COMSOL Heat Transfer Module 6.2
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
6.2
NOVEDADES
Modelo de turbulencia SST añadido al módulo de transferencia de calor
La lista de modelos de turbulencia disponibles en el módulo de transferencia de calor se ha ampliado con la incorporación del modelo de turbulencia de transporte de esfuerzo cortante (SST) de Menter. Combina la precisión del modelo k-ω y la robustez del modelo k-ε y es adecuado para muchos casos de flujo externo y flujo interno con expansiones repentinas. Puede verse esta nueva incorporación en el modelo tutorial Nonisothermal Turbulent Flow over a Flat Plate.
Modelos de turbulencia disponibles en el módulo Heat Transfer.
Rendimiento computacional mejorado para cargas térmicas orbitales y radiación de superficie a superficie
La evaluación del flujo de calor de una fuente en el infinito ahora se evita en elementos con factores de visión ambientales nulos o extremadamente pequeños, por ejemplo en una cavidad cerrada. En la interfaz Surface-to-Surface Radiation, esto se aplica a la función External Radiation Source cuando la posición de la fuente Source position está configurada en Infinite distance. En la interfaz Orbital Thermal Loads, se aplica tanto a la función Sun Properties como a la función Planet Properties ya que pueden considerarse fuentes de distancia infinita. Esta funcionalidad da como resultado una disminución del tiempo de CPU y los requisitos de memoria, particularmente cuando se usa con el método hemicubo. Las ganancias aumentan con el número de fuentes externas a distancia infinita y elementos de malla interiores.En las interfaces Surface-Surface Radiation y Orbital Thermal Loads, está disponible una nueva opción Lower integration order for irradiation con el algoritmo Hemicube en 3D y 2D. Esta opción reduce el orden de integración y por tanto el número de evaluaciones para irradiación mutua y externa. Esto acelera el cálculo y tiene un efecto mínimo en los resultados.
Diferencia porcentual en el tiempo de cálculo para diferentes modelos cuando se utiliza COMSOL Multiphysics® versión 6.1 y COMSOL Multiphysics® versión 6.2.
Cargas térmicas orbitales
La interfaz Orbital Thermal Loads ya no requiere una interfaz Events adicional. La funcionalidad Generate Events Interface ha sido reemplazada por la nueva función Events Timeline, que incluye manejo de eventos integrado. El uso de la interfaz Orbital Thermal Loads ahora se simplifica gracias a esta característica.
La interfaz Orbital Thermal Loads (sin una interfaz Events adicional) y la configuración de la nueva función Events Timeline.
Método de ordenadas discretas en simetría axial 2D
En las interfaces Radiation in Participating Media y Radiation in Absorbing-Scattering Media, el método de ordenadas discretas (DOM) ahora también está disponible para configuraciones axisimétricas 2D. Basado en la discretización del espacio angular, es el método más general para resolver la ecuación de transferencia de radiación. Los nuevos modelos tutoriales Isotropic Scattering in a Cylindrical Furnace, Benchmark1 y Isotropic Scattering in a Cylyndrical Furnace, Benchmark 2 muestran esta nueva actualización.
Radiación incidente en un horno cilíndrico mediante el método de ordenadas discretas.
Thermal Connection
La nueva función Thermal Conecction, disponible en las interfaces para transferencia de calor, está diseñada para conectar dos selecciones de contornos mediante una resistencia térmica, un condensador térmico o una interfaz Lumped Thermal System. Esta característica puede simplificar enormemente la configuración de modelos complejos reemplazando partes del modelo con elementos de circuito equivalentes que representan una conexión térmica entre caras. En casos simples en los que hay una resistencia térmica o un condensador térmico entre dos selecciones de límites, la función Thermal Connection elimina la necesidad de añadir una interfaz separada Lumped Thermal System para conectar las selecciones de límites. Para interacciones térmicas más avanzadas, la función Thermal Connection se puede conectar a una interfaz separada Lumped Thermal System, con la que se puede configurar cualquier sistema térmico concentrado. El modelo tutorial Lumped Composite Thermal Barrier demuestra esta característica.
Ajustes de la nueva función Thermal Connection, mostrada en dos cilindros conectados por una resistencia térmica correspondiente a capas cerámicas finas.
Aislamiento Térmico en Aristas
Se ha añadido una nueva funcionalidad Thermal Insulation, Edge, a las interfaces Heat Transfer. Está diseñada para cancelar la condición de continuidad predeterminada cuando dos objetos 3D están en contacto a lo largo de un borde o cuando objetos 2D están en contacto en un punto, como se muestra en el modelo tutorial Radiation in a Cavity.
La configuración de la nueva función Thermal Insulation, Edge.
Mejoras en la radiación de superficie a superficie y en las cargas térmicas orbitales
Se han realizado varias mejoras en las interfaces Surface-to-Surface Radiation y Orbital Thermal Loads. La opción Check consistency en las funcionalidades para los métodos de hemicubo y disparo de rayos se ha actualizado para tener en cuenta fuentes de radiación externas a distancias finitas o infinitas. Ahora también es posible configurar la opacidad, la opacidad de la capa y la dirección de radiación para todas las bandas desde una entrada cuando se selecciona la opción User defined for all bands, independientemente del número de bandas espectrales. Esta opción se puede utilizar si las propiedades de transparencia u opacidad del material no dependen de la longitud de onda. Los símbolos de las direcciones de la radiación ahora se muestran en los límites donde la opacidad es la misma para todas las longitudes de onda. Además, se puede utilizar un nuevo gráfico predefinido Trajectory Following Visualization para visualizar la trayectoria de una nave espacial desde su propio punto de vista, como se muestra en el modelo del tutorial Orbit Calculation.
Nuevo gráfico predefinido de visualización de seguimiento de trayectoria en la interfaz de cargas térmicas orbitales.
Gráficos predeterminados y predefinidos
Se han modificado los gráficos predeterminados para todas las interfaces del módulo de transferencia de calor y ahora hay disponibles muchos gráficos predefinidos nuevos según las interfaces físicas y las características presentes en el estudio. Como ejemplo, el acoplamiento multifísico Nonisothermal Flow ahora genera un nuevo gráfico predeterminado que muestra el campo de temperatura en los dominios sólido y fluido, así como el flujo de fluido. Muchos modelos tutoriales en la Galería de aplicaciones incluyen esta nueva actualización, como el modelo tutorial Electronic Chip Cooling.
Los nuevos gráficos predefinidos, ejemplificados por el nuevo gráfico predeterminado para el acoplamiento multifísico de flujo no isotérmico.
Herramientas de visualización para propiedades dependientes de la longitud de onda
Hay nuevas funciones y gráficos predefinidos que se han introducido en todas las interfaces que son relativas a la radiación y tienen propiedades de materiales que dependen de la longitud de onda. Estos nuevos gráficos se pueden utilizar para visualizar fácilmente tanto la dependencia continua de las propiedades de la longitud de onda como los valores promedio de banda utilizados en el cálculo. El modelo tutorial Greenhouise Effect muestra esta nueva característica.
Un nuevo gráfico predefinido que muestra la dependencia continua de las propiedades de la longitud de onda y los valores promedio de banda utilizados en el cálculo.
Mejoras en el flujo no isotérmico
La función de pared térmica High viscous dissipation at wall, disponible en el acoplamiento Nonisothermal Flow, se ha actualizado para calcular automáticamente la distancia crítica de la pared. La distancia crítica a la pared, que depende de los parámetros de turbulencia, proporciona la ubicación del cambio entre los comportamientos lineal y logarítmico en la capa límite. Esto mejora la precisión del cálculo del flujo de calor viscoso cuando la función de pared térmica se configura con parámetros de turbulencia no predeterminados. Puede verse esta mejora en el modelo tutorial Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate.
Transporte de calor y humedad en medios porosos anisotrópicos
Las características de las propiedades del material para la permeabilidad al vapor y la difusividad de la humedad de los materiales de construcción respaldan ahora propiedades anisotrópicas. Puede resultar especialmente útil modelar varias capas con diferentes propiedades de material como un único dominio homogéneo, como se muestra en el nuevo modelo tutorial Anisotropic Hygroscopic Porous Medium.
La definición de propiedades de materiales anisotrópicos aplicadas a un coeficiente de difusión.
Nueva opción para la selección de estaciones meteorológicas
En el nodo Ambient Properties, se ha añadido una nueva opción Around location para elegir una estación meteorológica según las coordenadas GPS. Una vez que se han proporcionado la latitud y longitud de una ubicación específica, la función muestra las 100 estaciones meteorológicas más cercanas utilizando la fórmula de Haversine. Esto simplifica la selección de la estación meteorológica más cercana cuando una ubicación no corresponde exactamente a una estación existente. El modelo tutorial Condensation Risk in a Wood-Frame Wall demuestra esta nueva característica.
La interfaz de usuario que muestra las 100 estaciones meteorológicas más cercanas a una ubicación específica.
Barrera delgada contra la humedad en los contornos exteriores
La funcionalidad Thin Moisture Barrier en las interfaces Moisture Transport se ha ampliado para que sea aplicable a los contornos exteriores. Las aplicaciones típicas de esta característica incluyen revestimientos o barreras de vapor exteriores. Puedes ver esta actualización en el nuevo modelo tutorial Thin Vapor Barrier.
La configuración de la función Thin Moisture Barrier, aplicada aquí a un contorno exterior.
Nuevas opciones para la función de par de contactos térmicos
En las interfaces para transferencia de calor, la condición de contorno Pairs para Thermal Contact, que se utiliza al modelar con ensamblajes CAD, tiene nuevas opciones para especificar la característica de modelo de contacto Equivalent thin resistive layer. Ahora es posible especificar la resistencia total o la conductancia total para el contacto térmico. De este modo se define la resistencia o conductancia global del área en contacto térmico.
