COMSOL Heat Transfer Module 5.3a
DESCRIPCIÓN
El Módulo de Transferencia de Calor "Heat Transfer Module" aumenta considerablemente las capacidades básicas de transferencia de calor propias del motor de COMSOL Multiphysics. Una de las mejoras más importante es una interfaz para el modelado de radiación superficie a superficie, que es nuevo en COMSOL Multiphysics y sólo existe en este módulo. Además, las interfaces de modelado que se han creado para transferencia de calor por conducción, convección y radiación facilitan la definición de problemas de transferencia de calor complejos. Por ejemplo, el módulo proporciona interfaces de modelado para transferencia de calor general, transferencia de calor en capas finas y corazas, flujo no isotérmico y transferencia de calor en tejidos vivos. El módulo también implementa todas las capacidades multifísicas de COMSOL Multiphysics, que le permiten acoplar completamente la transferencia de calor con otros fenómenos físicos, por ejemplo con mecánica de fluidos, mecánica de estructuras o campos electromagnéticos.
Un importante componente del módulo es la Librería de Modelos, que se ha dividido en tres secciones que tratan: gestión térmica en la industria electrónica; procesos térmicos y producción; tecnología médica y bioingeniería. Estos modelos listos para usar que abarcan todos los niveles de complejidad están completamente documentados con instrucciones paso a paso.
La transferencia de calor es un fenómeno que ocurre en prácticamente cualquier tipo de proceso físico y, de hecho, puede ser un factor limitador determinante para muchos de ellos. Por tanto, su estudio es de vital importancia y la necesidad de potentes herramientas de análisis de la transferencia de calor es virtualmente universal. Respondiendo a esta necesidad, el Módulo de Transferencia de Calor de COMSOL Multiphysics aumenta en gran medida las prestaciones ya disponibles en el motor principal de COMSOL Multiphysics.
CARACTERÍSTICAS
- Radiación superficie a superficie con el método de Radiosidad
- Flujo no isotérmico para convección libre/natural y expansión térmica
- Condiciones de contorno de flujo con funciones de tasa de flujo para describir el funcionamiento de ventiladores
- Transferencia de calor en capas finas y corazas con conductividades bajas y altas
- Ecuación del biocalor para interacción de tejidos con fenómenos que producen calor, como por ejemplo los campos electromagnéticos
- Postprocesado adaptado a procesos de transferencia de calor
- Condiciones de contorno de transferencia de calor fuera de plano
- Conductividad térmica anisótropa
- 20 modelos punteros en los campos de la gestión térmica, los procesos térmicos y productivos y la tecnología médica y bioingeniería
- Toda la funcionalidad de COMSOL Multiphysics, junto con toda su potencialidad multifísica
SECTORES
La transferencia de calor juega un papel crucial en una gran variedad de campos de la ingeniería. En este módulo se ha escogido el enfoque en tres campos:
- Gestión térmica en Electrónica
- Procesos térmicos y producción
- Tecnología Médica y Bioingeniería
VERSIONES
5.3a
NOVEDADES
Esta versión trae una nueva condición de contorno de Entrada que puede tener en cuenta la temperatura y presión aguas arriba, un acoplamiento multifísico completo para el modelado de transporte de humedad en el aire, así como una nueva interfaz para el modelado de haces radiativos en medios absorbentes.
Nueva condición de contorno: Flujo de entrada
La nueva condición de contorno Inflow aplica un flujo de entrada de calor desde un dominio virtual, que se ha excluído del modelo para simplificar el análisis, con condiciones de flujo ascendente conocido. Al aplicarse en las entradas, donde previamente se hubiera aplicado una condición de contorno de Temperatura, la condicion de Inflow tiene en cuenta la temperatura y presión del fenómeno de flujo ascendente. Adicionalmente, no limita la temperatura en las aristas adyacentes a la entrada (o puntos en 2D), pero en su lugar asigna un flujo de calor que es consistente con las condiciones de flujo ascendente. en general, esto lleva a modelos físicos más precisos y realistas. Todos los modelos aplicables en la Biblioteca de aplicaciones se han actualizado para aprovechar esta condición de contorno.
El modelo de intercambiador de calor de flujo transversal da resultados más realistas teniendo en cuenta las propiedades de la corriente ascendente del flujo de entrada.
Acoplamiento multifísico de flujo de humedad
Manejar transporte de humedad es importante en un gran número de aplicaciones, incluyendo el embalaje electrónico y la física de la construcción. La versión 5.3a trae un conjunto completo de acoplamientos multifísicos para modelar transferencia de calor, transporte de humedad y flujo de fluido, permitiendo el modelado rápido y fácil de transporte de calor y humedad del mundo real.
Ampliando la funcionalidad de modelado de humedad incluída en previas versiones, el nuevo nodo de acoplamiento multifísico Moisture flow ahora está disponible para modelar tranporte de humedad en el aire mediante flujos laminares y turbulentos. Éste acopla las versiones laminar y turbulenta de las interfaces de Flujo monofásico con la interfaz de Transporte de humedad en el aire. Una ventaja del acoplamiento Moisture flow, que se encuentra en la rama de Transporte de especies químicas, es que gestiona la mezcla turbulenta y funciones de pared de humedad para flujos turbulentos. Al combinarla con la de Flujo no isotérmico y los acoplamientos multifísicos de Calor y humedad, se dispone de un conjunto de funcionalidades extenso para modelado de calor y humedad en materiales de construcción y aire húmedo. Para implementar el acoplamiento multifísico completo, primero se añade la versión de Aire húmedo del acoplamiento de Transporte de calor y humedad. Después se añade una interfaz de flujo monofásico laminar o turbulento. Finalmente, se añaden los acoplamientos multifísicos de Flujo no isotérmico y Moisture flow. Al añadir cada acoplamiento multifísico, el software automáticamente acoplará entre sí las interfaces físicas simples apropiadas.
Representación de las interfaces de Transferencia de calor, Flujo monofásico y Transporte de humedad con los asociados acoplamientos multifísicos.
Transformación irreversible en sólidos
La funcionalidad de atributo Transformación irreversible, disponible para transferencia de calor en sólidos bajo el nodo de dominio Sólido, ahoar ha ampliado sus capacidades para modelar transformaciones irreversibles inducidas térmicamente. Las aplicaciones incluyen el modelado fenomenológico de combustión y fusión sólida. El modelo de transformación previamente llamado Absorción de energía ha sido renombrado a Arrhenius kinetics y permite ajustar más configuracione para la tasa de reacción con una opción para especificar el polinomio para la ecuación cinética de Arrhenius de cualquier orden n.
Adicionalmente, la funcionalidad de atributo tiene una nueva opción Definida por el usuario para el modelo de transformación, donde se puede configurar la Fracción de transformación. Esta nueva opción es particularmente útil cuando ninguno de los modelos de transformación predefinidos se ajusta al modelo, y/o cuando la fracción de transformación se obtiene mediante una física definida por el usuario o interfaz matemática separada. Con las opciones definidas por el usuario, también se dispone de las capacidades para especificar cambios de entalpía, tener en cuenta la generación o pérdida de calor en el balance de energía y definir diferentes propiedades térmicas para el estado transformado.
Modelado de contacto térmico por una capa resistiva fina equivalente
Ahora se puede modelar contacto térmico con una nueva opción Equivalent thin resistive layer para el modelo de contacto térmico. Utilizando esta opción se puede definir contacto térmico basándose en la conductancia de contacto térmico efectiva. Esto es útil cuando la conductancia de contacto térmico efectiva es conocida a partir de medidas térmicas o cuando las propiedades de superficie, necesarias en los otros modelos de contacto, son conocidas. Esta opción ofrece tres posibilidades para definir la conductancia de capa, especificar la conductancia de capa, la resistencia de capa o la conductividad térmica y grosor de capa.
La nueva opción Equivalent thin resistive layer en el nodo de Contacto térmico.
Librería de coeficientes de transferencia de calor para fluidos arbitrarios
Los coeficientes de transferencia de calor disponibles en las librerías de coeficientes se definen para un número de configuraciones y se utilizan para simular calentamiento o enfriamiento debidos a un flujo de fluido externo que no es parte del modelo. La elección del material fluido previamente estaba restringida a aire, agua o aceite tranformador. Con la versión 5.3a se han introducido dos nuevas opciones para fluido externo cuando el coeficiente de transformación de calor se define por una correlación: Aire húmedo y Desde el material.
Cuando la opción Fluido se pone a Aire húmedo, la humedad relativa externa tiene que especificarse para disponer de una definición precisa de la correlación. Cuando la opción Fluido se pone a Desde el material se puede escoger cualquier material disponible en el nodo Materiales. Las propiedades correspondientes del material son entonces utilizadas para definir el coeficiente de transferencia de calor para la configuración seleccionada.
Capacidades mejoradas para transporte de calor y humedad
Fuentes de calor latente
El acoplamiento multifísico Transporte de calor y humedad combina las interfaces de Transferencia de calor y Transporte de humedad. Cuando ocurre la evaporación o condensación, puede absorber o emitir grandes cantidades de energía, que pueden ser un importante factor a incluir en el modelo. Ahora se puede tener en cuenta la evaporación y la fuente de calor latente asociada en el nodo de contorno Flujo de humedad, seleccionando la casilla Contributes to evaporation flux en la nueva sección Evaporación.
Además, una actualización de la interfaz de acoplamiento multifísico Calor y humedad automatiza la definición de fuentes de calor latente inducida por la interfaz de Transporte de humedad. El flujo de calor, inducido por la evaporación o condensación y definido por los nodos Superficie de pozo, Superficie húmeda, o Flujo de humedad, se añade a la ecuación de transferencia en los contornos correspondientes. Una casilla Include latent heat source on surfaces está disponible en la nueva sección Latent heat del nodo Calor y humedad para incluir este comportamiento.
Coeficientes de transferencia de humedad
De forma similar a los flujos de calor convectivos, el flujo de humedad puede definirse a partir de correlaciones de Nusselt establecidas para un número de configuraciones. Con la versión 5.3a se puede definir el flujo de humedad utilizando la analogía de capa de contorno de calor y masa. Por consiguiente, todas las correlaciones disponibles para diferentes geometrías y configuraciones de flujo de fluido en el nodo de Flujo de calor ahora están también disponibles en el nodo Flujo de humedad para definir flujo de humedad convectivo. Además, cuando está presente una interfaz de transferencia de calor en el modelo se puede enlazar la definición de coeficiente de transferencia de humedad al coeficiente de transferencia de calor definido en un nodo de Flujo de calor, en lugar de definirlo manualmente.
Interfaz de haz radiativo en medios absorbentes con ley de Beer-Lambert
La radiación electromagnética focalizada que se propaga en direcciones específicas, como la de los haces láser, se absorbe progresivamente a medida que penetra en materiales parcialmente transparentes, depositando potencia en el material en sí. Un modelo clásico y computacionalmente eficiente para la absorción de los haces radiativos refractados es la ley de Beer-Lambert. La nueva interfaz física Radiative beam in absorbing media proporciona funcionalidades para definir las propiedades de medios absorbentes, así como opciones para múltiples haces incidentes, como se ve en la imagen asociada. Esta formulación es válida para fuentes de luz incoherentes así como para fuentes coherentes, en la medida en que las escalas de longitud del calor depositado sean mucho más grandes que cualquier patrón de interferencia. Adicionalmente, es posible especificar una pared opaca que absorbe toda la intensidad radiativa, lo que produce calor, o definir contornos transparentes que permiten a la intensidad radiativa salir sin depositar energía en dicho contorno.
Modelo que contiene la interfaz Radiative Beam in Absorbing Media con dos haces incidentes con diferentes direcciones de propagación cruzándose entre sí en el volumen del medio absorbente.
