation
• chip_cooling
• heat_sink_surface_radiation
• inline_induction_heater
• light_bulb
• parallel_plates_diffuse_specular_ray_shooting
• parasol
• potcore_inductor
• thermal_annealing
• tpv_cell
• view_factor
• petzval_lens_stop_analysis_with_surface_-_to_-_surface_radiation

La geometria di un modello con le frecce che rappresentano la direzione della radiazione emessa. Il punto esclamativo indica un contorno in cui non è definita la direzione della radiazione.

Miglioramenti alla radiazione superficie-superficie

Il metodo di proiezione dei raggi è stato migliorato in modo da rilevare le piccole superfici anche quando si utilizza una risoluzione grossolana per la valutazione del fattore di vista. In combinazione con l'adattamento della risoluzione, questo migliora l'accuratezza del fattore di vista con un numero ottimale di raggi. Inoltre, per tutti i metodi di calcolo del fattore di vista, le espressioni utilizzate per definire le variabili e le equazioni sono ora pre-elaborate in modo da facilitarne la lettura e velocizzarne la valutazione durante la fase di assemblaggio. I modelli seguenti mostrano questi nuovi miglioramenti:

• cavity_radiation
• chip_cooling
• heat_sink_surface_radiation
• inline_induction_heater
• light_bulb
• parallel_plates_diffuse_specular_ray_shooting
• parasol
• potcore_inductor
• thermal_annealing
• tpv_cell
• view_factor
• petzval_lens_stop_analysis_with_surface_-_to_-_surface_radiation

Flusso termico solare in spiaggia, dove due contenitori di polistirolo contengono lattine di bevande che raggiungono temperature diverse a causa dell'effetto di schermatura esercitato da un ombrellone su uno di essi.

Tasso di fluenza

Nell'interfaccia Surface-to-Surface Radiation è ora possibile aggiungere un nodo Fluence Rate Calculation per selezionare i domini in cui deve essere calcolato il tasso di fluenza. Il tasso di fluenza indica l'esposizione alle radiazioni se un piccolo oggetto viene collocato in una cavità. Questo è utile quando si vuole, ad esempio, verificare l'esposizione ai raggi UV in un reattore di purificazione dell'acqua. Questa nuova funzione è visibile nel modello Anular Ultraviolet Reactor, Transparent Water.

Fluence rate in an ultraviolet reactor filled with quasitransparent water.

Dati climatici: ASHRAE 2021

Le proprietà ambientali, come temperatura, umidità, precipitazioni e radiazione solare, possono essere definite da un nodo Ambient Properties in Definitions > Shared Properties. Oltre alla possibilità di aggiungere dati meteorologici definiti dall'utente, le variabili ambientali possono essere calcolate a partire da misurazioni medie mensili e orarie dai valori dei manuali forniti dall'American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). I dati meteorologici del manuale ASHRAE 2021 sono stati integrati in COMSOL Multiphysics^® e contengono i dati ambientali di oltre 8500 stazioni meteorologiche in tutto il mondo.

È possibile visualizzare questa nuova funzione nei seguenti modelli già disponibili:

• condensation_electronic_device
• isothermal_box
• wood_wall_frame

Temperatura massima a Glasgow; è mostrato l'aumento della temperatura misurata dopo il 2013. Dati tratti da ASHRAE Weather Data 2013 (blu) e 2021 (verde).

Funzioni a parete termica migliorate per la dissipazione viscosa

Nell'accoppiamento Noniosthermal Flow, sotto le impostazioni Heat Transfer Turbulence, è disponibile una nuova impostazione Thermal wall function per i modelli di turbolenza RANS. Sono disponibili due opzioni: Standard, adatta alla maggior parte delle configurazioni, e High viscous dissipation at wall, che tiene conto della dissipazione viscosa nello strato limite. Ciò è necessario per ottenere risultati accurati in caso di flusso interno ad alta velocità, soprattutto per percorsi stretti o se il fluido è molto viscoso. Il nuovo modello Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate evidenzia questa nuova funzionalità.

Profilo di temperatura (grafico di superficie) indotto dalla dissipazione viscosa in prossimità della parete e dalla direzione della velocità (frecce). La curva verde indica il limite dello strato limite (99% U_inf), mentre le curve ciano indicano il profilo di velocità a x = 0,97 m e a x = 1,9 m.