Las nuevas opciones de Total Resistance en la configuración de la función Thermal Contact, que se utilizan aquí en un modelo de interruptor de contacto.
Nuevos modelos tutoriales
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Thin Vapor Barrier |
Anisotropic Hygroscopic Porous Medium |
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Isotropic Scattering in a Cylindrical Furnace, Benchmark 1 |
Isotropic Scattering in a Cylindrical Furnace, Benchmark 2 |
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 presenta nuevas herramientas de modelado para análisis térmicos de naves espaciales, un acoplamiento multifísico para definir una condición de continuidad entre superficies compartidas o enfrentadas, y nuevas herramientas para definir modelos de radiación de superficie a superficie.
Análisis térmico de naves espaciales
La nueva interfaz Orbital Thermal Loads proporciona funciones listas para usar para modelar cargas radiativas en una nave espacial, en particular, la radiación del Sol y la Tierra para los satélites que orbitan alrededor de la Tierra. Puede usarse esta función para incluir las propiedades radiativas de la nave espacial, la órbita y la orientación, las maniobras orbitales y las propiedades del planeta. La interfaz física también calcula y genera resultados que muestran la radiación solar directa, el albedo y el flujo infrarrojo del planeta, así como la transferencia de calor por radiación entre las diferentes partes de la nave espacial. Al combinar esta interfaz con una interfaz de transferencia de calor, puede tenerse en cuenta la conducción de calor en las partes sólidas de una nave espacial.
Órbita de un satélite alrededor de la Tierra. El color de la pista indica si el satélite está en eclipse o no. El color de la superficie de la nave espacial representa la magnitud de la radiación solar incidente. (Crédito de la imagen de la Tierra: Visible Earth y NASA).
Conectores térmicos entre cáscaras y dominios
Los nuevos acoplamientos multifísico Thermal Connection están diseñados para definir una condición de continuidad entre dos campos de temperaturas, calculados por una interfaz de transferencia de calor de dominio y una interfaz Heat Transfer in Shells, respectivamente. La condición puede configurarse en un contorno compartido por las dos interfaces o en dos contornos enfrentados. El conector puede utilizarse con cáscaras que están en contacto a través de una arista, un contorno comparido con la interfaz de dominio, o un contorno que está frente otro contorno de la interfaz de dominio. Este acoplamiento multifísico simplifica en gran medida el uso de interfaces cobinadas de dominios y cáscaras en los modelos. Puede verse esta funcionalidad en el modelo "Disk-Stack Heat Sink".
Campo de temperatura en una placa de circuito (dominios) y en un disipador de calor de pila de discos (cáscaras) con una condición de continuidad establecida por la función de conector térmico.
Herramientas de verificación para modelos de radiación superficie a superficie
Hay nuevas herramientas disponibles para ayudar a definir modelos de radiación de superficie a superficie. Durante la configuración del modelo, la dirección de la radiación emitida ahora se representa en la ventana Graphics con un símbolo para la opción Opacity controlled y modelos de superficie en gris. Se muestra un símbolo de advertencia en caso de una configuración inesperada. Además, durante la evaluación del factor de vista, está disponible una verificación opcional para detectar topología inconsistente. Estas herramientas reducen en gran medida el riesgo de definición errónea de modelos, especialmente para configuraciones geométricas grandes y complejas. Veanse estas actualizaciones en el nuevo modelo "Topology Verification for Surface-to-Surface Radiation.
Geometría del modelo con flechas que representan la dirección de la radiación emitida. La marca exclamativa (frente, centro) indica un contorno dondo no se ha definido dirección de radiación.
Mejoras en la radiación superficie-a-superficie
El método de disparo de rayos se ha mejorado para que se detecten superficies pequeñas incluso cuando se utiliza una resolución baja para la evaluación del factor de visión. Combinado con la adaptación de la resolución, mejora la precisión del factor de visión con un número óptimo de rayos. Además, para todos los métodos de cálculo del factor de visión, las expresiones utilizadas para definir variables y ecuaciones ahora se procesan previamente para facilitar su legibilidad y su evaluación es mucho más rápida durante el paso de ensamblaje.
El modelo muestra el flujo de calor solar en la playa, donde dos enfriadores de espuma de poliestireno contienen latas de bebidas. Una sombrilla proporciona sombra a uno de los refrigeradores y la temperatura de las latas de bebida se calcula a lo largo del tiempo.
Tasa de fluencia
En la intefaz Surface-to-Surface Radiation, ahora es posible añadir un nodo Fluence Rate Calculation para seleccionar los dominios donde se ha calculado la tasa de fluencia. La tasa de fluencia indica la exposición a la radiación si todos los objetos pequeños se ponen en una cavidad. Esto es útil cuando se quiere, por ejemplo, comprobar la exposición a UV en un reactor de purificación de agua. Puede verse esta nueva funcionalidad en el modelo "Annular Ultraviolet Reactor, Transparent Water".
Tasa de fluencia en un reactor ultravioleta llenado con agua cuasitransparente.
Datos climáticos: ASHRAE 2021
Pueden definirse propiedades ambientales, como temperatura, humedad, precipitación y radiación solar, desde un nodo Ambient properties bajo Definitions > Shared Properties. Junto con la posibilidad de añadir datos metereológicos definidos por el usuario, las variables ambientales pueden calcularse desde medidas promediadas mensual y horariamente desde valores en manuales proporcionados por la American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Los datos meteorológicos del manual ASHRAE han sido integrados en COMSOL Multiphysics® y contiene datos ambientales desde más de 8500 estaciones meteorológicas de todo el mundo.
Las temperaturas máximas en los días más calurosos del año (azul, 2013; verde, 2021) en una estación meteorológica en Glasgow, Reino Unido, muestran que la temperatura medida aumentó después de 2013. Datos de ASHRAE Weather Data.
Funciones de pared térmica mejoradas para disipación viscosa
En el acoplamiento Nonisothermal Flow bajo sus ajustes de Heat Transfer Turbulence, se dispone de un nuevo ajuste Thermal wall function para los modelos de turbulencia Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS). Existen dos opciones disponibles: Standard, que es adecuada para la mayoría de configuraciones, y High viscous dissipation at wall, que tiene en cuenta la disipación viscosa en la capa de contorno. Esto es necesario para tener resultados precisos en el caso de flujo interno rápido, especialmente para pasos estrechos o si el fluido es muy viscoso. El nuevo modelo "Zero Pressure Gradiente 2D Flat Plate" ilustra la nueva funcionalidad.
Perfil de temperatura (gráfico de superficie) inducida por disipación viscosa cerca de la pared y dirección de la velocidad (flechas). La curva verde indica el límite de la capa de contorno (99% U_inf), y las curvas cyan indican el perfil de velocidad en x=0.97m y x=1.9m.
Función de transición de fase definida por el usuario para material de cambio de fase
En la funcionalidad Phase Change Material está disponible una función de transición de fase definida por el usuario (User-dfined) que permite una descripción más precisa de las propiedades del material. Esta opción hace posible el uso de descripciones de cambio de fase precisas de bases de datos medidas o de materiales. Puede verse esta actualización en el nuevo modelo "Phase Change in a Semi-Infinite Soil Column - Lunardini Solution".
Perfil de temperatura en un dominio inicialmente congelado y calentado con el tiempo.
Funciones adicionales para el transporte de humedad en medios porosos higroscópicos
Para simplificar las definiciones del modelo, el acoplamiento multifísico Moisture Flow ha sido actualizado para que la variable de tasa de evaporación calculada por la interfaz Moisture Transport se tenga en cuenta en el balance de masa calculado por la interfaz Brinkman Equations. Además, las condiciones de contorno Open Boundary y Inflow ahor pueden ser aplicadas a límites exteriores adyacentes a dominios donde el medio Hygroscopic Porous Medium esté activo.
Nuevos modelos tutoriales
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Orbit Calculation |
Orbit Thermal Loads |
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Spacecraft Thermal Analysis |
Plate-Fin Heat Exchanger |
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Zero Pressure Gradient 2D Flat Plate |
Annular Ultraviolet Reactor, Optically Transparent Water |
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Thermal Connector Tutorial Models |
Topology Verification for Surface-to-Surface Radiation |
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae un rendimiento computacional mejorado y factores de vista almacenados para radiación superficie a superficie, una nueva interfaz de lecho enpacadopara modelar transferencia de calor multiescala en lechos de gránulos, y varios modelos tutoriales nuevos.
Mejora sin precedentes del rendimiento computacional de la radiación de superficie a superficie
Se ha implementado una nueva formulación de la ecuación de radiosidad para la interfaz de Radiación superficie a superficie, en particular cuando se utiliza el método del hemicubo. Combinado con la configuración mejorada del resolvedor, esto proporciona un factor de reducción de 10 veces del tiempo de CPU y los requisitos de memoria para estos cálculos. Estas mejoras de rendimiento no sacrifican la precisión en comparación con las versiones anteriores. Además, los requisitos de memoria reducidos hacen que sea práctico analizar estructuras significativamente más grandes. Esto es particularmente importante para situaciones con grandes diferencias de temperatura, alta emisividad superficial o pequeñas cantidades de transferencia de calor por conducción y convección.
Puede verse esta nueva característica en el nuevo modelo Heat Transfer in a Room with a Stove.
Radiosidad en sumideros de calor refrigerando una matriz de chips de un flujo turbulento. Los chips están en un estado diferente y por tanto diferentes potencia disipada, temperatura y radiosidad.