Mejoras en los datos climáticos dependientes del tiempo
La última versión de la base de datos climáticos ASHRAE, Weather Data Viewer versión 6.0, ahora está disponible para definir variables ambientales en la sección Configuración ambiental de las interfaces de Transferencia de calor. Dispone de medidas promediadas mensual y por horas, listadas en el ASHRAE 2017 handbook por la Amerian Society of Heating, Rerigerating, y Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), para cerca de 8000 estaciones meteorológicas en todo el mundo. Además la sección Configuración ambiental se ha mejorado para una mejor navegación y búsqueda en la lista de estaciones meteorológicas (ver imágenes).
Nueva opción de datos climáticos (ASHRAE 2017) para la definición de variables ambientales en la sección Configuración ambiental de la interaz de Transferencia de calor.
Transferencia de calor en aleaciones con memoria de forma
El comportamiento de las aleacioines con memoria de forma (SMA) está estrechamente relacionada con la temperatura, y cualquier cambio estructural (Austenita ↔ Martensita) dará lugar a emisión o abosrción de energía, cambiando las propiedades térmicas de las aleaciones. La funcionalidad Shape memory alloy en las interfaces de transferencia de calor tienen en cuenta la fracción de volumen de Martensita y Austenita. Las propiedades térmicas efectivas se definen entonces a partir de las propiedades térmicas de cada fase. Esta funcionalidad de Shape memory alloy está diseñada para combinarse con la nueva funcionalidad de Shape memory alloy incluida en el módulo Nonlinear Structural Materials. Para incluirlo en un modelo, se selecciona la casilla Heat transfer in alloys en el nodo principal de la interfaz de Transferencia de calor, y la funcionalidad Shape memory alloy estará disponible como una condición de contorno de Dominio.
Versión de lámina de las partes geométricas para Heat sinks
Modelar transferencia de calor en láminas finas es una tarea importante y útil para reducir el coste computacional de los modelos. Reconociendo esto, la librería de elementos del módulo Heat Transfer se ha actualizado para incluir versiones con láminas de las diferentes partes geométricas parametrizadas dedicadas a heat sinks with pins, straight fins, o pins with dissimilar dimensions on the borders.
Heat sink con biseles con aletas 3D (izquierda) o aletas de láminas (derecha) generados con las partes heat sink.
Nuevo y mejorado acoplamiento multifísicos de calentamiento electromagnético
El nuevo nodo multifísico de Calentamiento electromagnético simplifica la configuración de modelos que acoplen las interfaces físicas de electromagnetismo y transferencia de calor. Consolida y reemplaza los nodos Fuente de calor electromagnética, Fuente de calor electromagnética contorno y Acoplamiento de temperatura en un único nodo con las mismas funcionalidades. Dentro de este nodo, se pueden seleccionar dominios, para fuentes de calor electromagnéticas volumétricas, y contornos, para fuentes de calor electromagético superficial en la ecuación de transferencia de calor. Adicionalmente, comunica la temperatura calculada por la interfaz de transferencia de calor a la interfaz electromagnética. El acoplamiento de temperatura es automático, y las secciones de Selección de dominio y Selección de contorno permiten controlar en qué entidades el acoplamiento está activo. Esta funcionalidad se utiliza para modelar calentamiento electromagnético como calentamiento Joule, calentamiento inductivo, calentamiento de microondas o calentamiento láser. Nótese que se necesitan módulos adicionales para calentamiento inductivo, de microondas y por láser.
Acoplamiento multifísico de efecto termoeléctrico
El nuevo nodo de acoplamiento multifísico de Efecto termoeléctrico tiene en cuenta fuentes de calor termoeléctricas tanto volumétricas como superficiales en la ecuación de transferencia de calor. Además añade la contribución de los efectos termoeléctricos a la densidad de corriente debido a diferencias de temperatura en dominios y en contornos. Reemplaza los nodos de Efecto termoeléctrico y Efecto termoeléctrico de contorno para modelar efectos Peltier, Seebeck o Thomson. La funcionalidad de acoplamiento multifísico Efecto termoeléctrico es la funcionalidad por defecto de la interfaz multifísica de Efecto termoeléctrico junto con el nuevo nodo de acoplamiento multifísico de Calentamiento electromagnético.
Turbulencia inducida por flotabilidad
La flotabilidad introduce una fuerza de volumen en el volumen del fluido que puede causar naturalmente inestabilidades. Al final, estas inestabilidades en el flujo se hacen caóticas, dando lugar a la aparición de turbulencia. La funcionalidad Gravedad, utilizada para modelar flotabilidad en el módulo CFD, ahora incluye la opción de tener en cuenta la turbulencia inducida por flotabiliad seleccionando la correspondiente casilla Include buoyancy-induced turbulence. Esta contribución al flujo turbulento entonces puede definirse automáticamente a través del acoplamiento multifísico Flujo no isotérmico o a través del número de turbulencia de Schmidt definido por el usuario.
La funcionalidad de Gravedad ahora incluye una opción para Incluir turbulencia inducida por flotabilidad.
Condición de contorno de entrada para flujo turbulento completamente desarrollado
La condicion de contorno Entrada para flujo turbulento completamente desarrollado proporciona los valores del perfil de velocidad y variable de turbulencia en un corte transversal de la entrada, considerando que el flujo hacia arriba del canal de entrada es de una cierta longitud y que el flujo está completamente desarrollado. En versiones previas de COMSOL®, un estimador aceptable de la sección cruzada del perfil de velocidad habría requerido el modelado de una sección muy larga de la entrada en el canal. La nueva condición de contorno proporciona un perfil de entrada muy preciso sin la necesidad de geometría adicional y por tanto reduce los recursos computacionales.
La entrada de una tobera con sección cruzada en estrella se modela utilizando la condición de entrada con flujo turbulento completamente desarrollado.
Nuevo modelo tutorial: Buoyancy Flow in Air
El nuevo modelo tutorial Buoyancy Flow in Air estudia el estado estacionario de la convección libre en una cavidad llena de aire y limitada por dos placas verticales. Las dos placas se mantienen a diferentes temperaturas, induciendo un flujo de flotabilidad en el dominio del aire. Las condiciones de trabajo se definen de forma que el régimen del flujo es laminar. El modelo contiene dos componentes: una 2D y otra 3D, proporcionando así los fundamentos para incluir convección natural en el aire en los modelos.
Nótese que el modelo está construido de forma similar que el ya existente Buoyancy Flow in Water. La principal diferencia entre los dos modelos es que la densidad del aire, modelada utilizando la ley del gas ideal, es dependiente de la temparatura y la presión.
Distribución de temperatura (niveles isotérmicos) y campo de velocidades (flechas) inducido por las fuerzas de flotabilidad cuando la diferencia de temperatura entre dos paredes verticales opuestas es 10 K.
Nuevo modelo tutorial: Laminar nonisothermal flow in a circular tube
Este nuevo modelo tutorial de verificación calcula la velocidad, presión y distribución de temperatura en un tubo circular utilizando una geometría axisimétrica 2D. Las condiciones de trabajo corresponden con un flujo laminar. Esta configuración de flujo no isotérmico ha sido bien estudiada y el flujo de calor entre el fluido y la pared se han medido experimentalmente. La figura asociada muestra el coeficiente de transferencia de calor deducido de la simulación en comparación con uno basado en el número de Nusselt publicado. Los resultados de la simulación concuerdan bien con las medidas experimentales.
Comparación de los coeficientes de transferencia de calor obtenidos de solució numérica de temperatura (rojo) y de correlaciones para el número de Nusselt (verde y azul).
Nuevo modelo tutorial: Turbulent nonisothermal flow over a flat plate
Este nuevo modelo tutorial de verificación calcula la velocidad, presión, y distribución de temperatura sobre una placa. Cuando el flujo es turbulento y completamente desarrollado, alcanza una región caliente de la placa. El coeficiente de transferencia de calor entre el flujo del aire y la placa se han medido experimentalmente y se dispone de diferntes correlaciones basadas en el número de Nusselt. Los resultados de la simulación concuerdan bien con los datos publicados.
Comparación de los coeficientes de transferencia de calor obtenidos de la solución numérica de temperatura (líneas continuas) y a partir de una correlación para el número de Nusselt number (líneas discontinuas).
Nuevo modelo tutorial: Dynamic Wall Heat Exchanger
Inspirado por un trabajo publicado, el modelo tutorial Dynamic Wall Heat Exchanger muestra un intercambiador de calor compacto que ha mejorado el rendimiento gracias al uso de una pared deformable con una forma de onda oscilante. Las oscilaciones de la pared inducen mezcla en el fluido y reduce la formación de capas de contorno térmico. Además, la deformación con forma de onda induce un efecto de bombeo similar al bombeo peristáltico que mitiga las pérdidas de presión. Este modelo incluye el acoplamiento multifísico Transferencia de calor conjugada y funcionalidades de mallas móviles para manejar la deformación de pared y del canal. La caída de presión a lo largo del intercambiador de calor y el coeficiente de transferencia de calor total se calculan para un intercambiador de calor dinámico y uno estático.
Distribución de temperatura en el canal del intercambiador de calor dinámico.
5.3
NOVEDADES
La nueva versión del módulo incluye nuevas funcionalidades para modelar transporte de calor y humedad en el aire, un nuevo resolvedor para modelar transferencia de calor en el dominio de la frecuencia, y partes de geometría de sumidero de calor para poder crear con mayor facilidad ciertas geometrías.
Transporte de calor y humedad
COMSOL Multiphysics® versión 5.3 incluye varias funcionalidades para ampliar más el modelado del transporte del calor y la humedad en el aire. Se dispone de una funcionalidad Aire húmedo en las interfaces de Transferencia de calor en aire húmedo y Transporte de humedad. Estas funcionalidades manejan el transporte de humedad por convección y difusión en el aire así como la mezcla turbulenta causada por difusividad de torbellinos cuando se necesita tener en cuenta las convecciones turbulentas de humedad. Las dos interfaces pueden acoplarse utilizando la funcionalidad multifísica Calor y humedad. En este caso, el transporte de calor y humedad en el aire se acoplan automáticamente en dominios donde se definen materiales de construcción.
La condensación de agua y la evaporización en superficies también puede jugar un papel significativo en aplicaciones en las que se simula el transporte de humedad en el aire. Estos mecanismos no solo influyen en el balance de material entre vapor y agua sino que también tienen gran influencia en el balance de energía debida al calor latente. Ahora es más fácil tenerlos en cuenta utilizando las condiciones de contorno de Superficie húmeda y Wet surface.
El modelado de la evaporación de agua en un vaso debido al flujo de aire seco caliente se simplifica en gran medida utilizando las funcionalidades predefinidas para transporte de calor y humedad.
Transferencia de calor en el dominio de la frecuencia
Cuando está sujeto a cargas periódicas de calor sinusoidal a una frecuencia determinada, la respuestas de un cuerpo a la temperatura se puede considerar que es periódica, sinusoidal, y de la misma frecuencia alrededor de la temperatura de equilibrio. Este problema periódico dependiente del tiempo puede reemplazarse por un problema equivalente de régimen permanente lineal en el dominio de la frecuencia, que es mucho menos computacionalmente costoso.
Las interfaces de transferencia de calor ahora soportan un resolvedor de Perturbación en el Dominio de la Frecuencia que calcula las variaciones de temperatura armónica alrededor de un estado de equilibrio. Adicionalmente, se puede añadir una subfuncionalidad de Perturbación armónico bajo la funcionalidad Temperatura para prescribir variaciones armónicas. Las funcionalidades de Fuente de calor y Fuente de calor de contorno también pueden actuar como cargas de perturbación si se selecciona la opción de Perturbación armónico.
Partes geométricas para sumideros de calor
Una manera clásica de refrigerar un dispositivo es añadirle un sumidero de calor, lo que a veces se combina con una ventilador para mejorar el enfriamiento. La Librería de partes en el módulo Heat Transfer ahora contiene diferentes partes de geometría parametrizadas para sumideros de calor con aletas de pines, aletas rectas o aletas de pines con dimensiones diferentes en los bordes. Estas nuevas partes facilitan la inclusión de sumideros de calor en cualquier modelo.
Selecciones de piezas sumidero de calor en la Librería de partes del módulo Heat Transfer, donde se ha seleccionado un sumidero de calor con pines para refrigerar.
