固體傳熱
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓comsol 創(chuàng)建時間：2020-07-14
固體傳熱的視頻教程
ABAQUS熱傳導模擬教程（涉及固體傳熱、輻射換熱、對流換熱）
該算例講解了典型熱傳導的模擬，該模擬中考考慮了固體換熱、輻射換熱、對牛換熱等。在該視頻中詳細講解了從前處理的每一步操作設(shè)置，以及后處理的相關(guān)操作方法，并附帶有相關(guān)的講解。通過該案例，將有助于ABAQUS軟件學習者掌握傳熱模擬的基本設(shè)置。
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熱傳導模擬教程（涉及固體傳熱、對流換熱、輻射換熱設(shè)置以及后處理操作）
該模擬中考考慮了固體換熱、輻射換熱、空氣自然對流換熱等。在該視頻中詳細講解了從前處理的每一步操作設(shè)置，以及后處理的相關(guān)操作方法，并附帶有相關(guān)的講解。通過該案例，將有助于ABAQUS軟件學習者掌握傳熱模擬的基本設(shè)置。
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Comsol在能源行業(yè)仿真中的應(yīng)用 ——基于多工況下瓦斯抽采的多物理場耦合
comsol軟件作為一款多物理場耦合仿真軟件，在仿真工作中，其內(nèi)置的達西定律、自由和多孔介質(zhì)流、多孔介質(zhì)傳熱、固體力學等物理場可以表述其過程，從而達到仿真的目的。本課程主要內(nèi)容為： 1.利用流熱固多物理場耦合仿真瓦斯抽采問題； 2.利用參數(shù)化掃描功能研究不同滲透率、負壓、溫度、時間等多工況下的變化。
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固體傳熱的實例教程
熱量耗散主要通過固體傳熱和自然對流，在絕緣層、SF6和外殼之間實現(xiàn)傳遞，最終向環(huán)境空氣進行對流和輻射散熱。
綜合以上考慮，可在Simdroid中建立電磁-固體傳熱-流體三場耦合模型，電磁場求解麥克斯韋方程以分析獲得熱源，基于傅里葉傳熱方程的固體傳熱和基于包含能量方程的納維-斯托克斯方程的流體模型耦合進行迭代分析，可得到設(shè)備整體的溫度分布。
三場耦合建模界面和技術(shù)路線
在Simdroid開展建模的實際界面和技術(shù)路線如上圖所示，工程師利用其開放式的耦合仿真架構(gòu)可采用簡潔高效的耦合機制完成建模，這主要體現(xiàn)在兩個方面：
首先，由于整體溫差不大，電磁仿真中材料物性參數(shù)受溫度影響的變化不大，因此電磁場的仿真分析不受溫度場與流場影響，在完成首步頻域分析后即可凍結(jié)，不再參與后續(xù)耦合迭代過程從而節(jié)省了大量計算資源。
其次，Simdroid解決了異構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳遞的問題，允許不同物理場采取不同的網(wǎng)格剖分方式和算法，如該模型中電磁和固體傳熱使用有限元算法和對應(yīng)的四面體網(wǎng)格，而流體計算在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上利用有限體積法來求解流動方程，既提高了耦合求解器處理復雜形狀流動問題的能力,又能保持離散方程的局部守恒特性,而后者對非線性偏微分方程數(shù)值求解的收斂過程有極為重要的作用。
通過Simdroid時諧電磁場仿真獲得穿墻套管的發(fā)熱功率分布
通過流體-固體傳熱耦合仿真得到流體和固體穩(wěn)態(tài)溫度分布，并在固體溫度分布中顯示最高溫度點位
利用Simdroid可視化功能豐富、渲染性能強大的后處理器，可對各物理場結(jié)果進行查看。
展開 在本模塊領(lǐng)域中我們需要用到的物理場分別為固體力學和固體傳熱以及多物理場耦合的分析，下面進行簡單的介紹：
首先先建立光線結(jié)構(gòu)模型，在這里我們選擇應(yīng)力偏振型熊貓光纖作為分析（最外層是PML，要求與接觸材料的折射率一致，在這里就不做過多簡述：