Almacenamiento en disco del factor de vista para la radiación superficie a superficie
La interfaz de Radiación de superficie a superficie ahora incluye una nueva opción Almacenar factores de vista en disco. Cuando esta opción está marcada, los factores de vista se almacenan en el modelo después de calcularse una vez. Por lo tanto, no es necesario volver a calcularlos, siempre que la malla no cambie y los cambios en la configuración de la radiación estén por debajo del umbral definido por el usuario. Esto ahorra un tiempo de cálculo significativo para los casos en los que el cálculo del factor de vista es exigente, normalmente con superficies especulares o semitransparentes, lo que incluye aplicaciones con paredes de metal pulido y texturizado.
Flujo de calor radiativo por superficies en una habitación calentada por una estufa.
Mejoras en la radiación superficie a superficie
Además de las mejoras computacionales y la posibilidad de almacenar los factores de vista en el disco como se describió anteriormente, COMSOL Multiphysics® versión 6.0 introduce simplificaciones en la interfaz de usuario. Esto incluye el control de la actualización del factor de vista cuando se usa con malla móvil, la definición de diferentes propiedades en dos lados de un cáscara y la edición de la unidad de los puntos finales de la banda espectral. La función Prescribed Radiosity es compatible con la Dependencia direccional cuando el Método de radiación de superficie a superficie está configurado en Disparo de rayos.
Una mejora importante es que ahora se supone que la radiosidad es discontinua por defecto en las aristas. Esto tiene una motivación física y puede ilustrarse cuando solo una de las dos caras conectadas por un arista está expuesta a la radiación solar. Esto mejora la robustez desde el punto de vista del cálculo. Finalmente, el método de disparo de rayos para el cálculo del factor de vista ahora está disponible para geometrías simétricas en 2D.
Puede verse esta nueva característica, entre otros, en el nuevo modelo Heat Transfer in a Room with a Stove.
Radiosidad superficial. La radiosidad en las superficies del refrigerador izquierdo ilustra el nuevo tratamiento de los bordes que le permite representar las variaciones bruscas que se deben a las diferentes exposiciones solares en este modelo.
Transferencia de calor multiescala en lechos de pellets
Se ha añadido una nueva interfaz de Transferencia de calor en lechos empacados para modelar la transferencia de calor en lechos de pellets. El lecho de gránulos se representa como un medio poroso formado por fluido y gránulos. Los gránulos se modelan como partículas esféricas porosas homogeneizadas en las que la temperatura varía radialmente. La distribución de temperatura en los gránulos se calcula para cada posición en el lecho empacado. Está acoplado a la temperatura del fluido circundante a través de un flujo de calor intersticial entre las superficies de los gránulos y el fluido.
La nueva funcionalidad es útil para modelar el calor en sistemas de almacenamiento de energía térmica de lecho empacado o la reacción química en un lecho empacado cuando se combina con la función correspondiente para el transporte de especies químicas. Vea esta nueva función en el nuevo modelo tutorial Packed Bed Thermal Energy Storage System.
Distribución de temperatura dentro de un gránulo sólido localizado en medio de la geometría.
Temperatura del fluido y del pellet en todo el dominio.
Transferencia de calor en medios porosos
La funcionalidad de transferencia de calor en medios porosos se ha renovado para que sea más fácil de usar. Una nueva área física de Medios porosos ahora está disponible en la rama de Transferencia de calor e incluye las interfaces de Transferencia de calor en medios porosos, Desequilibrio térmico local y Transferencia de calor en lecho empacado. Todas estas interfaces tienen una función similar, la diferencia es que el nodo Medio poroso predeterminado dentro de todas estas interfaces tiene una de tres opciones seleccionadas: Equilibrio térmico local, Desequilibrio térmico local o Lecho empacado. La última opción ha sido descrita anteriormente. La interfaz de Desequilibrio térmico local, que reemplazó al acoplamiento multifísico, corresponde a un modelo de dos temperaturas: una para la fase fluida y otra para la fase sólida. Las aplicaciones típicas pueden implicar un calentamiento o enfriamiento rápido de un medio poroso debido a la fuerte convección en la fase líquida y la alta conducción en la fase sólida, como en las espumas metálicas. Cuando se selecciona la interfaz Equilibrio térmico local, hay nuevas opciones de promedio disponibles para definir la conductividad térmica efectiva según la configuración del medio poroso.
Además, las variables de posprocesado están disponibles de forma unificada para cantidades homogeneizadas para los tres tipos de medios porosos.
Gestión muy mejorada de materiales porosos
Los materiales porosos ahora se definen en la tabla Propiedades específicas de fase en el nodo Material poroso. Además, se pueden añadir subnodos para las características sólidas y fluidas donde se pueden definir varios subnodos para cada fase. Esto permite el uso de un mismo material poroso para el flujo de fluidos, el transporte de especies químicas y la transferencia de calor sin tener que duplicar las propiedades y configuraciones del material.
Flujo de reacción no isotérmica
Ahora hay interfaces multifísicas de Flujo reactivo no isotérmico que configuran automáticamente modelos de flujo reactivo no isotérmico. El acoplamiento multifísico Reacting Flow ahora incluye la opción de acoplar las interfaces Química y Transferencia de calor. Con este acoplamiento, las contribuciones cruzadas entre el calor y las ecuaciones de especies, como la entalpía de cambio de fase o el término de difusión de entalpía, se incluyen en el modelo. La temperatura, la presión y la dependencia de la concentración de diferentes cantidades y propiedades del material también se tienen en cuenta automáticamente, lo que permite realizar el balance de calor y energía utilizando las variables predefinidas correspondientes. Esta nueva función puede verse en el modelo tutorial Dissociation in a Tubular Reactor.
Distribución de temperatura en un reactor tubular.
Velocidad en las paredes para evaporación y condensación de humedad
Las reacciones superficiales, como la evaporación o la condensación, dan como resultado un flujo de vapor neto entre la superficie y el dominio circundante. Este tipo de reacción corresponde a una velocidad efectiva del aire húmedo en el contorno del dominio, denominada velocidad de Stefan. Siempre que se esperen grandes tasas de evaporación, se debe tener en cuenta el flujo de Stefan, ya que puede ser importante en el comportamiento general del sistema. En el acoplamiento multifísico de Flujo de humedad, ahora está disponible una casilla de verificación Cuenta para la velocidad de Stefan en las paredes cuando se utiliza la formulación Concentrated Species en la interfaz Transporte de humedad. Esto se recomienda en aplicaciones de evaporación y condensación cuando la temperatura es alta, normalmente por encima de 50 °C. Puede verse esta función en el nuevo modelo tutorial Modeling of Stefan Flow Due to Evaporation from a Water Surface.
Isosuperficies de humedad relativa y líneas de flujo de velocidad debidas al flujo de Stefan sobre la superficie de evaporación, cuando la temperatura ambiente es de 90°C.
Mejoras en el transporte de humedad
Las interfaces de transporte de humedad ahora brindan una función de condición periódica que permite reducir el dominio de simulación para una estructura periódica o evaluar las propiedades efectivas de una celda representativa. Además, la funcionalidad Medios porosos higroscópicos se ha actualizado para que coincida con el diseño clásico de características para materiales porosos. Las variables para el balance de energía se han optimizado para una evaluación mucho más rápida y ahora hay nuevas variables disponibles para verificar el balance de masa. Pueden verse las mejoras en el transporte de humedad en el nuevo modelo tutorial Drying of a Potato Sample.
Humedad relativa en una muestra de patata expuesta a flujo de aire seco.
Condición de frontera semitransparente para la radiación en medios absorbentes y dispersores
La nueva función Superficie semitransparente está disponible en la interfaz Radiación en medios absorbentes y dispersantes. En los contornos exteriores, puede especificarse una intensidad de radiación externa y tener en cuenta la parte de la intensidad entrante que se transmite de forma difusiva o especular a través de la superficie. En los límites interiores se consideran las intensidades de radiación a ambos lados de la superficie. Esta condición de contorno es especialmente útil para modelar la radiación incidente proveniente de un medio transparente en una muestra de medio semitransparente, por ejemplo, modelando la caracterización de las propiedades radiativas de los medios participantes.
Transferencia de calor en la curvatura de cáscara con capas
La formulación para describir la transferencia de calor en cáscaras se ha mejorado para tener en cuenta el efecto de la curvatura de la superficie en las dimensiones de las capas. En el caso de cáscaras estratificados muy curvadas, el área y el volumen de la superficie interior y la capa, respectivamente, son muy diferentes de los de la capa exterior. Con esta mejora, la interfaz Layered Shell en la rama Mecánica de estructuras puede manejar con precisión superficies gruesas y curvas. Puede verse esta actualización en el nuevo modelo tutorial Coupling a Finite Element Model for Heat Transfer with a Lumped Thermal System.
Conector entre sistemas térmicos concentrados y cáscaras
Las nuevas condiciones de Conector de sistema concentrado y Conector de sistema concentrado, Interfaz, han sido introducidos para conectar un sistema térmico concentrado a una cáscara a través del lado de la capa o la superficie, respectivamente. En la función de conector, simplemente se puede seleccionar cualquiera de las opciones de Terminal externo disponibles en el cuadro combinado Source, Pext para conectar la entidad de la cáscara con el terminal externo correspondiente en la interfaz del sistema térmico agrupado. Puede verse esta función en el nuevo modelo tutorial Coupling a Finite Element Model for Heat Transfer with a Lumped Thermal System.