Materiales de construcción y refrigerantes
Una Librería de materiales de construcción, que ahora está disponible con el módulo Heat Transfer Module, proporcionar propiedades higroscópicas y térmicas de materiales utilizados comúnmente en edificación. Estos materiales posibilitan la configuración rápida de modelos de calor y humedad utilizando propiedades de materiales realistas para materiales de construcción. Las propiedades de los materiales incluyen capacidad calorífica, conductividad térmica, densidad, contenido de agua, permeabilidad al vapor, etc. Además, dos nuevos materiales refrigerantes se han añadido en la base de datos de materiales Líquidos y Gases: R-134A y R-22.
Transformaciones irreversibles en sólidos
Cuando un material se expone a altas o bajas temperaturas, su composición puede transformarse irreversiblemente. Partes de sus energía de transformación puede ser consumida o liberada como una consecuencia del cambio del material o la reacción química que está ocurriendo. El atributo Transformación irreversible, disponible bajo el nodo de dominio Sólido, se define para modelar este tipo de transformaciones irreversibles inducidas térmicamente. Esta funcionalidad implementa un Umbral de temperatura o un modelo de Absorción de energía para tener en cuenta la transformación. Entonces, puede tenerse en cuenta la generación o pérdida de calor durante la transformación en el balance de energía definiendo el cambio de entalpía. Finalmente se pueden definir propiedades térmicas diferentes para el estado transformado.
Elementos de serendipia para transferencia de calor
Cuando se utiliza el método de los elementos finitos, la elección del elemento puede jugar un papel clave en la precisión y el rendimiento de la simulación. Ahora se han introducido los elementos de serendipia para aplicaciones de transferencia de calor, que incluye una función de forma (serendipia) alternativa. Esto significa que para un orden dado de elemento, las funciones de forma de serendipia requieren menos recursos computacionales que la función de forma de Lagrange equivalente. La función de forma de Lagrange generalmente es más precisa que la función de forma serendipia. Las dos funciones son idénticas para mallas tetraédricas y triangulares.
Radiación simétrica superficie a superficie utilizando dos o tres planos perpendiculares
La funcionalidad global Simetría para radiación superficie-superficie contiene nueva opciones disponibles para modelos 2D y 3D cuando una de las interfaces de Transferencia de calor con radiación entre superficies o Radiación de superficie a superficie está activa. Esta nueva funcionalidad puede utilizarse para aprovecharse de múltiples planos de simetría para reducir el tamaño de la malla y requerir menos recursos computacionales. En modelos 2D, se pueden definir dos planos perpendiculares. En 3D, se pueden definir o dos planos perpendiculares con una intersección paralela a uno de los ejes o tres planos perpendiculares paralelos a los ejes.
Adicionalmente, en la funcionalidad global Simetría para la radiación superficie-superficie se puede visualizar el/los plano/s de simetría en la ventana Gráfica a lo largo de la geometría. Esto está pensado para facilitar la definición de el/los plano/s para todo tipo de simetría. Se dispone de una casilla de verificación para mostrar/esconder los planos en la ventana de Gráfico.
La interfaz de usuario para la funcionalidad Symmetry for Surface-to-Surface Radiation con la opción de Dos planos perpendiculares de simetría seleccionada para el tipo de simetría.
Nuevas correlaciones para cilindro y esfera en Flujo externo
Para la mayoría de simulaciones de enfriamiento convectivo se necesita calcular la transferencia de calor en el fluido circundante junto con la velocidad del flujo. Sin embargo, cuando el coeficiente de transferencia de calor es conocido por la componente de convección de la configuración estudiada, se puede obtener una buena precisión con bajo coste computacional modelando únicamente la transferencia de calor en la fase sólida y utilizando coeficientes de transferencia de calor en los contornos. Esta capacidad estaba disponible en versiones anteriores de COMSOL cuando se escogía las opciones Plato, coeficiente de transferencia promediado o Plato, coeficiente de transferencia local en el atributo Flujo de calor cuando se seleccionaba el atributo Flujo de calor convectivo. Ahora se dispone de dos opciones adicionales para un Cilindro en flujo cruzado y una Esfera cuando se define el coeficiente de transferencia de calor en el menú desplegable Convección forzada externa.
Radiación solar difusa y directa en modelos de radiación entre superficies
Cuando se utilizan las funcionalidades Superficie difusa y Espejo difuso en modelos de radiación entre superficies, ahora se dispone de la opción para tener en cuenta la irradiancia solar difusa. En la sección Ambiente de la ventana de Ajustes de estas funcionalidades se puede seleccionar la opción de Irradiancia horizontal no difusiva con cielo despejado, cuando se escoge Incluir irradiancia difusa. Esta contribución se añade a la irradiancia solar directa (rayos solares incidiendo directamente en las superficies) definida por la funcionalidad de Fuente de radiación externa y la opción Irradiancia normal directa con cielo despejado. Ambas propiedades de irradiancia solar están definidas en la sección de Ajustes de Ambiente de la interfaz física.
Diferencia de temperatura automática cuando se evalúa la conductividad equivalente por convección
En la funcionalidad Fluido de las interfaces de transferencia de calor, la sección de Conductividad equivalente para la conducción proporciona una nueva opción, Automático, para evaluar la diferencia de temperatura en el número de Rayleigh cuando se escogen correlaciones de Nusselt para las opciones de Cavidad horizontal calentada desde abajo y Cavidad vertical rectangular. El software automáticamente determina la diferencia de temperatura para encontrar la diferencia entre temperatura máxima y mínima de los contornos del dominio.
Término dependiente del tiempo en la funcionalidad de Capa fina
La opción de aproximación termalmente gruesa en la funcionalidad de Capa fina ahora tiene en cuenta un término dependiente del tiempo que modela el almacenamiento de energía dependiente del tiempo. Es necesario definir propiedades de materiales adicionales para la Densidad de la capa y la Capacidad calorífica de la capa en la sección de Termodinámica para el término dependiente del tiempo. Esta funcionalidad mejora la precisión del modelo cuando la capacidad calorífica de una Capa fina es grande en comparación con los materiales circundantes.
Capacidades ampliadas de la Película delgada y de Revestimiento de capa delgada
Las funcionalidades Película delgada y Revestimiento de capa delgada ahora incluyen nuevas funciones que anteriormente solo estaban disponibles para la funcionalidad de Capa fina en la interfaz de Transferencia de calor en sólidos. Esto proporciona una subfuncionalidad de Fuente de calor por defecto así como una subfuncionalidad de Temperatura externa, que se hace disponible al seleccionar General como el modelo de Película delgada en la ventana de Ajustes de Película delgada. En la interfaz de Transferencia de calor en placas delgadas, la funcionalidad de Película delgada contiene la subfunción Temperatura externa con una opción adicional para proporcionar temperaturas positivas y negativas. La funcionalidad de Revestimiento de capa delgada, en la misma interfaz, contiene subfuncionalidades de Fuente de calor y Temperatura externa, incluyendo las temperaturas positiva y negativa.
Los ajustes para la funcionalidad de Temperatura externa proporciona opciones para controlar la temperatura externa en cada lado de la placa.
Mejoras para los datos ambientales
Existen tres nuevas mejoras en las funcionalidad de Datos ambientales, donde la interfaz de usuario para la Fuente de radiación externa se ha sincronizado con la funcionalidad de Ajustes de Ambiente. Además, se ha añadido la temperatura ambiental como una entrada en la funcionalidad Dominio isotérmico cuando la opción de definición de temperatura se pone a De temperatura prescrita. Finalmente, todas las variables de datos ambientales ahora están disponibles como variables globales y pueden utilizarse en una evaluación global para propósitos de postprocesado.
Nuevo modelo tutorial: Enfriamiento de chip electrónico
Un nuevo modelo tutorial utiliza una geometría de sumidero de calor de la Librería de partes. El tutorial muestra diferentes enfoques de modelado de transferencia de calor al estudiar el enfriamiento de un chip electrónico. En la primera parte, solo se modelan las partes sólidas, mientras que el flujo de aire convectivo se modela utilizando las condiciones de contorno de Flujo de calor convectivo. En la segunda parte el modelo se amplía para incluir un dominio de fluido para el canal del flujo para calcular la temperatura y velocidad acopladas del fluido considerando que el comportamiento es no isotérmico. En la última parte, se considera radiación entre superficies para ver cómo contribuye significativamente en los resultados.
Distribución de temperatura en el sumidero de calor añadido al chip.
5.2a
NOVEDADES
COMSOL Heat Transfer Module 5.2a permite incorporar datos del tiempo en sus simulaciones, una opción predefinida para incluir efectos de flotación en modelos de transferencia de calor conjugada, nuevos materiales en la base de datos Bioheat, y mucho más. Veamos algunos detalles de la nueva versión.
Datos climáticos dependientes del tiempo para 6000+ estaciones (ASHRAE 2013)
Una nueva sección llamada Ambient Settings ahora está disponible en la ventana de Ajustes de las interfaces de Transferencia de calor para la definición de variables ambientales, como la temperatura, la humedad relativa, presión absoluta, velocidad del viento e irradiancia solar. Después de definir estas variables una vez, quedan disponibles como entradas en varias funcionalidades de todas las interfaces del módulo Heat Transfer Module.
La especificación de variables ambientales, por defecto, se realiza por el usuario (definido por el usuario). Sin embargo se puede escoger que sean calculadas a partir de medidas promedio mensuales y horarias a partir de los valores proporcionados en el Manual ASHRAE 2013, que son recogidos a parid de los datos medidos por estaciones meteorológicas en todo el mundo y proporcionados por la American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Se dispone de varios ajustes para escoger la localización, hora específica y las condiciones ambientales que están disponibles. Esto hace que sea más rápido y fácil acceder a una amplia cantidad de datos en una localización relevante para el modelo. La condición por defecto corresponde al valor medio para una fecha y hora dados. Entre las diferentes posibilidades el usuario también puede acceder a las temperaturas más alta o más baja registrada por la estación seleccionada, o valores correspondientes a los valores medios pero desviados por una desviación estándar.
Cuando se realizan estudios transitorios, los datos climáticos se sincronizan automáticamente con el rango de tiempos configurado en el resolvedor.
Los datos del tiempo ambiental están disponibles en la forma de variables como entradas para varias funcionalidades. Por ejemplo, en la funcionalidad de Flujo de calor, la temperatura ambiente, la presión absoluta ambiental y la velocidad del viento pueden utilizarse en correlaciones que definen el coeficiente de transferencia de calor.
Definir las condiciones ambientales a nivel de interfaz garantiza la consistencia en todo el modelo además de que evita más definiciones de variables para los datos ambientales. La utilización de los datos climáticos es útil para validar condiciones operativas de un dispositivo basándose en datos reales. Gracias a las opciones de condiciones múltiples, se puede comprobar el comportamiento del dispositivo en condiciones extremas o en condiciones estándar con el deseado margen de seguridad.
Opción predefinida para incluir efectos de flotación en modelos de transferencia de calor conjugada
Las fuerzas de la gravedad son responsables de los efectos de flotación que se observan tan pronto como hay diferencias de densidad en un fluido. La mayoría del tiempo, estas diferencias en densidad vienen de variaciones de temperatura en un gas o un líquido. La convección natural corresponde a una configuración donde el flujo es dirigido por las fuerzas de flotación y es un punto clave en muchas aplicaciones, como en ahorro de energía (cuando la convección natural induce movimiento de fluidos, mejora la transferencia de calor; y por lo tanto las pérdidas) o el enfriamiento electrónico (el enfriamiento basado en convección natural o enfriamiento sin ventiladores es apreciado porque no involucra ningún dispositivo mecánico y es silencioso).
Con la nueva propiedad de Gravedad, disponible en la interfaz de Flujo Monofásico, se pueden incluir fácilmente efectos de la gravedad. Cuando se selecciona, la propiedad de gravedad añade el subnodo Gravedad en el árbol del modelo, donde es posible editar la Aceleración de la gravedad. El subnodo Gravedad define una fuerza volumétrica correspondiente a la gravedad en todos los dominios donde la interfaz está activa.