其次，要進行物理場的研究，在這里我們分別構(gòu)建固體力學以及固體傳熱物理模型，具體固體力學配置如下所示，由于我們光纖的材料主要是二氧化硅成分，所以設(shè)置為線彈性材料，由于纖芯和包層是一體的所以在受熱過程中將二者作為一個整體，限制纖芯因為熱應(yīng)力作用而膨脹（理想情況）
在固體傳熱部分我們通過將外部環(huán)境作為加熱源，采用面外熱通量的形式對結(jié)構(gòu)進行加熱，設(shè)定面外熱通量溫度為298.5K，將光纖結(jié)構(gòu)的外層設(shè)定為熱絕緣層。詳細見下面圖組：
最后我們將固體力學與固體傳熱之間用多物理場進行耦合，并且在研究的最后對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格的劃分如下圖所示：
最后通過運行程序得到如下表面溫度的結(jié)果，這與光纖中不同區(qū)域的材料系數(shù)有關(guān)（例如所設(shè)定的熱膨脹系數(shù)有關(guān)），可以看出光纖端面處不同部位的溫度也會有所差異，因為耦合到了固體力學結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布區(qū)域也會呈現(xiàn)出不同的趨勢。
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展開 具體功能如下：
固體傳熱分析功能
熱固耦合分析功能
殼結(jié)構(gòu)分析功能
智能結(jié)構(gòu)仿真軟件AIFEM 2023R1界面
固體傳熱分析功能
新版本增加了包含穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)場景的固體傳熱仿真功能。AIFEM提供高精度的熱力學求解算法，通過設(shè)置豐富的熱載荷和熱邊界來高效模擬工程場景中的傳熱和熱沖擊過程。具體新增功能有：熱初始條件、多種熱單元、熱載荷和熱邊界，其中熱載荷包括生熱率、熱通量、熱源；熱邊界包括輻射、對流、環(huán)境溫度等。通過相比，溫度結(jié)果的偏差保持在很小范圍內(nèi)。
圖1 固體傳熱分析案例
熱固耦合分析功能
熱固耦合功能打通了熱固兩個學科之間的仿真數(shù)據(jù)交互問題，在結(jié)構(gòu)界面可以支持多種方式的溫度數(shù)據(jù)交互，包括常溫設(shè)定、場數(shù)據(jù)導入、分析方案導入等。用戶可以對溫度場進行時間上的截斷和空間上的差值，以得到精細的耦合模型，結(jié)合力學工況設(shè)置，最終得到耦合結(jié)果。經(jīng)過對標，其溫度結(jié)果和應(yīng)力結(jié)果與參考值保持高度一致。
圖2 熱固耦合分析案例
殼結(jié)構(gòu)分析功能
板殼結(jié)構(gòu)的工程產(chǎn)品非常普遍，廣泛應(yīng)用于汽車、機械、航空航天等領(lǐng)域。AIFEM2023R1推出了整體板殼分析解算方案，包括對幾何曲面自動修復和清理、生成高質(zhì)量殼網(wǎng)格、殼屬性設(shè)定、快速求解靜力學和動力學等。
展開 COMSOL-激光燒蝕模擬 ￥50
案例描述：本案例主要用到的物理場是固體傳熱和變形幾何。計算域模型如圖所示，激光的運動路徑是通過將焦點坐標設(shè)置成分段函數(shù)來實現(xiàn)的，也可通過使用波形函數(shù)實現(xiàn)加工路徑的設(shè)置。變形幾何模塊內(nèi)的設(shè)置主要是法向網(wǎng)格速度，將其跟固體傳熱模塊內(nèi)的向內(nèi)熱通量聯(lián)系起來考慮。模型尺寸如下，兩種材料疊接而置。
S1：啟動 comsol 5.5
點擊模型向?qū)В诳臻g維度內(nèi)選擇三維
選擇變形幾何、傳熱中選擇固體傳熱
單擊瞬態(tài)研究
單擊完成
S2：全局定義
激光和材料的參數(shù)設(shè)置如下：
S3：定義
模型涉及的相關(guān)變量：
高斯脈沖、激光輻射軌跡（分段函數(shù)）設(shè)置如下：
S4：材料
從材料庫中添加材料1和材料2的相關(guān)參數(shù)
展開 
固體傳熱的相關(guān)專題、標簽、搜索
固體傳熱的最新內(nèi)容