Interfaz de cambio de fase
Se ha añadido una nueva condición de contorno Interfaz de cambio de fase, Exterior para aplicar en los contornos exteriores. Esto es especialmente útil cuando una de las fases es gaseosa y se escapa fácilmente. La condición de contorno de la interfaz de Cambio de fase existente ahora solo se aplica a los límites interiores. Las condiciones de contorno Interfaz de cambio de fase y la Interfaz de cambio de fase, Exterior ahora tienen en cuenta la velocidad de colada de los sólidos para definir la velocidad de la fase fluidica en la interfaz. Esta nueva función puede verse en el nuevo modelo tutorial Continuous Casting - Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method y el existente Freeze Drying y Tin Melting Front.
Temperatura e interfaz de cambio de fase en una barra que se está moldeando.
Opción de flujo de calor para modelar la ebullición de nucleados
La ebullición nucleada es un régimen de ebullición en piscina donde el coeficiente de transferencia de calor se vuelve muy grande. Se caracteriza por una temperatura de la superficie superior a la temperatura de saturación del fluido y por la generación de vapor en varios puntos favorecidos de la superficie llamados sitios de nucleación. La ebullición nucleada se utiliza en diferentes procesos de ingeniería porque logra altos coeficientes de transferencia de calor con gradientes de temperatura moderados. Ahora se dispone como una opción predefinida, de un nuevo Nucleate boiling heat flux en el nodo Flujo de calor. La implementación se basa en la correlación de Rohsenow y los coeficientes necesarios para definir la correlación están predefinidos para algunos tipos de líquidos y superficies. Alternativamente, es posible introducir coeficientes definidos por el usuario. Puede verse esta nueva actualización en el nuevo modelo tutorial Cooling of a Nickel Cylindrical Rod with Nucleate Boiling of Water.
Mejoras en la transferencia de calor en estructuras delgadas
Se han introducido varios cambios para optimizar el rendimiento computacional. Desde el punto de vista del modelado, está disponible una nueva condición de contorno de Simetría para estructuras delgadas (capas delgadas, películas y fracturas) para reducir el coste computacional cuando la geometría y las condiciones operativas son simétricas. Desde un punto de vista numérico, una nueva opción de Propiedades constantes por capas está disponible cuando el tipo de capa se establece en Aproximación térmicamente delgada y está activa por defecto para estructuras térmicamente delgadas. Suponiendo que las propiedades del material son constantes por capa, pero que aún cambian con las capas o con la temperatura de la capa, se obtiene una aceleración significativa, especialmente cuando el número de elementos de malla utilizados para discretizar el material en capas es importante. Pueden verse estas nuevas mejoras en dos nuevos modelos tutoriales, Barrier with Shells y Lumped Thermoelectric Module with PID Control.
Distribución de temperatura en una barra durante el proceso de enfriamiento.
Efecto Marangoni
El efecto Marangoni ocurre cuando hay un gradiente de tensión superficial en la interfaz entre dos fases. El gradiente de tensión superficial puede tener su origen en un gradiente de concentración o en un gradiente de temperatura. En el caso de la dependencia de la temperatura, el efecto Marangoni también se denomina convección termocapilar. El acoplamiento multifísico del efecto Marangoni se ha actualizado para tener en cuenta los efectos tangencial y normal de la tensión superficial y ahora se puede definir el ángulo de contacto. Finalmente, la nueva formulación da como resultado un rendimiento computacional mejorado. El efecto Marangoni es de primordial importancia en los campos de soldadura, crecimiento de cristales y fusión de metales por haz de electrones. El modelo de tutorial de Marangoni Effect existente demuestra estas nuevas actualizaciones.
Modelo de conductividad térmica para grandes deformaciones
Se ha añadido una nueva opción de Gran Deformación para el modelo de deformación del material en la funcionalidad Sólido en las interfaces de transferencia de calor. El propósito es capturar mejor el comportamiento de la conductividad térmica en situaciones como cuando ocurren grandes deformaciones plásticas durante el procesamiento del material.
Nuevos modelos tutoriales
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Packed Bed Thermal Energy Storage System |
Heat Transfer in a Room with a Stove |
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Domestic Oven |
Lumped Thermoelectric Module with PID Control |
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Glass Fiber Drawing Process |
Continuous Casting — Arbitrary Lagrangian–Eulerian Method |
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Lumped Composite Thermal Barrier with Shells |
Bulk Temperature Evaluation |
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Coupling a Finite Element Model for Heat Transfer with a Lumped Thermal System |
Cooling of a Nickel Cylindrical Rod with Nucleate Boiling of Water |
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Averaging Models for Effective Thermal Conductivity in Porous Media |
5.6
NOVEDADES
Condición de contorno de interfaz de cambio de fase
La nueva condición de contorno Interfaz de cambio de fase, combinada con la función de geometría deformada, define la interfaz entre dos dominios correspondiente a dos fases diferentes. Esta condición de contorno se basa en la condición de Stefan; establece la temperatura de cambio de fase, define la velocidad frontal a partir del calor latente del cambio de fase y especifica la evaluación del lado sólido y del salto del flujo de calor. Esta condición de contorno modela la transformación de fase como una interfaz perfilada y se puede utilizar para una serie de aplicaciones, incluida la fusión de metales puros, como se ve en el modelo "Tin Melting Front", o solidificación o sublimación, como se ve en el modelo "Freeze-Drying".
Fases de gas y sólido (izquierda), e interfaz de cambio de fase, temperatura y lineas de corriente de flujo de calor total (derecha).
Transporte de calor y humedad en medios porosos
Hay nuevas interfaces y características para modelar el transporte de calor y de humedad acoplados en medios porosos llenos de aire húmedo y agua líquida. La nueva interfaz de Transporte de humedad en medios porosos proporciona una función de Medio poroso higroscópico de forma predeterminada y se puede utilizar para modelar el transporte de humedad en medios porosos mediante convección y difusión de vapor, así como convección de agua líquida y flujo capilar. La nueva interfaz tiene en cuenta la convección en las fases líquida y gaseosa debido a las variaciones de presión total, modelando el flujo capilar del líquido y añadiendo soporte para las fuerzas de gravedad. Se puede combinar con la funcionalidad Aire húmedo para modelar el efecto de un flujo de aire húmedo en un medio poroso.
En la interfaz de Transferencia de Calor, la nueva característica de dominio de Medio Poroso Húmedo define las propiedades efectivas del material a partir de las propiedades de sólido, agua líquida y aire húmedo individualmente. El subnodo Aire húmedo define las propiedades del material teniendo en cuenta el contenido de humedad y calcula el flujo convectivo y el flujo de entalpía difusivo en aire húmedo. El subnodo de agua líquida define el campo de saturación y de velocidad del agua líquida, que puede establecerse automáticamente mediante el acoplamiento multifísico de Calor y humedad, si está disponible. Las propiedades de sólido se manejan por el subnodo Matriz porosa. Estas nuevas funcionalidades se pueden utilizar para aplicaciones de enfriamiento por evaporación y secado.
Concentración de vapor y líneas de corriente del flujo total en una muestra húmeda expuesta a un flujo de aire seco y cálido. En la versión 5. de COMSOL Multiphysics® se facilita la configuración del modelo mediante nuevas funcionalidades para el transporte de calor y humedad en medios porosos.
Nueva función de medio poroso
Se dispone de una nueva funcionalidad para manejar un medio poroso y definir las diferentes fases: sólidos, fluidos y fluidos inmóviles. En la interfaz Transferencia de calor en medios porosos, la función Medio poroso se utiliza para gestionar la estructura del material con una subfunción dedicada para cada fase: Fluido, Matriz porosa y, opcionalmente, Fluidos inmóviles. Este nuevo flujo de trabajo proporciona mayor claridad y mejora la experiencia del usuario. También facilita los acoplamientos multifísicos en medios porosos de una forma más natural. Combinado con las interfaces de Transporte de humedad y Flujo en medios porosos, las mejoras en la transferencia de calor en medios porosos permiten modelar el flujo no isotérmico y el almacenamiento de calor latente en medios porosos.
Un material poroso con un fluido, un sólido y un fluido inmóvil combinados con la funcionalidad Medio poroso en la interfaz de Transferencia de calor en medios porosos. La ventana de Ajustes muestra la selección del modelo definiendo la conductividad térmica efectiva de las diferentes fases en el medio poroso.
Propiedades de superficie dependientes de la dirección para radiación superficie a superficie
En la interfaz de Radiación de superficie a superficie, cuando se selecciona el método de disparo de rayos, ahora pueden definirse las propiedades de la superficie que dependen del ángulo de incidencia de la radiación. Está disponible en las funciones Superficie opaca y Superficie semitransparente para la emisividad, reflectividad y transmitividad de la superficie. Esto es útil para simular superficies que tienen una textura o patrón que absorbe, refleja y transmite radiación térmica de manera diferente en diferentes direcciones.
La característica de superficie opaca que define la emisividad direccional de la función de emisividad direccional (resaltada) en el nodo Definiciones y la gráfica de función correspondiente en la ventana Gráficos.
Superficie semitransparente para radiación en medios participantes
La nueva función Superficie semitransparente está disponible en la interfaz Radiación en medio participante. En los límites exteriores, se puede especificar una intensidad de radiación externa y tener en cuenta la parte de esta intensidad entrante que se transmite de forma difusa o especular a través de la superficie. En los límites interiores, se consideran las intensidades de radiación en ambos lados de la superficie. Esta condición de límite es especialmente útil para modelar la radiación incidente proveniente de un medio transparente en una muestra de medio participante. Este es el caso de la modelización de la caracterización de las propiedades radiativas de los medios participantes, por ejemplo. Puede verse esta característica en el modelo "Radiative Cooling of a Glass Plate with Semitransparent Surfaces".