Se dispone de dos formulaciones para implementar la ecuación del flujo de fluido con gravedad: La formulación de presión relativa (por defecto) y la formulación de presión reducida. Cuando la formulación de presión relativa es seleccionada, las funcionalidades que utilizan una presión externa o una tensión total externa permiten considerar la presión hidrostática (flujo incompresible) o la aproximación de presión hidrostática (flujo débilmente compresible o compresible). Cuando se selecciona la opción de presión reducida, las ecuaciones del flujo se definen utilizando la presión reducida como una variable dependiente, adecuada en casos donde las variaciones de la fuerza de flotabilidad son pequeñas en comparación al valor absoluto de las fuerzas de flotación.
Amplitud de la velocidad del flujo generado por la flotabilidad (líneas de flujo en m/s) inducido por la disipación de calor de un chip en una tarjeta de circuito vertical (temperatura en K).
Acoplamiento multifísico de transporte de calor y humedad
Se dispone de un nuevo conjunto de interfaces y funcionalidades para modelar el transporte acoplado de calor y humedad en materiales de construcción teniendo en cuenta el almacenamiento de calor y humedad, efectos de calor latente, y transporte líquido y convectivo de humedad. El acoplamiento multifísico de calor y humedad puede modelar diferentes fenómenos de variación de humedad en componentes de construcción. Durante los meses más cálidos, esta funcionalidad puede utilizarse para modelar el secado de la humedad inicial de la construcción, así como la condensación debida a la migración de la humedad desde fuera a dentro del edificio. Durante los meses frios la funcionalidad puede utilizarse para modelar la acumulación de humedad por condensación intersticial debida a difusión.
Modelo de material de construcción
El modelo de Material de construcción es la funcionalidad de dominio por defecto de la interfaz de Transferencia de calor en materiales de construcción y puede añadirse a cualquier interfaz de transferencia de calor. Esta funcionalidad modela medios porosos que contienen agua y aire húmedo, siguiendo las ecuaciones en derivadas parciales derivada del EN 15026:2007 (Hygrothermal performance of building components and building elements - Assessment of moisture transfer by numerical simulation, CEN, 2007).
Las propiedades térmicas efectivas se determinan a partir del material seco y el contenido de agua. Adicionalmente, se determinan un término de fuente de calor o sumidero a partir de la transferencia de humedad y el calor latente de evaporación.
Interfaz de transporte de humedad
La interfaz de Tranporte de humedad modela transferencia de humedad. La funcionalidad de dominio por defecto, Medio poroso, tiene en cuenta el almacenamiento de humedad, las fuerzas de succión por capilaridad y el transporte convectivo de vapor. De forma similar a la funcionalidad de Material de construcción, implementa ecuaciones en derivadas parciales derivadas del EN 15026.
La interfaz de Transporte de humedad también proporciona funcionalidades para definir una Fuente de humedad, Barrera de humedad delgada, Contenido de humedad o Flujo de humedad.
Comprensibilidad de flujo monofásico
Una nueva funcionalidad, Flujo débilmente compresible, se ha introducido como una opción intermedia entre flujo incompresible, donde la densidad se considera constante; y flujo compresible (Ma < 0.3), donde la densidad puede cambiar arbitrariamente. Cuando se selecciona, la funcionalidad de Flujo débilmente compresible asegura que la densidad es únicamente dependiente de la temperatura. Si las propiedades del material definen una densidad dependiente de la presión, se evalúa a la presión de referencia definida en la interfaz.
Esta opción es de particular utilidad para los gases en los casos donde las variaciones de presión son demasiado pequeñas para afectar significativamente a la densidad. Esto est típico en la mayoría de aplicaciones de enfriamiento de aire a bajas velocidades; en estos casos, eliminar la dependencia de la presión de la densidad puede mejorar en gran medida el rendimiento computacional.
Resultados de una simulación de refrigeración de aire donde la dependencia de la presión de aire se ha despreciado. El gráfico muestra el campo de temperatura (Heat Camera) y las líneas de flujo del flujo de fluido (Jupiter Aurora Borealis) donde el grosor de las líneas es proporcional a la amplitud de la velocidad.
Condición de simetría del sector para una radiación superficie a superficie
Una manera de reducir los costes computacionales de una simulación es utilizar los planos de simetría o sectores de simetría para reducir la geometría. A partir de simulaciones PDE generales, las condiciones de contorno de simetría son aplicables. Sin embargo, la radiación superficie a superficie requiere la evaluación de factores de vista que requieren la reconstrucción de la geometría completa durante su evaluación.
Para superar este requisito, ahora se dispone de una nueva opción llamada Sectores de simetría, para modelos 2D y 3D en la funcionalidad de Simetría para Radiación superficie a superficie. Ésta soporta un número arbitrario de sectores y proporciona una opción para definir un plano de reflexión en cada sector. Con esta opción, ahora se puede mejorar la eficiencia computacional calculando y almacenando los factores de vista para únicamente un sector de una geometría con simetría. Adicionalmente, el número de grados de libertad, para todas las demás variables del modelo en la simulación, consecuentemente.
Acoplamiento multifísico de flujo no isotérmico compatible con los materiales de cambio de fase
Una de las maneras clásicas de modelar el movimiento de la fase líquida durante un cambio de fase es resolver la ecuación del flujo fluido en todo el dominio del material de cambio de fase y entonces asignar propiedades particulares al material en la fase sólida. Esto garantiza que la parte sólida del material permanece inmóvil o tiene un movimiento de cuerpo rígido. En la parte fluida, las propiedades reales del fluido son definidas y entonces se puede calcular el flujo de fluido. En COMSOL Multiphysics® 5.2a, puede utilizarse el acoplamiento multifísico de Flujo no isotérmico para acoplar transferencia de calor en un material de cambio de fase con un flujo de fluido.
Funcionalidad de opacidad refactorizada
La subfuncionalidad Opaco utilizada en la radiación superficie a superficie se ha remplazado por la nueva funcionalidad Opacidad y está disponible bajo dodas las funcionalidades principales de dominio, incluyendo la de Fluido (antes Transferencia de calor en Fluidos), Material de cambio de fase (antes Transferencia de calor con Cambio de fase), Material de construcción, y funcionalidad de Domino isotérmico. La opacidad se configura seleccionando Transparente u Opaco en la ventana de Ajustes.
Transferencia de calor en estructuras delgadas
Formulación general para Películas delgadas
Se dispone de una nueva opción, el modelo de película delgada General, en la funcionalidad Película delgada y proporciona una discretización del campo de temperatura a través del grosor de la película. Esta nueva opción define una dimensión extra para tener en cuenta los cambios de la temperatura a través del grosor de la película. Se puede utilizar la funcionalidad de Película delgada en cualquier interfaz de transferencia de calor, incluyendo las interfaces de Estructuras delgadas. Esta formulación es útil para aplicaciones como modelado de cojinetes o, más general, cuando se necesita una representación precisa del perfil de temperatura en una película, particularmente en presencia de una fuente de calor o diferencia de temperatura grande a lo largo de la película.
Soporte añadido para temperaturas de los lados de estructuras delgadas
Dependiendo de la aproximación utilizada en la funcionalidad de Estructura delgada, la temperatura de los lados de una estructura delgada puede ser uniforme (aproximación Delgado térmicamente) o variar sobre el grosor (aproximación Grueso térmicamente u opción General). En COMSOL Multiphysics 5.2a las interfaces de Estructura delgada se han actualizado de forma que las funcionalidades de Radiación superficie a superficie - Superficie difusa, Espejo difuso o Radiosidad Prescrita - utilizan la temperatura de superficie de la estructura delgada desde el lado donde la radiación es emitida. La temperatura de superficie es, por ejemplo, utilizada para definir la potencia emisiva de superficie, que se evalúa basándose en la ley de Planck.
La base de datos de materiales Bioheat
La base de datos de materiales Bioheat se ha actualizado para que incluya los siguientes materiales:
- Hígado (porcino)
- Pulmón
- Miocardio (humano)
- Miocardio (porcino)
- Cortex renal
- Médula renal
- Bazo
Para prácticamente todos estos materiales, se proporcionan propiedades dependientes de la temperatura a través de expresiones lineales o polinomicas; para el resto se dan valores constantes. Adicionalmente, las propiedades para el material Próstata se han actualizado.
Nueva app: Calentador de inducción en línea
Los aceros inoxidables ferríticos se están haciendo cada vez más populares en la industria alimenticia debido a su precio relativamente bajo y estable y a la ausencia de níquel en sus componentes. Su resistencia a la corrosión puede mejorarse añadiendo cromo o molibdeno, y sus propiedades magnéticas ofrecen nuevas técnicas en el procesado de alimentos.
La nueva aplicación de Calentador de inducción en línea calcula la eficiencia de un aparato de inducción magnética para calentar alimentos que fluye en un conjunto de tuberías de acero inoxidable ferrítico. Una bobina electromagnética circular se enrolla alrededor de un conjunto de tuberías en las cuales fluye y es calentado un alimento líquido. Un campo magnético, que resulta de la corriente que pasa a través de la bobina, genera corrientes inducidas, responsables del calentamiento inductivo. Finalmente, el calor se transfiere al fluido esencialmente por conducción.
Con esta app, se pueden investigar varios conjuntos de configuraciones de tuberías cambiando sus números, longitud, grosor y material. También se puede sintonizar la bobina seleccionando el número de vueltas, radio de los hilos, densidad de corriente o frecuencia de excitación. Para optimizar el diseño, la aplicación informa sobre la temperatura máxima global del fluido, temperatura mínima en la salida, la elevación de temperatura media en la salida y la eficiencia térmica del calentador.
Interfaz de la app Inline Induction Heat, mostrando la temperatura y la densidad de flujo magnético.
Modelo tutorial actualizado: Evaporación en medios porosos con grandes relaciones de evaporación
La evaporación en medios porosos es un proceso importante en las industrias de la alimentación y del papel, entre otras. Deben de considerarse muchos efectos físicos: flujo del fluido, transferencia de calor y transporte de los fluidos y gases participantes. Todos estos efectos están fuertemente acoplados y pueden utilizarse interfaces predefinidas para modelar estos efectos con el módulo de Transferencia de calor.
Este modelo tutorial describe un caso arbitrario de secado de un objeto poroso utilizando flujo de aire laminar. El aire es seco en la entrada y su contenido de humedad crece a través del medio poroso. Se centra en los pasos adicionales requeridos para implementar el flujo multifase en medios porosos junto con la evaporación de una fase líquida a gaseosa. Se calcula la saturación de agua en el medio poroso a través del tiempo.
Humedad relativa inducida por un medio poroso húmedo en un flujo seco.
5.2
Nueva app: Diseñador de tubo con aletas
Los tubos con aletas son utilizados en los enfriadores, calentadores o intercambiadores de calor para incrementar la transferencia de calor. Vienen en diferentes tamaños y diseños dependiendo de la aplicación y los requisitos.
Cuando las aletas se ponen fuera de la tubería, incrementan la superficie de intercambio de calor de la tubería de forma que un fluido externo refrigerante o calentador puede intercambiar calor de forma más eficiente. Cuando se ponen dentro del tubo es el fluido interior el que se beneficia de una superficie mayor de intercambio de calor. En lugar de aletas, las ranuras también pueden incrementar la superficie de intercambio de calor, particularmente dentro de la tubería donde el espacio es limitado.
Con la app de diseño de tubos con aletas se puede personalizar una tubería cilíndrica larga con aletas o ranuras internas o externas para observar sus efectos de enfriamiento. La app calcula el rendimiento térmico de una tubería que se llena con agua y entonces es enfriada o calentada por el aire que la rodea con convección forzada.
Varias configuraciones geométricas están disponibles para la estructura externa (láminas de disco apiladas, ranuras circulares, láminas helicoidales o ninguna) y para la estructura interna (ranuras rectas o ninguna).