模擬隨時間變化的溫度響應(yīng)，支持變載荷、變邊界條件、熱慣性
可捕捉溫度動態(tài)過程（如啟動 / 停機、熱沖擊）；支持非線性材料熱屬性；與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)耦合方便
求解耗時長、需精細時間步控制；對初始條件和網(wǎng)格質(zhì)量敏感
發(fā)動機啟停、焊接熱影響區(qū)、脈沖加熱、自然對流瞬態(tài)過程
Fluent（CFD 模塊）
流體與固體耦合傳熱
流動方面：
采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和有限體積法離散，采用基于壓力的求解方案，同時提供RANS和LES兩類模型；
燃燒方面：
同時具備簡單化學反應(yīng)EDM和復雜化學反應(yīng)FGM燃燒模型，同時支持液相連續(xù)流場和離散流場描述；
流固熱耦合方面：
采用弱耦合方式，通過流動求解器和固體傳熱求解器之間進行交界面上的溫度、熱流等傳遞實現(xiàn)氣熱耦合計算
添加固體傳熱物理場并對混凝土細觀中的三組分分別設(shè)置材料屬性，完成網(wǎng)格劃分。
根據(jù)實際工況設(shè)置合理的初始條件及邊界后，添加瞬態(tài)研究并完成混凝土細觀模型的水化熱溫度變化仿真分析。
參考案例-熱傳遞和輻射-基于部件的殼體：排氣管
參考案例-固體應(yīng)力-共軛傳熱和熱應(yīng)力：排氣岐管
參考案例-固體應(yīng)力-流體結(jié)構(gòu)相互作用：振動管
參考案例-固體應(yīng)力-來自映射溫度數(shù)據(jù)的熱應(yīng)力：排氣岐管
參考案例-與 CAE 程序耦合-Simcenter STAR-CCM+ 至 Simcenter STAR-CCM+ 耦合：煙囪中的熱傳遞
參考案例-與 CAE 程序耦合-Abaqus
一期一會 | 什么是多物理場？8個月前
例如，除了流體力學分析之外，Ansys Fluent?流體仿真軟件還可以對聲學、運動、固體傳熱和熱應(yīng)力進行建模。當模型共享幾何結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格和設(shè)置時，具有多物理場功能的單個求解器對于耦合分析非常有用。
但隨著產(chǎn)品復雜性的增加，單一物理場仿真可能不再滿足需求。
這正是協(xié)同仿真的用武之地。通過連接專用求解器，可以更精確地捕獲不同物理現(xiàn)象之間的復雜相互作用。
在COMSOL內(nèi)選擇固體傳熱模塊，添加瞬態(tài)研究，并導入骨料密堆積模型。
對混凝土細觀模型的水泥砂漿及骨料部分分別指定材料，并設(shè)置密度、導熱系數(shù)、恒壓熱容等與傳熱相關(guān)的材料參數(shù)。
在固體傳熱中設(shè)置初始值，由于水化熱由水泥漿體產(chǎn)生，因此初始溫度設(shè)置中水泥砂漿基體溫度高于骨料溫度。
PINN通過將控制方程、邊界條件等物理先驗嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以無網(wǎng)格方式實現(xiàn)微分方程求解，在流體力學、固體力學、傳熱學等領(lǐng)域展現(xiàn)出突破性潛力。其核心論文（引用超13,000次）開創(chuàng)了物理驅(qū)動深度學習的范式，成為Nature、CMAME等頂刊的研究熱點。2. 傳統(tǒng)數(shù)值方法與機器學習的融合需求有限差分法（FDM）和有限單元法（FEM）雖成熟但依賴離散化，難以處理復雜幾何與多物理場耦合問題。
添加固體傳熱瞬態(tài)研究，模型左側(cè)設(shè)置熱源，并進行網(wǎng)格劃分。
進行計算查看多孔結(jié)構(gòu)傳熱模擬結(jié)果
</p><p>Comsol軟件作為一款多物理場耦合仿真軟件，在仿真工作中，其內(nèi)置的達西定律、自由和多孔介質(zhì)流、多孔介質(zhì)傳熱、固體力學等物理場可以表述其過程，從而達到仿真的目的。</p><p>本課程主要內(nèi)容為：</p><p>1.利用流熱固多物理場耦合仿真瓦斯抽采問題；</p><p>2.利用參數(shù)化掃描功能研究不同滲透率、負壓、溫度、時間等多工況下的變化。