La interfaz de usuario para la condición de límite de superficie semitransparente en la interfaz de radiación en medios participantes proporciona entradas de usuario para definir la transmisividad de la superficie en ambos lados del límite y la intensidad de radiación exterior que se utiliza para los límites externos.
Contacto térmico y simetría para material en capas
Las nuevas funcionalidades amplían las capacidades de modelado para materiales en capas. La nueva función Contacto térmico, Interfaz permite representar las asperezas de la superficie y el espacio en las interfaces internas entre las capas de cáscara de capas que son responsables de la resistencia térmica entre las capas. Esto es necesario para modelar el efecto de la delaminación en los rendimientos térmicos, como se demuestra en el modelo "Thermal Expansion of a Laminated Composite Shell with Thermal Conctact, Interface". Además, una función Simetría, introducida en la interfaz Transferencia de calor en cáscaras, permite establecer condiciones de simetría en los bordes para reducir el tamaño de los modelos simétricos.
Modelo que contiene un material de dos capas con una resistencia térmica entre ellos representada en la vista previa del diseño de capas (derecha). La ventana Ajustes proporciona las entradas para definir las propiedades del contacto térmico a través de conducción y radiación. El tamaño de la geometría del modelo se ha reducido gracias a la condición de simetría presente en el árbol del modelo.
Detección automática de material de gas ideal en transferencia de calor en fluidos
La funcionalidad Fluido, disponible dentro de las diversas interfaces de transferencia de calor, ha sido actualizada para aprovechar la asunción de gas ideal para mejorar la eficiencia computacional. La nueva opción Desde material de la lista Tipo de fluido detecta automáticamente si el material aplicado en cada selección de dominio es un gas ideal o no, y utiliza las propiedades relevantes para cada caso. Esto puede acelerar el cálculo cuando se calcula el trabajo de la presión en flujos no isotérmicos compresibles, por ejemplo. Dado que los gases disponibles en COMSOL Multiphysics® y en la Biblioteca de materiales se modelan como gases ideales, se espera que muchos modelos con flujo no isotérmico compresible se beneficien de esta mejora.
Distribución de temperatura (gráfico de superficie) y velocidad (flechas y líneas de corriente) en una bombilla LED. Al utilizar la formulación de gas ideal automáticamente, el tiempo de cálculo es un 10% más corto en COMSOL Multiphysics ® versión 5.6.
Balance de calor y energía
Las variables de postprocesado para la definición de balance de energía y calor se han ampliado para cubrir nuevas configuraciones. Específicamente, las variables son para flujo no isotérmico, para tener en cuenta las fuentes de calor fuera del plano; para el trabajo de fuerzas volumétricas, disipación viscosa y presión; para tensiones en los límites; y para el flujo de entalpía en casos de velocidad normal distinta de cero en las paredes internas. Las variables de postprocesado o la definición de balance de energía y calor también se han extendido a materiales estratificados. El balance de energía y calor proporciona un criterio alternativo a la estimación del error del resolvedor para verificar la precisión de la simulación. Puede verse esta funcionalidad en el modelo "Electronic Chip Cooling".
Verificación del balance energético en el modelo de intercambiador de calor de flujo cruzado. La tasa de energía neta total que ingresa en la entrada de agua caliente se compara con el balance energético de todo el modelo.
Nuevos modelos tutoriales
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Freeze Drying |
Radiative Cooling of a Glass Plate with Semitransparent Surfaces |
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Tin Melting Front |
Evaporation in Porous Media with Large Evaporation Rates |
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Inline Induction Heater |
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5.5
NOVEDADES
El módulo de transferencia de calor de la versión 5.5 incluye una nueva interfaz de sistemas térmicos concentrados, bandas espectrales múltiples para las interfaces de radiación en medios participativos y radiación en medios de absorción y dispersión, y mejoras en la condición de contorno abierta.
Interfaz de sistema térmico concentrado
La nueva interfaz Lumped Thermal System extiende el modelado de transferencia de calor a sistemas térmicos discretos. Esto se utiliza para reducir la complejidad de un modelo reemplazando porciones del mismo con elementos de circuito equivalente, como representar la interacción térmica entre partes en un montaje grande, por ejemplo. Se dispone de varios tipos de elementos de circuitos, así como dispositivos avanzados y subsistemas definidos por el usuario.
Los siguientes elementos de circuito equivalente están disponibles:
- Dos nodos
- Conductive Thermal Resistor
- Thermal Capacitor
- Heat Rate Source
- Convective Thermal Resistor
- Radiative Thermal Resistor
- Thermoelectric Module
- Heat Pipe
- Un nodo
- Temperature
- Heat Rate
- Radiative Heat Rate
- Thermal Mass
- External Terminal
La funcionalidad de terminal externo conecta un sistema térmico concentrado a un modelo de elementos finitos en una dimensión.
Comparación de representación de una red térmica (sistema concentrado) de un módulo termoeléctrico con el modelo FEM.
Bandas espectrales múltiples para RPM y RASM
las interfaces Radiation in Participating Media y Radiation in Absorbing-Scattering Media ahora soportan una número arbitrario de bandas espectrales para modelar propiedades de materiales dependientes de la longitud de onda junto con la usabilidad general mejorada cuando se utilizan múltiples bandas espectrales. Se pueden definir propiedades del material como el coeficiente de absorción, coeficiente de dispersión, o la emisividad de superficie desde una función dependiente de la longitud de onda o desde una tabla, con un valor por banda espectral. Tener propiedades de material dependientes de la longitud de onda proporciona una representacion más precisa de los materiales, en particular cuando están expuestos a radiación de un rango de longitudes de onda grandes yendo desde infrarrojos (emitidos por el material) a luz visible (de una fuente externa como un láser o el Sol). Esta funcionalidad se demuestra en al nuevo modelo Radiative Cooling of a Glass Plate with Wavelength-Dependent Radiative Properties.
Definición del coeficiente de absorción utilizando un modelo de cuatro bandas espectrales y la radiación incidente resultante.
Funcionalidad de contorno abierto mejorada
La funcionalidad Open Boundary ahora tiene una opción para escoger entre dos condiciones para la entrada: Flujo (nuevo por defecto) o Temperatura (implementación previa). La implementación no ha cambiado para la salida. La nueva opción Flujo corresponde a una condición Danckwerts que aplica una entrada de calor que viene de un dominio virtual con condiciones de corriente de subida conocidas. Este flujo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el contorno y la corriente de subida, y también es proporcional a la tasa de flujo. Tiene a prescribir la temperatura de corriente de subida en el contorno para una tasa de flujo grande, mientras que la temperatura de contorno es influenciada por las fuentes y sumideros de las regiones adyacentes para tasas de flujo pequeñas. Esta mejora lleva a modelos físicos más precisos y realistas en comparación a una condición de temperatura que usualmente no es posible de prescribir en el contorno. Además, la condición de flujo induce una formulación numérica más suave, lo que resulta en un modelo más robusto que puede ser más rápido de resolver.
Comparación del campo de temperatura y la tasa de convergencia del resolvedor con la formulación de temperatura arriba y la formulación de flujo abajo. En este ejemplo, la formulación de flujo lleva a un perfil de temperatura más realista cerca de la pared vertical de la derecha y es más de 20% más rápido de resolver.
Emisividad dependiente de la longitud de onda para radiación ambiental
La interfaz Surface-to-Surface Radiation ahora incluye una opción lista para usar para especificar emisividad ambiental. Esto es importante cuando se combina con las funcionalidades de banda espectral múltiple de la interfaz Surface-to-Surface Radiation para modelar enfriamiento radiativo. El enfriamiento radiativo ocurre debido a la alta transitividad, en condiciones de cielo claro, de la atmósfera en el rango de longitudes de onda de 8–12 µm que puede ser modelado utilizando una emisividad atmosférica εamb = 1-τamb. Los mejores rendimientos de enfriamiento se obtienen con superficies que reflejan y emiten radiación en el rango de 8–12 µm. Esta funcionalidad se muestra en el modelo Radiative Cooling.
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| Modelo para la transmisividad de la atmósfera (izquierda) y para la irradiación proveniente de la atmósfera (derecha). | |
Contorno abierto y condiciones de entrada para transporte de humedad
Para los usuarios de las interfaces Moisture Transport, las condiciones Open Boundary e Inflow han sido introducidas de manera similar a lo que está disponible en las interfaces de transferencia de calor. La funcionalidad Inflow permite especificar las condiciones de humedad ascendente para definir el flujo de entrada de humedad que se obtendría añadiendo un dominio virtual de corriente ascendente en la entrada. Se utiliza una condición de Danckwerts para estimar el flujo a través del contorno. La funcionalidad Open Boundary se comporta de forma idéntica a la funcionalidad Inflow para un flujo entrante, y automáticamente conmuta a una condición de flujo de salida para un flujo saliente. Similarmente a la funcionalidad de contorno abierto para transferencia de calor, también proporciona una opción de temperatura para la condición de flujo entrante. Se espera que estas condiciones de contorno se utilicen cuando el transporte de humedad esté acoplado con un flujo que tenga condiciones de contorno correspondientes.
Mejoras en la interfaz de transporte de humedad general
Una nueva formulación de Concentrated species está disponible en la interfaz Moisture Transport in Air para modelar convección y difusión de vapor en el aire cuando el contenido de vapor es alto. Este es el caso a menudo cuando hay humedad relativa moderada o alta a alta temperatura. Bajo estas condiciones, la densidad del aire húmedo puede variar significativamente en espacio y tiempo debido a gradientes de concentración de vapor, y la formulación por defecto debería reemplazarse por la nueva formulación Concentrated species. Esto puede verse en los modelos Condensation Detection in an Electronic Device with Transport y Diffusion and Evaporative Cooling of Water.