La app calcula la potencia disipada y la caída de presión como funciones de la geometría y la velocidad del aire.
La interfaz de usuario de la app Finned Pipe Designer muestra los ajustes de configuración de la tubería (propiedades geométricas y condiciones operativas) y los resultados de la simulación (velocidad y temperatura).
Nueva app: Enfriador termoeléctrico
Los enfriadores termoeléctricos son ampliamente utilizados para el enfriamiento electrónico en varias áreas de aplicación que van desde productos de consumo al diseño de naves espaciales. Cuando explotan el efecto Peltier constan de varios patas termoeléctricas haciendo sándwich entre dos placas térmicamente conductivas, una fría y una caliente. Debido a la variedad de aplicaciones pueden haber muchas configuraciones de enfriador termoeléctrico diferentes.
La app Thermoelectric Cooler cubre el diseño básico de un enfriador termoeléctrico de una fase de diferentes tamaños con diferentes tamaños y distribuciones de termopares. Se puede utilizar la app para ayudar a encontrar el mejor enfriador termoeléctrico para una aplicación específica. Los fabricantes también pueden utilizarla para optimizar los diseños y proporcionar valores de rendimiento relacionados con la aplicación. Además, la app sirve como punto de partida para cálculos más detallados con opciones de entrada adicionales y se puede ampliar a enfriadores termoeléctricos multifase.
Esto se realiza variando los parámetros geométricos de diferentes componentes del enfriador termoeléctrico, el material del que están hechas las patas termoeléctricas y algunas condiciones de funcionamiento.
Interfaz de usuario de la app Thermoelectric Cooler, con los ajustes para el diseño materiales y condiciones operativas.
Nueva app: medida de la conductividad térmica a través del método flash
Plano de simetría para radiación superficie-a-superficie
Una nueva funcionalidad de COMSOL Multiphysics 5.2 incorpora un plano de simetría en una simulación de transferencia de calor con radiación superficie-a-superficie en geometrías 2D, simetría axial 2D y 3D. En los casos aplicables esto facilita la representación de únicamente la mitad de la geometría lo que resulta en un cálculo con factor de vista que es dos veces más rápido. Además el número de elementos de la malla requerida se reduce a la mitad para todas las variables dependientes.
Temperatura externa para capas finas
La subfuncionalidad External Temperature está disponible bajo la funcionalidad Thin Layer cuando el tipo de capa se configura como Resistiva o General. Aplicable a contornos externos, esta funcionalidad permite especificar la temperatura en el lado exterior de la capa, mientras que el modelo determina la temperatura en la capa y en su cara interna.
Correlaciones adicionales para coeficientes de transferencia de calor
La librería de coeficientes de transferencia de calor tiene una nueva correlación de coeficientes de transferencia de calor para convección natural alrededor de un cilindro fino vertical. Este coeficiente de transferencia de calor le permite reemplazar una simulación de flujo no isotérmico con una condición de contorno de flujo de calor en los contornos del cilindro para reducir el coste computacional de la simulación.
Nueva subfuncionalidad para las funcionalidades de película fina y fractura
Un conjunto de cuatro nuevas subfuncionalidades amplía las capacidades de modelado disponibles para las funcionalidades Thin Film y Fracture. Estas subfuncionalidades son análogas a las ya disponibles para la funcionalidad Thin Layer:
- Sufuncionalidad Temperature
- Utilizada para especificar la temperatura en un conjunto de aristas que representan contornos finos de una película fina o fractura. Esta condición es necesaria cuando la película fina o entrada de fractura está en una arista exterior.
- Subfuncionalidad Line Heat Flux
- Define un flujo de calor a través de contornos de una película fina o fractura. La interfaz de usuario proporciona diferentes opciones para la definición del flujo: General inward heat flux; Inward heat flux; y para modelos 3D, la tasa de transferencia de calor global.
- Subfuncionalidad Surface-to-Ambient Radiation
- Define la radiación superficie-a-ambiente en un conjunto de aristas que representan los límites finos de una película fina o fractura. La interfaz de usuario proporciona entradas para la temperatura ambiental y la emisividad de superficie, que se utilizan para la definición del flujo de calor hacia adentro neto.
- Subfuncionalidad Source
- Define una fuente de calor interna dentro de una película delgada o fractura. Esta subfuncionalidad proporciona dos opciones para la definición de la fuente de calor: Fuente general y Tasa de transferencia de calor global
Ajustes del resolvedor para transferencia de calor actualizados
Los ajustes del resolvedor por defecto para las interfaces de transferencia de calor han sido actualizados. Se utiliza SOR en lugar de SOR Line como el presuavizador en el resolvedor multirejilla para modelos grandes, a menos que el modelo contenga un nodo de acoplamiento de Flujo No Isotermico. Esto lleva a tiempos de computación más cortos. Además un menor límite de temperatura a cero ha sido añadido para las situaciones cuando se utiliza un resolvedor segregado, cuando la unidad de temperatura se pone en Kelvin.
Nueva app: medida de la conductividad térmica a través del método flash
5.1
NOVEDADES
Nueva app: sumidero de calor con aletas
Esta nueva app incluye la geometría de un sumidero de calor que se parametriza y considera la transferencia de calor conjugada, donde el flujo de fluido se modela utilizando el modelo de turbulencia yPlus algebraico. El modelo puede simular diferentes anchos del sumidero de calor y dimensiones de aletas a velocidades de aire de refrigeración arbitrarios. Incluso el número de sumideros de calor se puede variar.
La salida proporciona la potencia de refrigeración y la caída de la presión media a lo largo del sistema. Mientras más aletas se añaden más alta es la potencia de refrigeración, pero la caída de la presión sobre el sumidero de calor aumenta en conformidad.
Interfaz de la aplicación que muestra el perfil de velocidad obtenido a través de los ajustes del usuario.
Nueva app: herramienta de dimensionamiento de un intercambiador de calor de tubo concéntrico
Modelos de turbulencia algebraica
Interfaz multifísica de no equilibrio térmico local
La interfaz multifísica Local Thermal Non-Equilibrium (LTNE) está diseñada para simular transferencia de calor en medios porosos en la escala macro, donde las temperaturas en la matriz porosa y el fluido no están en equilibrio. Difiere de los modelos macroscópicos para transferencia de calor en medios porosos más simples donde las diferencias de temperatura entre las fases sólida y fluido son despreciables. Las aplicaciones típicas pueden involucrar calentamiento o enfriamiento rápido de un medio poroso utilizando un fluido caliente, o generación de calor interna en una de las fases (debido a calentamiento inductivo o de microondas, reacciones exotérmicas, etc.) Este fenómeno se observa en dispositivos nucleares, sistemas electrónicos o celdas completas, por ejemplo.
Flujo en medios porosos acoplados o flujo turbulento
Las interfaces de flujo unifásico ahora pueden modelar flujo turbulento en un medio libre que está acoplado a un medio poroso. Se puede activar esta funcionalidad añadiendo un nodo de dominio Fluid and Matrix Properties para los modelos de turbulencia Algebraic yPlus o L-VEL. Estos modelos de turbulencia solo están disponibles en los módulos CFD y Heat Transfer, pero todavía se pueden acoplar a interfaces de flujo en medios porosos disponibles en otros módulos.
Se puede empezar con una interfaz de flujo en medios porosos y añadir un dominio de flujo libre o empezar con una interfaz de flujo libre y añadir un dominio poroso. La casilla Enable porous media domains añade la funcionalidad Fluid and Matrix Properties. Las ecuaciones de Brinkman se resuelven en los dominios porosos y las ecuaciones de Navier-Stokes con promedio de Reynolds se resuelven en los dominios de flujo libre.
Finalmente se han ampliado las capacidades de modelado con el hecho de que se puede añadir el término Forchheimer a las ecuaciones para flujo en medios porosos. Esto permite la descripción de velocidades intersticiales altas (p. ej. altas velocidades en los poros).
Esta figura muestra un filtro poroso, más lejos del espectador, soportado por una placa sólida perforada. Se bombea un flujo a través del filtro, donde el efecto del filtro poroso y las perforaciones en la placa de soporte sobre el flujo turbulento se tienen en cuenta automáticamente en la interfaz de flujo.
Acoplamiento de flujo no isotérmico en dominios porosos
Se ha introducido una funcionalidad de Fluid and Matrix Properties en la interfaz de flujo monofásico en COMSOL Multiphysics 5.1 en los siguientes módulos: Batteries and Fuel Cells, CFD, Chemical Reaction Engineering, Corrosion, Electrochemistry, Electrodeposition, Microfluidics y Subsurface Flow.
En paralelo, el nodo de acoplamiento multifísico de flujo no isotérmico, que se encuentra en el módulo Heat Transfer y en el de CFD, también se ha actualizado. Ahora puede simular el fenómeno multifísico que requiere el acoplamiento de las funcionalidades de transferencia de calor en medios porosos y el de propiedades de fluido y matriz. Esta prestación puede utilizarse para modelar flujo no isotérmico en medios porosos, como la convección natural que ocurre debido a distribuciones de temperatura variable a través de una matriz del medio poroso. La disipación viscosa y el trabajo realizado por las fuerzas de presión también se pueden obtener en dominios de medios porosos.
Además, es posible utilizar el nodo de acoplamiento multifísico de flujo no isotérmico para simular flujo turbulento no isotérmico. Esto se realiza utilizando el modelo de turbulencia algebraica en los dominios libre y acoplándolo a flujo en medios porosos sobre la interfaz.
Potencia de haz depositada
La nueva funcionalidad Deposited Beam Power está disponible en 3D y se utiliza para modelar haces de láser, electrones o iones estrechos, que depositan potencia en una mancha localizada. La interfaz proporciona diferentes opciones para definir las propiedades del haz y el tipo de perfil: gausiano o disco de sombrero de copa. También permite la definición del punto de origen del haz, su vector de dirección, su espesor y la potencia depositada. Desde estas entradas, la funcionalidad de potencia de haz depositada determina el punto de intersección con los contornos seleccionados y se aplica una fuente de calor localizada de acuerdo a la función de distribución seleccionada.
Efecto Marangoni
Ajustes de malla por defecto optimizados para interfaces de transferencia de calor
Correlaciones adicionales para coeficientes de transferencia de calor
Se han añadido dos correlaciones de coeficientes de transferencia de calor convectiva a la librería de coeficientes de transferencia de calor correspondientes a flujo externo inducido por convección natural, alrededor de una esfera o un cilindro horizontal largo. Estos coeficiente de transferencia de calor pueden ser utilizados para reducir los costes de simulación cuando la configuración del modelo corresponde a una de estas situaciones. En estos casos, el cálculo del flujo y la convección de calor en el fluido son reemplazados por una condición de contorno de flujo de calor en los contornos sólidos.
Funciones predefinidas para intensidad del cuerpo negro y potencia emisiva del cuerpo negro
Las interfaces de transferencia de calor proporcionan dos nuevas funciones, ht.flb(T) y ht.feb(T), para evaluar la intensidad del cuerpo negro y la potencia emisiva del cuerpo negro, respectivamente. Para ambas funciones, se tiene en cuenta el índice de refracción del medio. Como que estos dos valores se definen como funciones de una temperatura del cuerpo negro, es posible evaluarlas para temperaturas arbitrarias. Por ejemplo, ht.feb(5770[K]) devuelve la potencia emisiva a 5770 K, que es una temperatura utilizada para modelar el sol como un cuerpo negro.
Soporte mejorado para la funcionalidad de capa delgada
La funcionalidad e contorno de capa delgada (Thin Layer) se utiliza para modelar estructuras pequeñas (particularmente delgadas) que tienen un efecto notable sobre los resultados globales del modelo. A pesar de las pequeñas dimensiones de las capas, la temperatura puede variar significativamente dependiendo del grosor de las capas. Esta funcionalidad se ha actualizado para considerar otros fenómenos aparte de la conducción, como las condiciones de contorno superficie a superficie, dominios isotérmicos o funciones pared térmica.