Funzione di transizione di fase definita dall'utente per il materiale a cambiamento di fase

Nella funzionalità Phase Change Material è disponibile una funzione di transizione di fase User defined che consente una descrizione più accurata delle proprietà del materiale. Questa opzione consente di utilizzare descrizioni accurate del cambiamento di fase da database di misure o di materiali. Questo aggiornamento è disponibile nel nuovo modello Phase Change in a Semi-Infinite Soil Column - Lunardini Solution e nei seguenti modelli già presenti:

• continuous_casting_apparent_heat_capacity
• cooling_solidification_metal
• frozen_inclusion
• isothermal_box
• phase_change

Temperature profile in an initially frozen domain heated over time.

Caratteristiche aggiuntive per il trasporto di umidità in mezzi porosi igroscopici

Per semplificare le definizioni dei modelli, l'accoppiamento multifisico Moisture Flow è stato aggiornato in modo che la variabile del tasso di evaporazione calcolata dall'interfaccia Moisture Transport sia considerata nel bilancio di massa calcolato dall'interfaccia Brinkman Equations. Inoltre, le condizioni al contorno Open Boundary e Inflow possono ora essere applicate ai confini esterni adiacenti ai domini in cui è attivo il Hygroscopic Porous Medium.

Nuovi tutorial

COMSOL Multiphysics^® 6.1 introduce diversi nuovi tutorial nell'Heat Transfer Module.

Orbit Calculation

Orbita e radiazione incidente di un CubeSat 1U a 400 km di altitudine, con un'inclinazione di 50° e una longitudine del nodo ascendente di 0°. Il colore nero della traccia dell'orbita indica l'eclissi. Vengono calcolati la radiazione totale e i carichi radiativi di tutte le sorgenti circostanti.

Application Library Title:
orbit_calculation
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Orbit Thermal Loads

Orbita del veicolo spaziale e radiazione incidente. Il colore della superficie terrestre rappresenta la grandezza dell'albedo. Un satellite in orbita subisce l'irraggiamento solare, l'albedo e l'IR planetario, dove l'albedo e l'IR planetario possono variare con la latitudine e anche con la longitudine. L'irradiazione totale e il flusso sul satellite sono valutati su diverse orbite.

Application Library Title:
orbit_thermal_ loads
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Spacecraft Thermal Analysis

Distribuzione della temperatura in un circuito stampato di un satellite con componenti elettronici. I carichi termici diretti solari, dell'albedo e dell'infrarosso terrestre sono precalcolati in uno studio Orbit Thermal Loads e riutilizzati su più periodi di orbita in uno studio Orbital Temperature.

Application Library Title:
spacecraft_thermal_analysis
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Plate-Fin Heat Exchanger

Flusso di olio e temperatura delle alette in uno scambiatore di calore a piastre. Per massimizzare il trasferimento di calore, lo scambiatore di calore è costituito da una matrice di alluminio poroso in cui scorre l'olio caldo. Il calore viene condotto attraverso le alette di alluminio a contatto con la matrice porosa. Queste alette sono modellate come strati sottili, il che significa che il loro spessore non è disegnato nella geometria ma è preso in considerazione nel modello di trasferimento del calore.

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

The temperature profile (surface plot) and velocity direction (arrows) of the Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate model. The plot shows the behavior of a turbulence model and wall functions in the boundary layer of a turbulent flow.

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

Fluence rate in an ultraviolet reactor filled with quasitransparent water. The reactor contains an annular fluid region surrounding a cylindrical lamp.

Application Library Title:
annular_ultraviolet_reactor_optically_transparent_water
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Tutorial Thermal Connector

Comparison of the temperature field in two similar structures. The bottom structure is computed in a classical geometry made of different domains. The top structure is computed as a combination of domains and shells that are connected using the Thermal Connector coupling.

Titoli in Application Library:
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

Automatic detection of suspicious radiation-direction definition in the user interface. The warning symbols indicate the boundaries where inconsistent radiation settings have been identified.

Application Library Title:
topology_verification_nonradiating
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