La interfaz física también se ha mejorado para soportar condiciones de supersaturación que se corresponden con una humedad relativa mayor que uno. Esto ocurre cuando una corriente caliente saturada con vapor de agua es enfriada rápidamente. Finalmente, los ajustes del resolvedor por defecto para las variadas interfaces de transporte de humedad, calor y humedad y flujo de humedad, se han puesto de manera que dan como resultado cálculos más robustos y rápidos.
Radiación superficie a superficie con el método de radiación de disparo de rayos
Las funcionalidades Symmetry for Surface-to-Surface Radiation y External Radiation Source ahora están disponibles cuando se utiliza el método de radiación de disparo de rayos. La condición de simetría puede utilizarse para definir hasta tres planos de simetría o para definir simetría de sector para reducir el esfuerzo computacional para el cálculo del factor de vista. Estas funcionalidades pueden verse en el modelo How to Improve the Performance of View Factor Computation for Surface-to-Surface Radiation Modeling. La funcionalidad External Radiation Source puede utilizarse para definir radiación proviniente de un objeto que no esté representado en la geometría del modelo, como el Sol. Para análisis dependientes del tiempo, la posición o dirección de la fuente de radiación externa puede variar durante la simulación. Adicionalmente se dispone de nuevas opciones para controlar la actualización del factor de vista para simulaciones dependientes del tiempo, posibilitando definir un buen balance entre precisión (actualización del factor de vista frecuente) y tiempo computacional (actualización del factor de vista mínimo).
Los ajustes de Symmetry for Surface-to-Surface Radiation en un modelo utilizando el método de radiación de disparo de rayos.
Funcionalidad de fuente radiativa para interfaces de radiación en medios
La funcionalidad Radiative Source ahora está disponible en las interfaces Radiation in Participating Media y Radiation in Absorbing and Scattering Media. Puede utilizarse para definir una fuente de radiación, como un fluorescente, que no esté descrito por la absorbencia del medio o las propiedades de dispersión. La fuente radiativa puede ser isotrópica o, cuando se utiliza el método ordenado discreto, direccional.
Funcionalidades mejoradas de material con capas
Para las interfaces de transferencia de calor utilizadas para conchas con capas, los cálculos son más rápidos en modelos con un gran número de contornos. Además, la interfaz de usuario se ha optimizado para simplificar la configuración del modelo para materiales de una capa, que ahora se pueden definir referenciando un material en el nodo Material en el Constructor del modelo. Adicionalmente, se puede escalar el grosor de capa para un material de una única capa. La escal puede definirse como una expresión arbitraria, en particular derivada de otras cantidades físicas. Por ejemplo, se puede definir el grosor de una película calculada por una interfaz Thin Film Flow.
Los materiales de una única capa pueden definirse utilizando un material clásico. En este caso, el material clásico define la escala de grosor de la capa a partir de la correspondiente entrada de usuario.
Acoplamiento multifísico de flujo no isotérmico
El acoplamiento multifísico de flujo no isotérmico, disponible para flujo laminar en COMSOL Multiphysics®, ahora tiene ajustes automáticos para proporcionar resultados más físicos sin la necesidad de la acción del usuario. En particular, la contribución del trabajo de presión a la ecuación de energía se determina automáticamente a partir de los ajustes de compresibilidad del flujo. También, la disipación viscosa ahora está desactivada por defecto, asegurando conservación de energía con los ajustes por defecto del nodo de acoplamiento multifísico. Esta funcionalidad solo estaba disponible previamente con ciertos módulos externos, pero ahora está disponible en el núcleo del software COMSOL Multiphysics®.
Acoplamiento multifísico para transferencia de calor en estructuras delgadas
Los efectos de expansión térmica pueden ser importantes en sólidos así como estructuras delgadas como cáscaras y membranas. Se han añadido acoplamientos multifísicos de forma que las temperaturas calculadas en un análisis de transferencia de calor de una estructura delgada pueda ser automáticamente transferida a interfaces de mecánica de estructuras correspondientes.
Para tal fin se han añadido tres nuevas interfaces multifísicas:
- Thermal Stress, Shell, que combina interfaces de Heat Transfer in Shells y Shell
- Thermal Stress, Layered Shell, que combina las interfaces Heat Transfer in Shells y Layered Shell
- Thermal Stress, Membrane, que combina las interfaces Heat Transfer in Shells y Membrane
También se puede conectar las interfaces de mecánica de estructuras de la funcionalidad Thin Layer dentro de la interfaz Heat Transfer in Solids.
Distribución de temperatura (izquierda) y tensión (derecha) en un circuito de calefacción. La capa de conducción delgada se modela utilizando una interfaz Membrane y el sustrato se modela utilizando la interfaz Solid Mechanics. Ambas interfaces reciben la temperatura del análisis de transferencia de calor a través de acoplamientos multifísicos.
5.4
NOVEDADES
Capacidades ampliadas para transferencia de calor en estructuras delgadas
Las funcionalidades e interfaces para el modelaod de transferencia de calor en estructuras delgadas han sido rediseñadas completamente para aprovechar la nueva funcionalidad de Layered Material. Los materiales en capas se definen en los contornos pero corresponden a materiales 3D con una o múltiples capas. Estos contienen información referente a sus composición y el grosor de sus capas. Es posible pervisualizar la estructura del material en capas para definir propiedades y cargas de calor o restricciones capa por capa. Adicionalmente, la funcionalidad ofrece una herramienta de postprocesado para analizar y visualizar la solución como una estructura 3D.
En la interfaz Heat Transfer, las funcionalidades Thin Layer, Thin Film, y Fracture ahora soportan materiales en capas. Una vez que se ha seleccionado Layered material en la sección Layer Selection, la funcionalidad es aplicacble en los contornos correspondientes al material por capas seleccionado. Se dispone de subfuncionalidades para la definición de flujos de calor, fuentes de calor, restricciones de temperatura y radiación superficie a entorno.
Las interfaces Heat Transfer in Shells, Heat Transfer in Films y Heat Transfer in Fractures, que se encuentran bajo la rama Heat Transfer>Thin Structures, contienen funcionalidades para modelar la transferencia de calor por conducción y convección en materiales con capas. Las funcionalidades de contorno Solid, Fluid, y Porous Medium resuelven la ecuación de la energía en cada capa, ya sea con una formulación general o con un modelo concentrado para estructuras térmicamente delgadas o térmicamente gruesas. Las funcionalidades Heat Source y Heat Source, Interface tienen en cuenta las fuentes de calor dentro de las capas y entre ellas. Otras funcionalidades de arista e interfaz de contornos también están disponible para definir flujos de calor, restricciones de temperatura y radiación superficie a entorno en las aristas de las capas e interfaces entre capas.
Los acoplamientos multifísicos también están soportados en estructuras con capas: los acoplamientos Electromagnetic Heating, Layered Shell y Thermoelectric Effect, Layered Shell pueden ser añadidos en contornos donde sean aplicables una interfaz Heat Transfer con la funcionalidad Thin Layer, Thin Film, o Fracture o una interfaz Heat Transfer in Shells junto con una interfaz Electric Currents, Layered Shells.
Radiación superficie a superficie con reflexión especular y transmisión
Un nuevo algoritmo, el método de disparo de rayos, está disponible en la interfaz Surface-to-Surface Radiation para ver el cálculo del factor. Este gestiona la mezcla de reflexión difusa-especular en superficies así como la transmisión en superficies semitranparentes. Aunque las superficies rugosas reflejan rayos incidentes en todas las direcciones independientemente de la dirección incidente y están bien modeladas mediante superficies difusas, las superficies muy lisas reflejan el rayo incidente de acuerdo con la ley de reflexión y deberían ser modeladas como especulares.
Seleccionando el método Ray shooting en la lista Surface-to-surface radiation method, hace que la nueva funcionalidad Opaque Surface esté disponible para modelar con precisión la mezcla de reflexión difusa-especular y realistamente para un amplio rango de superficies. Cuando varias capas no son completamente opacas y transmiten una fracción de la radiación incidente, puede utilizarse la nueva funcionalidad Semi-Transparent Surface. Esto es de utilidad, por ejemplo para modelar ventanas hechas de cristal que reflejan y absorben una fracción de la radiación del sol y transmiten el resto. La funcionalidad proporciona ajustes para la emisividad, reflectividad y transmitividad de la superficie.
Capacidades ampliadas para radiación superficie-a-superficie con propiedades de materiales dependientes de la longitud de onda
La interfaz física Surface-to-Surface Radiation ahora soporta un número arbitrario de subdivisiones del dominio espectral. Las interfaces gráficas de usuario de todas las funcionalidades de radiación; a saber, Diffuse Surface, Diffuse Mirror, Prescribed Radiosity, Opacity, y External Radiation Source, se han reorganizado para especificar las propiedades del material y las entradas del usuario de una forma más compacta. La emisividad de la superficie, por ejemplo, puede ser proporcionada dadndo su valor para cada banda espectral, o entrando una expresión dependiente de la longitud de onda, con rad.lambda dando acceso a la variable longitud de onda. La misma mejora también aplica a las nuevas propiedades de material dependientes de la longitud de onda y a las entradas de usuario requeridas por las nuevas funcionalidades de radiación especular; como son, la reflectividad, la transmitividad de superficie y el ángulo crítico.
Capacidades ampliadas para radiación en medios participativos
Se han implementado varias mejoras para el modelado de radiación en medios participativos. Se dispone de una nueva opción para definir la dispersión de la radiación, la función de fase de Henyey-Greenstein. Esta ofrece un interesante compromiso entre complejidad y precisión para representar dispersión debida a particulas en un medio participativo. Para simplificar la definición de fase, ahora es posible normalizar la función de fase para tipos de dispersión anisótropa Lineal y Polinómica.