Ecuaciones refactorizadas mostradas en la sección de ecuación
Nuevo tutorial: modelado de una sonda dieléctrica cónica para diagnosis de cáncer de piel
Nuevo tutorial: evaporación en medios porosos con una pequeña velocidad de evaporación
La evaporación en medios porosos es un proceso importante en las industrias alimenticias y del papel, entre otras. Pueden considerarse muchos efectos físicos: flujo de fluido, transferencia de calor y transporte de los fluidos participantes. Este modelo tutorial describe el flujo de aire laminar a través de un medio poroso húmedo. El aire es seco en la entrada y su contenido de humedad aumenta a medida que el flujo del aire fluye a través del medio poroso. La velocidad de evaporación es suficientemente pequeña para despreciar los cambios de propiedades inducidas en el medio poroso.
Tutorial actualizado: termo
Esta app calcula cuando calor disipa en un tiempo un termo que contiene un fluido caliente. Incluye la funcionalidad recientemente incluida de dominio isotérmico para monitorizar la temperatura.
![]() Decrecimiento de la temperatura del café (izquierda) y el perfil de la temperatura final (derecha) en un termo después de 10 horas. |
Tutorial actualizado: enfriamiento de una caja de electrónica
Nuevo tutorial: cálculo del factor de vista
5.0
Capas finasLas capas finas pueden ser difíciles de modelar cuando la relación de aspecto entre la geometría global y el groso de la capa es grande. La nueva funcionalidad de Capa Fina proporciona opciones para modelos concentrados rentables para representar capas finas cuando actúan como resistencia térmica (p. ej. como un espacio vacío entre dos piezas metálicas) o una capa altamente capacitiva (p. ej. una capa de cobre sobre un PCB). Se dispone de una tercera opción para el caso general donde no se hace ninguna asunción particular, por lo que las ecuaciones de transferencia de calor completas se resuelven en la capa. En este caso, una malla dedicada se genera automáticamente para la capa sin añadir ninguna complejidad al proceso de mallado de la geometría. Esta funcionalidad utiliza la nueva tecnología del núcleo para modelar dimensiones extra. Película finaLa nueva funcionalidad de Película Fina modela la transferencia de calor en regiones de fluido finas. Al utilizar la funcionalidad de Película Fina se evita que la película de fluido se represente explícitamente en la geometría, y se proporciona un modelo concentrado para la transferencia de calor para obtener un modelado rentable. La funcionalidad de Película Fina proporciona ajustes dedicados para definir las propiedades térmicas del fluido así como las propiedades del flujo. Esta funcionalidad utiliza la nueva tecnología del núcleo para el modelado de dimensiones extra. FracturasLa nueva funcionalidad de Fractura modela la transferencia de calor en fracturas como un medio poroso fino. Al utilizar la funcionalidad de Fractura se evita que el grosor de la fractura se represente en la geometría, y se proporciona un modelo concentrado para un modelado rentable. La funcionalidad de Fractura proporciona ajustes dedicados para definir el luido y piezas sólidas, así como las propiedades del flujo. El flujo puede ser definido por una interfaz de flujo, como la interfaz de Flujo de Fractura, por ejemplo. Esta funcionalidad utiliza la nueva tecnología del núcelo para modelar dimensiones extra. |
![]() Recuperación del calor de la tierra: La recuperación del calor de la tierra es un método de energía eficiente para proporcionar calor a las casas, donde existan colectores de calor en un entorno subterráneo. Este modelo compara diferentes patrones incrustados en el subsuelo con propiedades térmicas típicas de una capa superior del suelo en un jardín. |
![]() Evaporación: Este modelo simula el calentamiento y enfriamiento del agua en un vaso con y sin cambio de fase. Se añade un balance de masa para incluir el efecto de la evaporación. |
Transferencia de calor en barras altamente conductivasCuando un sólido con baja conductividad térmica contiene barras hechas de un material altamente conductivo térmico, como hormigón conteniendo refuerzos de acero, la contribución de la transferencia de calor de la barra no puede despreciarse. Sin embargo, representar las barras como dominios estrechos en la geometría no suele ser razonable por la relación de aspecto en la geometría y el coste de mallado inducido. La nueva funcionalidad de Barra Fina proporciona un modelo de transferencia de calor concentrado para modelar barras altamente conductivas térmicas como aristas. Análisis de daños criogénicosEl formulario de umbral de Temperatura para el análisis integral de daños en la funcionalidad de Tejido Biológico ahora proporciona opciones para realizar análisis criogénicos. Se pueden definir dos umbrales de temperatura: Uno es la temperatura por debajo de la que el daño ocurre progresivamente, y la segunda temperatura (inferior) es el umbral por debajo de la cual ocurre la necrosis del tejido. Funcionalidades de ventilador, ventilador interior y rejilla para flujo turbulentoLas funcionalidades de ventilador, ventilador interior y rejilla se han actualizado para soportar también modelos de turbulencia. Estas funcionalidades proporcionan modelos concentrados que reemplazan una descripción explícita del dispositivo por una condición de contorno. Por ejemplo, la condición de contorno Ventilador utilizad curvas del ventilador para determinar la bajada de presión a través del dispositivo y también ajustar las condiciones apropiadas para las otras variables dependientes. Cuando se utiliza una funcionalidad de acoplamiento de flujo no isotérmico se incluye el efecto de mezcla del campo de la temperatura en la salida del ventilador. |
Disipación viscosaLa nueva funcionalidad de Disipación Viscosa amplía las capacidades del software COMSOL para modelar pérdidas viscosas en flujos. Está disponible para transferencia de calor en flujos libres y en medios porosos, y la contribución de disipación viscosa se sincroniza con las propiedades del flujo (libre o medios porosos, régimen de flujo, y modelo). Dominios isotérmicosLa nueva funcionalidad de Dominio Isotérmico puede utilizarse para modelar regiones donde la temperatura se considera que es homogénea. En vez de resolver el campo de temperatura para la transferencia de calor, se utiliza una ecuación de calor global para determinar la temperatura del dominio como un valor constante en todo un dominio. La funcionalidad de Domino Isotérmico es compatible con la mayoría de las funcionalidades de los dominios clásicos, contornos, aristas y de punto. De todas maneras, se ha introducido una nueva condición de contorno dedicada para configurar condiciones globales en dominios isotérmicos. La funcionalidad de Dominio Isotérmico proporciona opciones para definir aislamiento térmico, flujo de calor convectivo, contacto térmico o ventilación entre dos dominios isotérmicos. Correlaciones basadas en Nusselt para conductividad térmica efectivaPara reducir el coste computacional de modelos de transferencia de calor conjugada, el efecto de mezclado de convección natural en cavidades puede modelarse desde el punto de vista térmico como un fluido inmóvil con una conductividad térmica más grande. Con esta aproximación no es necesario calcular el flujo en las cavidades. Las correlaciones de Nusselt proporcionan dos configuraciones: cavidad entubada en paralelo con gradientes de temperatura horizontal y vertical. También se dispone de una opción para una correlación definida por el usuario. |
![]() Medios participativos: Una masa fundida de vidrio se enfría a través de radiación. La simulación se realiza utilizando las tres radiaciones en modelos de medios participativos proporcionados en COMSOL Multiphysics para comparar la precisión y los costes computacionales. |
![]() Interfaz de coordenadas curvilineas: Este modelo muestra como modelar propiedades anisótropas de fibras en simulación de transferencia de calor. Las fibras tienen alta conductividad térmica en la dirección de la fibra y baja conductividad en la dirección perpendicular. Como que la orientación fibras no es fácil de definir explícitamente, se utiliza la interfaz de coordenadas curvilíneas para definir la orientación de la fibra. |
Lista de posiciones solares para ciudadesEn modelos que utilizan la radiación superficie a superficie con el sol como una fuente de radiación externa, se dispone de una nueva opción para definir automáticamente los parámetros de localización (latitud, longitud y zona horaria) de una lista de grandes ciudades. Opción para especificar la dimensión de fuentes de calor puntual/linealEn las funcionalidades de Fuente de Calor Lineal y Fuente de Calor Puntual, una nueva opción permite especificar el radio de la fuente. Haciendo esto se evita tener fuentes de calor infinitamente concentrados que lleven a soluciones dependientes de la malla. La tecnología utilizada no requiere que el tamaño del elemento de la malla coincida con el radio de la fuente de calor: La fuente de calor se maneja incluso con mallas gruesas. Además, refinando la malla cerca de la posición de la fuente lleva a soluciones estables que coinciden con la solución de la geometría correspondiente, donde la fuente se representara por un dominio en lugar de un punto. Nuevo orden de discretización para el Método de las Ordenadas DiscretasEl orden de discretización constante para el Método de la Ordenada Discreta ahora está disponible en las interfaces de Transferencia de Calor en Medios Participativos y Radiación en Medios Participativos. Esta discretización de bajo orden acelera el cálculo ya que reduce el número de grados de libertad. Amortiguación termoelástica y trabajo de presiónLa nueva funcionalidad de amortiguación termoeléctrica amplía las capacidades del software COMSOL para modelar el calentamiento de sólidos debido a la comprensión generada por vibraciones. En particular, esta funcionalidad maneja materiales con precisión con un coeficiente de expansión térmica no constante. Cuando se utiliza el nodo Multifísico para expansión Térmica, la contribución del amortiguamiento termoelástico se toma automáticamente de él. Propiedades de material térmico disponibles para todos los materiales de la Librería de Materiales internaLa librería de Materiales interna se ha actualizado para que todos los materiales disponibles contengan todas las propiedades necesarias para el análisis térmico. |
Mejoras en la radiación superficie a superficieSe han añadido varias mejoras en las funcionalidades superficie a superficie. Paralelización del código de radiaciónEl código utilizado para calcular el factor de vista para la radiación superficie a superficie se ha mejorado para soportar paralelización de memoria compartida. El tiempo del montaje para los modelos de radiación superficie a superficie ahora se ha reducido cuando COMSOL Multiphysics tiene acceso a múltiples núcleos. Soporte de radiación para acoplamiento de interfaz cáscara y sólidoAhora es posible acoplar una interfaz de dominio y una interfaz de cáscara que compartan campos de temperatura y radiosidad (por ejemplo, la interfaz de Transferencia de Calor en Sólidos puede acoplarse a la interfaz de Transferencia de Calor en cáscaras finas). Esto posibilita construir modelos superficie a superficie que contengan cáscaras y sólidos que estén separados por una región (normalmente aire o vacío) que se represente en la geometría (no mallado). Postprocesado del factor de vistaLas interfaces de transferencia de calor donde la radiación superficie a superficie está permitida, proporcionan un conjunto de operadores que son evaluados como las variables de irradiación en radiación superficie a superficie. Gracias a estos operadores, es posible recuperar los valores de la variable irradiación, y también calcula el factor de vista geométrico en una geometría dada. Postprocesado preciso de valores radiantesUnas nuevas variables de postprocesado habilitan el dibujo de variables de irradiación en puntos de Gauss donde estén definidas. Con esto se evita el suavizado innecesario inducido por los gráficos basados en puntos de Lagrange y facilita el análisis de esos gráficos. |
Nuevos modelos tutoriales
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4.4
Nuevos métodos para radiación en medios participativos
Dos nuevos métodos rápidos y eficientes en memoria están disponibles para radiación en medios participativos:
- Aproximación de Rosseland
- Aproximación P1
Son métodos aproximados y básicamente no son tan precisos o tan generales como el método de las ordenadas discreta, disponible desde las primeras versiones del software. Pero estos métodos resuelven aplicaciones que simulen radiación en medios participativos de forma mucho más rápida. La aproximación de Rosseland sólo está disponible en las interfaces completas de transferencia de calor en sólidos o fluidos, pero no está disponible en la interfaz de solo radiación para medios participativos. Ambos métodos también están disponibles para geometrías con simetría axial 2D. Para comparar, el modelo de verificación de transferencia de calor radiativo en medios cilíndricos finito se resuelve en un par de segundos, con el método de aproximación P1, a diferencia de más de dos horas con el método de ordenadas discretas.
