Cuando modelizamos transferencia de calor en estructuras delgadas en COMSOL Multiphysics^®, el software ofrece tres enfoques: Thermally Thin, Thermally Thick y General. La clave es elegir el que mejor represente cómo conduce y almacena la energía térmica esa lámina, membrana o pared ligera que estamos simulando. La característica de cada una de estas aproximaciones es la siguiente:

• Thermally Thin Approximation: No se consideran gradiente de temperatura a través del espesor. COMSOL Multiphysics^® asume que la temperatura es prácticamente uniforme en la dirección normal a la superficie. Es ideal para capas muy delgadas (barnices, películas, recubrimientos metálicos) donde el espesor es insignificante frente a la longitud de conducción. Simplifica mucho el cálculo porque se reduce a una ecuación en 2D, pero a costa de perder detalle si realmente existe un gradiente térmico a través del espesor.
• Thermally Thick Approximation: En este caso, COMSOL Multiphysics^® permite que la temperatura varíe a través del espesor, pero mantiene el tratamiento de la capa como una interfaz. Es útil cuando la estructura es delgada en términos geométricos, pero térmicamente no lo es. Por ejemplo, una pared de fibra con cierta resistencia térmica o un composite multicapa en el que sí importa cómo se distribuye el calor verticalmente. Obtienes más fidelidad sin tener que mallar la geometría completa.
• General Model: Esta opción te deja toda la libertad. No se asumen simplificaciones y el modelo se construye con las ecuaciones completas a través del espesor. Es la opción adecuada cuando la capa delgada deja de ser “tan delgada” en términos térmicos, o si necesitas capturar fenómenos más complejos.

En la Figura 1 se muestra un ejemplo sencillo, basado en un bloque de 1x1x0.2 m de ladrillo, en el que se aplica la condición de contorno “Thin layer” en la cara superior, que se considera una estructura delgada de plástico acrílico. La Figura 2 muestra la evolución de la temperatura a lo largo del espesor, considerando las aproximaciones de “Thermally Thin” y “Thermally Thick”. Estos resultados pretenden ilustrar lo expuesto anteriormente en cuanto a las características de ambas aproximaciones: mientras que la temperatura a lo largo del espesor se mantiene constante cuando se utiliza la aproximación de “Thermally Thin”, la aproximación de “Thermally Thick” introduce una cierta variación de temperatura a lo largo del mismo.

Figura 1. Modelo 3D sencillo creado en COMSOL Multiphysics^® para evaluar la diferencia de resultados entre la aproximación thermally thin y thermally thick. Se destaca la superficie en la que se aplica la condición de contorno “Thin Layer”.

Figura 2. Evolución de la temperatura a lo largo del espesor de una superficie delgada, considerando las aproximaciones de Thermally Thin y Thermally Thick como modelo de capa en COMSOL Multiphysics^®.

Referencias