Además, se han añadido varios nuevos ajustes de cuadratura para el método de ordenadas discretas (DOM) en las interfaces Radiation in Participating Media y Radiation in Absorbing-Scattering Media. Además del ajuste Level Symmetric Even se dispone de dos aproximaciones SN: Level Symmetric Hybrid y Equal Weight Odd. Estos ajustes difieren en las condiciones de momento que satisfacen, e introducen 8 a 168 ordenadas discretas, dependiendo del orden seleccionado. También está disponible una aproximación TN, la aproximación de peso Quasi-uniform. Esta discretiza el espacio angular utilizando un octaedro de referencia con 8 caras triangulares, con discretización adicional en función del orden del método, para producir de 8 a 512 ordenadas discretas. La elección del ajuste de cuadratura y el orden depende de la precisión necesaria y los recursos computacionales disponibles.
Radiación en interfaz de medios absorbente-dispersivo
La nueva interfaz física Radiation in Absorbin-Scattering Media puede encontrarse bajo el grupo Radiation de la rama Heat Transfer. Proporciona funcionalidades paramodelar la propagación, absorción y dispersión de la radiaciónen un medio semitransparente. En particular es muy adecuada para el modelado de difusión de la luz en un medio no emisor.
Como la interfaz Radiation in Participating Media, resuelve la Radiative Transfer Equation, but sin término de emisión. Por lo tanto las dos interfaces comparten los mismos métodos de discretización (PI approximation y Discrete Ordinates Method) y opciones para definir la dispersión.
El nodo de dominio Absorbing-Scattering Medium define las propiedades de absorción y dispersión y la fuente de calor radiativa debida a la absorción. En los contornos, el nodo Incident Intensity permite especificar la intensidad radiativa en las direcciones incidente, y el nodo Opaque Surface especifica una pared que absorbe toda la intensidad radiativa, produciendo calor.
Refactorización de la transferencia de calor con funcionalidades de radiación en acoplamientos multifísicos
Las casillas Surface-to-surface radiation y Radiation in participating media, que previamente se encontraban bajo la sección Physical Model de la interfaz Heat Transfer, han sido eliminadas. Esto significa que la interfaz Heat Transfer ya no soporta más funcionalidades de radiación superficie a superficie y ración en medios participativos, con la excepción de la funcionalidad Surface-to-Ambient Radiation. En particular, las funcionalidades Diffuse Surface, Diffuse Mirror, Prescribed Radiosity, Opacity, y External Radiation Source ahora están disponibles exclusivamente en la interfaz Surface-to-Surface Radiation. Las funcionalidades Radiation in Participating Media, Opaque Surface, Incident Intensity, y Continuity on Interior Boundary ahora están exclusivamente disponibles en la intefaz Radiation in Participating Media interface.
Para alcanzar el modelado de la transferencia de calor con radiación se han añadido las siguientes interfaces multifísicas y acoplamientos predefinidos:
- La nueva interfaz multifísica predefinida Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation, disponible bajo la rama Heat Transfer>Radiation, añade automáticamente una interfaz Heat Transfer y una interfaz Surface-to-Surface Radiation, acopladas a través del acoplamiento multifísico Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation.
- La nueva interfaz multifísica predefinida Heat Transfer with Radiation in Participating Media, disponible bajo la rama Heat Transfer>Radiation, añade automáticamente una interfaz Heat Transfer y una interfaz Radiation in Participating Media, acopladas a través del acoplamiento multifísico Heat Transfer with Radiation in Participating Media.
- La nueva interfaz multifísica Heat Transfer with Radiation in Absorbing-Scattering Media, disponible bajo la rama Heat Transfer>Radiation, añade atomáticamente una interfaz Heat Transfery una interfaz Radiation in Absorbing-Scattering Media, acopladas a través del acoplamiento multifísico Heat Transfer with Radiation in Absorbing-Scattering Media.
- La nueva interfaz multifísica Heat Transfer with Radiative Beam in Absorbing Media, disponible bajo la rama Heat Transfer>Radiation, añade automáticamente una interfaz Heat Transfer y una interfaz Radiative Beam in Absorbing Media, acopladas a través del acoplamiento multifísico Heat Transfer with Radiative Beam in Absorbing Media.
Refactorización de funcionalidades en subfuncionalidades
Para conseguir una mayor claridad y usabilidad de la interfaz de usuarios, se han añadido las siguientes subfuncionalidades. Estas proporcionan los ajustes correspondientes a una configuración particular de la funcionalidad padre:
- La nueva subfuncionalidad Convectively Enhanced Conductivity está disponible bajo los nodos Fluid y Moist Air. Proporciona los ajustes previamente disponibles bajo la sección Equivalent Conductivity for Convection de los nodos Fluid y Moist Air, para tener en cuente el flujo de calor convectivo mejorando la conductividad térmica del fluido de acuerdo con el número de Nusselt.
- La nueva sufuncionalidad Thermal Damage está disponible bajo el nodo Biological Tissue. Proporciona los ajustes que previamente estaban disponibles bajo la sección Damaged Tissue del nodo Biological Tissue, para la definición del Transformation model.
Además, la aproximación de Rosseland para la transferencia de calor radiativa en medios con alto grosor óptico ahora se gestiona en el nuevo subnodo Ooptically Thick Participating Medium, disponible bajo la mayoría de las funcionalidades de dominio de la interfaz Heat Transfer. Ésta proporciona los ajustes para tener en cuenta la fuente de calor radiativa mediante la mejora de la conductividad térmica. Aunque se utiliza para modelar radiación, conceptualmente es diferente de la funcionalidad Participating Medium que resuelve variables adicionales (intensidad radiativa o radiación incidente) para calcular el calentamiento radiativo. Reemplaza la opción Rosseland approximation de la lista del Radiation discretization method previamente disponible bajo la sección Participating Media Settings.
Finalmente, la nueva funcionalidad Phase Change Material reemplaza la funcionalidad Phase Change Material, y extiende sus capacidades a sólidos y medios porosos. Está disponible bajo los nodos Solid, Fluid, y Porous Medium, y proporciona los mismos ajustes que la funcionalidad obsoleta, para especificar las propiedades de un material de cambio de fase de acuerdo a la formulación de capacidad calorífica aparente. Cuando se añade bajo un nodo Solid, debería definirse una densidad sencilla para todas las fases para segurar la conservación de la masa en el marco del material.
Entrada del modelo de temperatura de referencia de volumen
Las funcionalidades definidas en el marco del material, conun campo de entrada para la densidad, tienen una nueva entrada del modelo: la Volume reference temperature. Se trata de la temperatura para la evaluación de la densidad en la geometría de referencia, que debería de coincidir con la geometría en el marco del material. Por defecto, esta entrada del modelo se configura a la variable Common model input, minput.Tempref. Este asegura la conservación de masa durante la simulación. Esto concierne a las siguientes funcionalidades: Solid, Porous Medium, Biological Tissue, Building Material, Shape Memory Alloy, Thin Layer, y Fracture en la interfaz Heat Transfer, y Solid, Porous Medium en la interfaz Heat Transfer in Shells.
Miscelaneos
- Las nuevas interfaces multifísicas Heat and Moisture Flow están disponibles bajo la rama Heat Transfer > Heat and Moisture Transport para modelar transferencia de calor acoplado con transporte de humedad en el aire por flujos laminar y turbulento. Las diferentes interfaces acoplan las versiones laminar y turbulenta de la interfaz Single-Phase Flow con las interfaces Heat Transfer in Moist Air y Moisture Transport in Air. Los nodos de acoplamientos multifísicos Heat and Mosture, Moisture Flow y Nonisothermal Flow gestionan la mezcla turbulenta y las funciones pared de calor y humedad para flujos turbulentos así como para la dependencia de la temperatura y el contenido de humedad de las propiedades del material en las ecuaciones de flujo de fluido en el aire.
- Las nuevas interfaces Heat Transfer in Solids y Fluids, disponibles el Model Wizard bajo la rama Heat Transfer reemplaza la interfaz Heat Transfer que estaba previamente disponible únicamente a través de la edición de la interfaz multifísica Conjugate Heat Transfer. Una funcionalidad Solid es activa por defecto en todos los dominios, y una funcionalidad Fluid tiene una selección vacía por defecto. De forma similar a la interfaz Heat Transfer in Fluids su orden de discretización por defecto es 1.
- La funcionalidad Thermal Insulation ahora está disponible en los contornos interiores. Esto asegura que no existe transferencia de calor en los contornos donde se aplica esta funcionalidad, y por tanto se interrumpe la condición de continuidad de temperatura por defecto. Nótese que la funcionalidad Thermal Insulation por defecto sigue siendo no aplicable en los contornos interiores.
- Un nuevo nodo Ambient Thermal Properties está disponible bajo el nodo Definitions. Contiene la sección Ambient Settings que previamente estaba disponible en la interfaz Heat Transfer. Pueden añadirse varios nodos Ambient Thermal Properties en un único modelo. Las variables ambiente definidas por este nodo permanecen disponibles desde las funcionalidades físicas.
- En la funcionalidad global External Radiation Source, ahora es posible definir la Solar position desde un ajuste Weather station hecho en un nodo Ambient Thermal Properties bajo Definitions. Cuando un nodo Ambient Thermal Properties se añade con el ajuste Ambient data puesto a Meteorological data (ASHRAE 2013) o Meteorological data (ASHRAE 2017), este nodo puede ser seleccionado desde la lista Ambient data en la funcionalidad External Radiation Source.