Los nuevos métodos para radiación en medios participativos
El nodo multifísico de efecto termoeléctrico
Los materiales que muestran el efecto termoeléctrico son capaces de convertir diferencias de temperatura en tensiones eléctricas ya que el flujo de calor contiene portadores de carga. Alternativamente, aplicando una tensión a estos materiales resulta en un gradiente de temperatura a lo largo del material. Los dispositivos hechos con estos materiales a menudo son utilizados como calentadores termoeléctricos para calentamiento electrónico o refrigeradores portátiles, mientras que los dispositivos que recogen energía termoeléctrica también están empezando a hacerse populares.
Mientras que el calentamiento Joule (calentamiento resistivo) es un fenómeno irreversible, el efecto termoeléctrico es en principio reversible. Históricamente, el efecto termoeléctrico es conocido bajo tres nombres diferentes, reflejando su descubrimiento en experimentos por Seeveck, Peltier y Thomson. El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura en electricidad, el efecto Peltier es la conversión de electricidad en diferencias de temperatura, mientras que el efecto Thomson es el calentamiento producido por el producto de la densidad de corriente y los gradientes de temperatura. Estos tres efectos están relacionados termodinámicamente.
La nueva interfaz multifísica de efecto termoeléctrico está disponible en el Heat Transfer Module y es una combinación multifísica de las interfaces de corrientes eléctricas y transferencia de calor en sólidos. Escogiendo la interfaz desde el Model Wizard subsecuentemente añade un nodo multifísico dedicado en el Model Builder para permitir el control de los acoplamientos entre las físicas individuales. Alternativamente, se puede empezar con la física simple, como la interfaz de corrientes eléctricas, y entonces añadir la interfaz de transferencia de calor en sólidos más tarde, lo que automáticamente también añadirá el nodo multifísico. Como ocurre con todas las otras interfaces de COMSOL, la interfaz multifísica de efecto termoeléctico se puede acoplar con cualquier interfaz física, como con la interfaz de mecánica de sólidos, por ejemplo. Se han añadido dos materiales termoeléctricos a la Librería de Materiales: Telururo de Bismuto y Telururo de Plomo.
Modelo de brazo termoeléctrico
Este modelo de un brazo termoeléctrico muestra el enfriamiento Peltier. Es un modelo de verificación y demuestra cómo utilizar la nueva interfaz multifísica de efecto termoeléctrico y reproduce los resultados disponibles en la literatura.
El campo de temperatura muestra el enfriamiento resultante del efecto termoeléctrico en el dispositivo.
Nuevos métodos y variables para balances de calor y energía
Las formulaciones matemáticas para los cálculos de transporte de calor han sido mejorados. Esto ha resultado en variables revisadas para balances de calor y energía. Además, los flujos de calor en los contornos ahora pueden ser calculados con una mayor precisión.
Variables para flujos en la frontera
Para flujos en la frontera, ahora las siguientes variables proporcionan el valor preciso de flujos cuando están disponibles:
- ndflux: flujo de calor convectivo normal
- nteflux: flujo de energía total normal
- ntflux: flujo de calor total normal
Estas variables de flujo de frontera están disponibles en todas las interfaces físicas para transferencia de calor y todas las interfaces multifísicas que incluyan transferencia de calor. El nuevo método está activo por defecto, pero puede deshabilitarse desmarcando la casilla Compute boundary fluxes en la sección Discretization de las interfaces físicas para transferencia de calor. Para ver la sección de Discretización, habilítela desde el menú Show de la barra de herramientas del constructor del modelo (Model Builder). Si esta casilla no está seleccionada, entonces los cálculos de los flujos en las fronteras se realizan mediante extrapolando valores de los elementos finitos vecinos internos, que era el método utilizado en las versiones COMSOL 4.3b y anteriores.
Variables para balances de calentamiento y energía globales
El balance de energía ahora es más rápido y fácil de comprobar a través de la introducción de las nuevas variables globales. La evaluación de estos valores escalares reemplaza la necesidad de integrar todas las contribuciones del balance de energía sobre dominios, fronteras, aristas y puntos.
Se han añadido las siguientes variables globales a las interfaces de transferencia de calor en sólidos, transferencia de calor en fluidos, transferencia de calor en medios porosos, transferencia de calor con cambio de fase y transferencia de calor en tejidos biológicos:
- dEiInt: Potencia de calor acumulada total
- dEi0Int: Potencia de energía acumulada total
- ntfluxInt: Potencia de calor neta total
- ntefluxInt: Potencia de energía neta total
- QInt: Fuente de calor total
- WInt: Fuente de trabajo total
- WnsInt: Pérdidas de fluido total
Las siguientes variables globales han sido añadidas a muchas de las condiciones de contorno de transferencia de calor:
- Tave: Temperatura media ponderada
- ntfluxInt: Potencia de calor neta total
- ntefluxInt: Potencia de energía neta total
- ntfluxInt_u: potencia de calor neta total, superior
- ntefluxInt_u: potencia de energía neta total, superior
- ntfluxInt_d: potencia de calor neta total, inferior
- ntefluxInt_d: potencia de energía neta total, inferior
Modelo de enfriamiento y solidificación del metal
Este ejemplo muestra un proceso de colada continua con las interfaces de transferencia de calor con cambio de fase y radiación de superficie a ambiente. El metal líquido es derramado en un molde de sección cuadrada uniforme. La parte externa del molde es enfriada y el metal se solidifica a medida que fluye a través de él. Cuando el metal sale del molde está completamente solidificado en el exterior, pero todavía está líquido en el interior. El metal continuará enfriándose y finalmente acabará solidificándose completamente, punto en el que puede ser cortado en secciones. Este modelo no incluye calcular el campo de flujo del metal líquido; se considera que la velocidad del metal es constante en todas partes. La transición de fase desde el fundido al estado sólido se modela mediante un calor específico dependiente de la temperatura. Se aplican técnicas para alcanzar la convergencia y la selección de una malla apropiada para este modelo altamente no lineal.
El contorno de fase entre metal líquido y sólido en un proceso de colada continua.
Transferencia de calor en tejidos biológicos con análisis integral de daños
La necrosis de los tejidos (daños permanentes o muerte del tejido vivo) ocurre cuando pasa una de estas dos cosas, o se ha absorbido demasiada energía térmica o se ha excedido una temperatura crítica (típicamente la ebullición). Este análisis se utiliza en tratamientos médicos y en métodos quirúrgicos basados en calentamiento de tejidos. La absorción de la energía térmica a menudo se modela mediante las llamadas integrales del daño (damage integrals). La interfaz de tejidos biológicos en el módulo de transferencia de calor incluye dos formas de integral del Daño: umbral de temperatura y absorción de energía.
Simulación de la ablación de un tumor mostrando la fracción de un tejido necrótico como un gráfico de corte y en res diferentes localizaciones respecto al tiempo transcurrido.
La forma de umbral de temperatura es una sencilla desigualdad integrada de cuanto tiempo el tejido ha estado por encima de cierta temperatura. Los parámetros definidos por el usuario incluyen temperatura del daño, tiempo del daño y temperatura de necrosis. En este caso se considera que ocurre una necrosis del tejido debido a los dos mecanismos siguientes:
- Cuando la temperatura del tejido excede una temperatura de daño dada durante más de un periodo de tiempo determinado
- Instantáneamente después la temperatura del tejido excede la temperatura de necrosis
La forma de energía de absorción utiliza una expresión del tipo Arrhenius para estimar directamente la energía absorbida. Los parámetros definidos por el usuario incluyen el factor Frecuencia y la energía de Activación para la ecuación Arrhenius integrada.
Las propiedades del material del tejido dañado son modificadas para tener en cuenta la influencia del daño del tejido. La conductividad y la capacidad calorífica efectiva (densidad multiplicada por la capacidad calorífica) son modificadas respecto a la fracción de volumen de tejido necrótico. Seis nuevos biomateriales genéricos están disponibles en la librería de materiales que viene con el Heat Transfer Module: hueso, grasa, hígado, músculo, próstata y piel.
La nueva interfaz física para transferencia de calor en tejidos biológicos con integrales de daño están disponibles en transferencia de calor en sólidos así como para cualquier combinación multifísica donde esta interfaz física participe, incluyendo las siguientes:
- Calentamiento Joule
- Calentamiento por inducción
- Calentamiento por microondas
- Calentamiento láser
- Tensión térmica
- Calentamiento Joule y expansión térmica
- Efecto termoeléctrico
Los dos modelos, Terapia del cáncer con microondas y Ablación de un tumor, que están disponibles en la librería de modelos del módulo de transferencia de calor, han sido actualizados con el nuevo análisis de integral del daño.
Fuentes de calor lineal o puntual en ejes de simetría
Para modelos con simetría axial 2D se puede definir fuentes de calor lineales o puntuales en el eje de simetría. La fuente de calor puntual previa se ha reemplazado por una fuente de calor lineal aplicable en puntos y ahora proporciona una opción de Potencia Lineal Total. La fuente de calor lineal en el eje es aplicable únicamente en el eje de simetría. La funcionalidad de fuente de calor lineal es aplicable en puntos y representa una linea revuelta sobre el eje de simetría. Esta funcionalidad no es aplicable sobre el eje de simetría. La funcionalidad de fuente de calor puntual sobre el eje es una fuente puntual que es aplicable únicamente en puntos sobre el eje de simetría. En 2D, la fuente de calor puntual ha sido reemplazada por una fuente de calor lineal aplicable en puntos y ahora proporciona una opción de Potencia de Línea Total a través del groso y una selección de múltiples puntos -representando líneas-.
Transferencia de calor en medios porosos
Sistemas de coordenadas para medios porosos anisótropos
Para transferencia de calor en medios porosos ahora es posible escoger cualquier sistema de coordenadas desde en nodo de definiciones. Esto es de utilidad cuando se define transferencia de calor en materiales anisótropos donde la conductividad térmica varía con la dirección.
Ahora puedes definir fácilmente múltiples materiales porosos y entonces enlazar la propiedad de material fluido a otro material desde la lista de materiales del dominio. Esto evita múltiples definiciones de características de transferencia de calor múltiple en medios porosos.
Condiciones de contorno de ventilador, ventilador interior, parrilla, pantalla y bomba de vacío
Las condiciones de contorno de ventilador, ventilador interior, parrilla, pantalla y bomba de vacío ahora están disponibles tanto en el módulo CFD como en el de transferencia de calor.
Nuevos modelos para rendimiento térmico de ventanas, siguiendo la norma ISO 10077-2:2012
Estos valores de referencia reproducen los diez casos de test del estándar ISO 10077-2:2012 relacionado con el rendimiento térmico de ventanas. El rendimiento térmico se evalúa a través de la conductancia y transmitancia térmica de la contraventana y los resultados han sido validados con los datos publicados.
El gráfico de temperatura de un modelo de referencia de rendimiento térmico con resultados validados con los datos publicados.
Modelo de disipador de calor de pila de discos
Este modelo de un disipador de calor de pila de discos muestra los efectos de refrigeración de un disipador de calor de pila de discos en un componente electrónico. El disipador de calor consta de varios discos de aluminio apilados alrededor de una columna hueca central. Esta configuración permite enfriar superficies grandes de aletas de aluminio mediante aire a temperatura ambiente.
Visualización de la temperatura para un disipador de calor de pila de discos
Efectos térmicos del sol como una fuente de radiación de calor externa
Este modelo, representando una sombrilla de playa y dos cajas, ilustra como los efectos térmicos del sol pueden ser modelados como una fuente de radiación de calor externa. La simulación corre desde las 10 de la mañana a las 4 de la tarde. Durante esta parte del día, la sombrilla protege las cajas de la irradiación solar. El modelo utiliza la funcionalidad de fuente de calor radiativo externa con la opción de posición solar. La posición del sol y los efectos de sombra se actualizan automáticamente durante la simulación.
Un modelo tutorial consistente en neveras cerca de una sombrilla de playa donde se calcula la temperatura y se tiene en cuenta el efecto de la irradiación sola desde las 10 a.m. a las 4 p.m.