- La entrada de usuario para la Reference temperature, utilizada en la formulación de flujo incompresible para flujos no isotérmicos, y para el cálculo de la entalpía de referencia en la ecuación de transferencia de calor, se movido de la sección Physical Model de la interfaz Single-Phase Flow a la sección Physical Model de la interfaz Heat Transfer. Además, su valor por defecto ha cambiado de 298.15 K a 293.15 K.
- Se generan gráficos de superficie adicionales por defecto en el grupo de gráficos de la Temperature de modelos 3D cuando la funcionalidad Thermal Contact está actica en algunos contornos, para visualizar las temperaturas en las parte superior e inferior de la rendija definida por la funcionalidad en esos contornos.
- En la funcionalidad global Symmetry for Surface-to-Surface Radiation, ahora es posible definir los planos de simetría seleccionando puntos manualmente desde la ventana Graphics, en lugar de proporcionar sus coordenadas. La opción Point selection puede seleccionarse de la lista Selection method.
- Los presuavizador y postsuavizador en el resolvedor iterativo GMRES han cambiado de línea SOR a SCGS cuando se utiliza un acoplamiento Nonisothermal Flow. Además, en modelos 3D con un acoplamiento Local Thermal Non-Equilibrium, el nodo segregado por defecto ha sido reemplazado por un nodo Fully Coupled, para resolver las dos temperaturas (sólido y fluido) en un único paso.
- En modelo 1D, el valor por defecto del Cross sectional perimeter ha sido cambiado a 2*(sqrt(pi*ht.Ac)) en la sección Physical Model, para consistencia con la Cross sectional area por defecto.
- Las definiciones de las variables de postprocesado de entalpía sensible (ht.DeltaH) y el flujo de energía total (ht.Teflux) han sido mejoradas en mdedios porosos y estructuras finas.
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.
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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
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Las estructuras delgadas introducen grandes relaciones de aspecto en la geometría, lo que puede ser responsable de mallas complicadas o distorsionadas. En versiones previas de COMSOL Multiphysics® era posible utilizar un modelo cáscara para sólidos utilizando la interfaz de Transferencia de calor en Cáscaras delgadas. En COMSOL Multiphysics® 5.2a, se pueden modelar películas delgadas (fluido) y también fracturas (en medios porosos). Las interfaces de Transferencia de calor en Películas delgadas y de Transferencia de calor en Fracturas están disponibles bajo el subgrupo de Estructuras delgadas de la rama de Transferencia de Calor en la ventana Seleccionar Física. La interfaz de Transferencia de calor en Películas delgadas implementa la transferencia de calor en ecuaciones de fluidos. La velocidad del fluido en la película puede entrarse manualmente o puede obtenerse a partir de una interfaz de Flujo de Película delgada, Cáscara. La interfaz de Transferencia de calor en Fracturas implementa la transferencia de calor en ecuaciones de medios porosos. La velocidad del fluido en la fractura puede ser definida por el usuario o calculada a partir de la interfaz de Flujo de fractura. |
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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
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El método flash es ampliamente utilizado para medir la conductividad térmica de un material fino de muestra que tiene aproximadamente el tamaño de una moneda. El material de muestra se somete a un pulso láser en una de sus caras. A su vez, la cara opuesta se calienta alrededor de 1K. Como el pulso es uniforme y bien definido se puede medir la variación de temperatura en la otra cara. De ese modo se puede medir la conductividad térmica de una muestra con gran precisión. La app de simulación del método flash reproduce el experimento real y proporciona opciones para definir parámetros del experimento que pueden afectar a la precisión del método y el experimento. Esto significa que se pueden especificar la altura, radio y material. También se puede ajustar la temperatura ambiente, habilitar o deshabilitar los efectos de convección y radiación y personalizar los valores del coeficiente de transferencia de calor y las emisividades de superficie tanto de la muestra como del recinto. |
 Interfaz de usuario de la app, mostrando los ajustes del método flash y el perfil de temperatura utilizado para determinar la conductividad térmica. |
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
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La documentación del módulo de transferencia de calor se ha revisado por completo para una mayor claridad y consistencia en la COMSOL Multiphysics versión 5.2. La nueva estructura de la documentación contiene varias partes adicionales. En particular, nuevas secciones de la documentación describen los resolvedores por defecto generados para las interfaces de transferencia de calor y las variables de temperatura disponible en los contornos. |
 Documentación de Heat Transfer Module actualizada en COMSOL Multiphysics versión 5.2. |
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
| En esta nueva app de simulación, un intercambiador de calor hecho con dos tubos concéntricos contiene dos dominios de fluido a diferentes temperaturas. La interfaz multifísica de flujo no isotérmico se utiliza para modelar la transferencia de calor en el intercambiador de calor. Esta aplicación calcula los valores que caracterizan al intercambiador de calor, como la potencia de intercambio, la caída de presión y su efectividad. La estructura de tuberías, propiedades del fluido y las condiciones de contorno son todas personalizables. |  Definición de las propiedades de los tubos en la app del intercambiador de calor de tubo concéntrico. |
Modelos de turbulencia algebraica
| Los modelos de turbulencia algebraica yPlus y L-VEL ahora están disponibles en al módulo Heat Transfer. Estos modelos de viscosidad mejorados son adecuados para flujos en interior como los que se encuentran en aplicaciones de enfriamiento electrónico. Los modelos de turbulencia algebraica son menos costosos computacionalmente hablando y más robustos, pero generalmente menos precisos que los modelos de ecuación de transporte como el modelo k−ε. Estos modelos de turbulencia están disponible en la interfaz de flujo de una fase y en las interfaces multifísicas de flujo no isotérmico y transferencia de calor conjugada. |  Líneas de flujo calculadas utilizando el modelo de turbulencia algebraica yPlus en una unidad de alimentación (PSU). |
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
| Una nueva funcionalidad multifísica de contorno acopla las interfaces de flujo monofásico y de transferencia de calor, para modelar el efecto Marangoni inducido por una tensión superficial dependiente de la temperatura. La convección Marangoni (o termocapilar) ocurre cuando la tensión superficial de una interfaz (generalmente líquido-aire) depende de la temperatura. Esto es de gran importancia en los campos de la soldadura, crecimiento de cristales y fundición de metales mediante haces láser o de electrones. |  Superficies isotérmicas, dirección de flujo en la superficie (flechas) y líneas de flujo en el fluido inducidas por el efecto Marangoni en un metal líquido calentado por un haz láser. |
Ajustes de malla por defecto optimizados para interfaces de transferencia de calor
| Los ajustes de malla por defecto en todas las interfaces de transferencia de calor utilizan condiciones periódicas y condiciones pares. Cuando se habilitan estas funciones la malla por defecto utiliza una malla idéntica en la superficie y en los contornos de destino para minimizar el error numérico inducido por extrapolación, lo que ocurre cuando las mallas en los dos lados no coinciden. Además, la sugerencia de automallado controlado por la física automatiza el mallado para elementos infinitos. La nueva sugerencia de automallado automáticamente aplica mallado de barrido (3D) o mapeado (2D) a los dominios con elementos infinitos. |  Malla por defecto obtenida para dominios de elementos infinitos (elementos en gris) alrededor de un dominio interno con malla arbitraria (elementos en color). |
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
| La ecuaciones visualizadas en la sección "Equation" de todas las funcionalidades se ha mejorado para una mejor lectura y consistencia. |  Ejemplo de una ecuación actualizada en la funcionalidad de transferencia de calor en fluidos. |
Nuevo tutorial: modelado de una sonda dieléctrica cónica para diagnosis de cáncer de piel
| Se sabe que la respuesta de una onda milimétrica con frecuencias de 35 GHz y 95 GHz es muy sensible al contenido de agua. Este modelo utiliza una onda de baja potencia de 35 GHz en la banda milimétrica ka y su reflectividad a la humedad para una diagnosis no invasiva del cáncer. Como que los tumores de piel contienen mayor humedad que la piel sana, esto lleva a mayores reflexiones en esta banda de frecuencias. Por lo tanto, la sonda detecta anormalidades en términos de los parámetros S en las localizaciones del tumor. Una guía de ondas circular en el modo dominante y una sonda dieléctrica cónica son analizados rápidamente, junto con las características de radiación de la sonda, utilizando un modelo axial 2D. También se estudia la variación de la temperatura de la piel y un análisis de la fracción del tejido necrótico. |  La sonda dieléctrica cónica radia la carne humana con el propósito de encontrar cáncer a través de las propiedades de reflexión. Se excita mediante ondas electromagnéticas milimétricas procedentes de una guía de ondas. Se muestra el módulo del campo eléctrico en la guía de ondas y en la sonda dieléctrica, y la variación de temperatura en la carne humana. |
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
| Esta aplicación utiliza el nuevo modelo de turbulencia algebraica yPlus para modelar el flujo. De este modo se puede modelar flujo en el dispositivo de forma más rápida, donde el mallado y los ajustes del resolvedor se han simplificado, lo que también hace que el modelo se configure más rápidamente. La aplicación resuelve 1.1 MDOF y requiere unos 6 GB de memoria para ser resuelto. |  Perfil de temperatura en una unidad de fuente de alimentación (PSU) refrigerada por un flujo turbulento utilizando el modelo de turbulencia algebraica yPlus. |
Nuevo tutorial: cálculo del factor de vista
| Este modelo de referencia muestra cómo calcular los factores de vista geométricos para dos esferas concéntricas que irradian entre sí. Se comparan los resultados simulados con valores analíticos exactos. |  Configuración geométrica de referencia de una app que calcula factores de vista geométricos para dos esferas concéntricas que se irradian entre sí. |
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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COMSOL Multiphysics 6.3