4.3b
Radiación de calor con múltiples longitudes de onda
El cristal común es transparente a la luz a longitudes de onda visibles pero opaco para luz infrarroja o ultravioleta. Cuando una luz incidente pasa a su través, a menudo cambia su longitud de onda cuando refleja en una superficie. Si la luz reflejada está en el espectro infrarrojo, no escapará del cerramiento de cristal. Esto da lugar al bien conocido efecto invernadero, calentando el cerramiento.
Con la nueva interfaz de múltiples bandas espectrales, se pueden definir hasta cinco bandas espectrales con longitudes de onda máxima y mínima definidas por el usuario. También existe una configuración rápida para radiación Solar y Ambiental, que cubre el caso común de solo dos bandas. Se puede definir una fuente ambiental de cuerpo negro que distribuye su potencia a través de los diferentes canales de acuerdo a una distribución de Planck parametrizada con la temperatura ambiente. Las propiedades de la superficies de emisividad se definen separadamente para cada banda espectral, así como la fracción de la fuente de cuerpo negro o la potencia emisiva definida por el usuario. Otra útil mejora basada en la radiación es el soporte de medios transparentes con un índice de refracción diferente de la unidad.
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El bien conocido efecto invernadero ilustra la importancia de la radiación de calor con múltiples longitudes de onda. |
Transferencia de calor con cambio de fase
El método de capacidad con calor aparente hace que el modelado del cambio de fase de materiales sea más fácil. Previamente se tenía que tener en cuenta el cambio de fase en los balances de energía utilizando el modelado basado en ecuaciones. La implementación de este método simplifica el flujo de trabajo permitiendo la especificación de varios parámetros de entrada:
- Materiales antes y después de la transición
- Temperatura del cambio de fase
- Intervalo de temperatura de transición entre fases
- Calor latente
El método de capacidad de calor aparente modifica las cuatro propiedades del material de densidad, conductividad térmica, capacidad calorífica y ratio de calores específicos, mediante el suavizado del salto discontinuo en la temperatura de cambio de fase y añadiendo una contribución de calor latente distribuido a la capacidad calorífica a la temperatura de cambio de fase. Los modelos de tutorial de la librería de modelos que involucran un cambio de fase han sido actualizados para utilizar y ejemplificar esta característica.
Contacto térmico
El flujo de calor a través de una capa fina entre dos superficies en contacto es proporcional a la diferencia de temperatura sobre la capa donde la constante de proporcionalidad es la conductancia de contacto térmica. Este término depende del grado de contacto: mientras más grandes son las fuerzas de contacto, más grande es la conductancia entre esas dos superficies. Una nueva condición de contorno en el módulo Heat Transfer, permite que la conductancia de contacto térmica entre dos superficies en contacto varíe con la presión de contacto.
- Conductancia de restricción térmica: ésta está relacionada con el contacto real que ocurre entre dos superficies, que depende de las propiedades de la superficie y la presión del contacto. Representa el hecho de que cuando la presión aumenta, el contacto real y la conductancia también crecen.
- Conductancia de abertura (gap): ésta describe la conductancia de contacto térmico afectado por la presencia de capas delgadas o fluidos entre superficies, típicamente aire. Es despreciable cuando la presión del contacto es significativo, pero puede tener un papel importante justo antes de un buen contacto cuando se aplican altas presiones. La aplicación de grasa térmica altamente conductiva entre las superficies de contacto es un método común para superar efectos no deseados de Conductancia de gap.
- Conductancia radiativa: Ésta considera que las dos superficies pueden ser representadas en la región de contacto por dos placas paralelas radiando. La conductancia radiativa es la contribución a la conductancia de contacto térmica causada por radiación superficie a superficie.
En muchos casos la contribución de la conductancia de gap y la radiativa pueden ser despreciados. Cada una de las tres contribuciones de conductancia de contacto térmica puede ser evaluada basándose en curvas de correlación predefinidas o acoplado con contactos mecánicos estructurales de los módulos de mecánica de estructuras o MEMS. Una fuente de calor de fricción también puede representarse, incluyendo un coeficiente de partición de calor. La funcionalidad de contacto térmico puede aplicarse a contornos interno así como a pares en un montaje.
4.3a
Aire húmedo y condensación
Heat Transfer Module ahora tiene un tipo de fluido de aire húmedo añadido, para transferencia de calor en fluidos, transferencia de calor conjugada y flujo no isotérmico. Esta nueva opción incluye propiedades termodinámicas de aire húmedo no saturado y añade variables de postprocesado dedicadas para verificar si el límite de saturación ha sido alcanzado y existe riesgo de condensación. Una aplicación típica sería evitar la formación de agua en un canal de flujo para prevenir la corrosión.
Casos de carga para transferencia de calor
Ahora se dispone de casos de carga para transferencia de calor utilizando los mismos conceptos de carga y grupo de restricciones como anteriormente estaba disponible para mecánica de estructuras.... Los grupos de carga se utilizan para definir los conjuntos de fuentes de calor y los flujos de calor. Los grupos de restricciones se utilizan para condiciones de temperatura fija. Los casos de carga y los grupos de restricciones están disponibles para todas las interfaces de usuario de transferencia de calor.
4.3
Irradiación solar y otras novedades de radiación de calor
Una nueva opción, de posición solar, está disponible para definir una fuente de radiación externa en 3D para todas las interfaces incluyendo las funcionalidades de radiación superficie a superficie. Esta opción proporciona una manera adecuada de definir la dirección e intensidad de la radiación incidente que proviene del Sol desde la posición en la Tierra, la fecha y le hora.
Ahora el índice de refracción está disponible como un parámetro para la radiación en los medios participantes. Este parámetro posibilita definir un índice de refracción diferente que 1.0, permitiendo la modelización de radiación a través de agua, cristal y otros medios.
La radiación superficie a superficie ahora puede ser utilizada junto con la interfaz de usuario de Cáscara Fina Conductiva, permitiendo transferencia de calor radiativa entre estructuras delgadas.
Paredes finas interiores para flujo turbulento con transferencia de calor
Una nueva condición de contorno, de Pared Interior, está disponible en contornos interiores en las interfaces de Transferencia de Calor Conjugada y Flujo No Isotérmico. Esto posibilita definir una condición de pared entre dos dominios de fluidos, lo que es especialmente útil para representar paredes finas como contornos interiores. Ya no es necesario definir un dominio sólido con una condición de contorno de pared en ambos lados, que puede resultar en una malla densa. Esta condición de contorno implementa funciones pared cuando se utilizan con modelos de turbulencia k-epsilon o k-omega (requiere el módulo CFD).
Calor total, entrada actualizada, entalpía y aire húmedo
Existen nuevas elecciones disponibles para definir la fuente de calor total o el flujo de calor total en las características de la fuente de calor lineal, de capa, y flujo de calor de arista. Estas opciones simplifican la definición de los modelos donde la fuente de calor total o el flujo de calor son conocidos porque no se tiene que volver a convertirlo en flujo de calor (o fuente de calor) por área superficial o longitud.
La condición de contorno de entrada de flujo de calor se ha mejorado para que el transporte de calor entrante en el dominio esté controlada por la convección del flujo. Este cambio evita resultados no físicos como calcular altas temperaturas en partes no fluidas de contornos de entrada de flujo de calor.
La entalpía y la energía interna ahora son calculadas utilizando integrales de estado. Esto proporciona mayor precisión para los balances de calor y energía.
Un nuevo material, aire húmedo, está disponible en la librería de materiales Líquidos y Gases.
4.2a
Fuentes de radiación externas
Ahora se pueden definir fuentes de radiación externas en el módulo de transferencia de calor como fuentes en el infinito o como fuentes puntuales a una distancia finita. Esta opción está disponible en la interfaz física de Heat Transfer y cualquier interfaz física que soporte radiación superficie a superficie. Cuando se define una fuente en el infinito, se entra la potencia por unidad de área. Esto se utiliza típicamente para la radiación incidente del sol. Cuando se define una fuente puntual a una distancia finita, se da la potencia total de entrada.
Otra importante nueva característica del Heat Transfer Module es que se puede definir radiación en ambos lados de un contorno cuando se utiliza la radiación superficie a superficie. Esta nueva opción está disponible en la interfaz física de Heat Transfer y en cualquier interfaz física que soporte radiación superficie a superficie.
4.2
- Funciones de pared térmica con radiación
Las funciones de pared térmica con turbulencia ahora soportan la Radiación Superficie-a-superficie y características de Capas Altamente Conductivas. Esto permite simulaciones térmicas muy sofisticadas: incluyendo cualquier combinación de flujo turbulento, transferencia de calor en fluidos, transferencia de calor en sólidos, radiación de calor, y capas finas de alta conductividad térmica, como hojas de metal. - Transferencia de calor en estructuras multicapa
Para transferencia de calor en capas finas, una nueva opción multicapa de la Capa Fina Térmicamente Resistiva permite modelar rápidamente estructuras finas con múltiples capas de diferente conductividad. - Condicionds de contorno ventilador y grill
Las simulaciones de refrigeración electrónica son ahora más fáciles con las nuevas condiciones de contorno de Ventilador y Grill. Una nueva condición de contorno de Ventilador también está disponible en contornos interiores, llamada una condición de rendija. Pueden entrarse las curvas del ventilador, o cargarse de un fichero, en un formato de tabla para su utilización en la toma de modelos de flujo. - Tabla de colores de luz térmica
Una nueva Tabla de Colores por defecto (escala de colores) llamada Thermal Light está optimizada para la visualización en simulaciones de transferencia de calor. El rango de colores está truncado en el límite más bajo y elimina las sombras más oscuras de rojo.
3.5
- La radiación con simetría axial ahora se puede modelar
- Incluidas entradas multifísicas predefinidas para flujo con densidad variable
- Incluidas entradas multifísicas predefinidas para interacción térmica fluido-sólido/transferencia de calor conjugada.
- Mejora en el método de mínimos cuadrados de Galerkin (GLS) para difusión aerodinámica.
3.4
- Radiación son simetría axial
- Entradas multifísicas predefinidas para flujo con densidad variable
- Entradas multifísicas predefinidas para interacción térmica fluido-sólido/transferencia de calor conjugada
- Método de mínimos cuadrados Galerkin (GLS) mejorado para difusión aerodinámica
- Nuevo modelo:
- Análisis axial de un inductor utilizando la nueva característica de radiación superficie a superficie para simetría axial
3.3a
- Turbulencia k-epsilon mejorada que incluye nuevas restricciones de realizabilidad y nueva turbulencia k-omega
- Nuevo modelo de intercambiador de calor de cáscara y tubo: Este nuevo modelo describe el flujo turbulento en parte de un intercambiador de calor de cáscara y tubo. Utiliza el modelo de turbulencia k-epsilon para modelar el flujo turbulento completamente desarrollado.
- Otros modelos incluidos: Enfriamiento por convección turbulenta forzada de una placa caliente - Empanadillas de pollo - Soldadura por fricción-agitación.
3.3
- Modos de aplicación fluido-flujo integrados
- Acoplamientos multifísicos preparados
- Momento de energía (transferencia de calor turbulenta)
- Nuevos modelos
3.2
- Nueva librería con coeficientes de transferencia de calor utilizando correlaciones de números Nusselt incorporadas.
- Nueva librería de materiales con datos de materiales dependientes de la temperatura para fluidos (gases y líquidos).
- Dos nuevos modelos que incluyen flujo calculado con un resolvedor segregado.
3.1
- Interfaz de modelado de transferencia de calor general que engloba conducción, convección y radiación de calor superficie a superficie
- Interfaces de modelado dedicadas para
- flujo no isotérmico y conducido por densidad
- transferencia de calo en corazas finas
- análisis de transferencia de calor en tejidos vivos utilizando la ecuación de biocalor
- Veinte entradas en la Librería de Modelos, entre ellas enfriamiento por convección forzada de una placa de circuito, análisis termomecánico de resistor con montura de superficie, así como el enfriamiento y solidificación en un proceso de fundición continua