熱容
關(guān)注創(chuàng)建者：ONE MOMENT IN TIME 創(chuàng)建時間：2021-03-09
熱容的視頻教程
動力電池熱管理仿真：Starccm&Amesim冷媒直冷熱仿真課程
沸騰溫度 如上圖，制冷劑在進口位置沸騰溫度較高，主要是因為在控制出口壓力的同時，進口壓力會疊加壓降，導(dǎo)致進口位置壓力高，對應(yīng)的沸騰溫度自然也高些，隨著制冷劑的逐漸蒸發(fā)，制冷劑逐漸轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，并隨著氣態(tài)制冷劑的逐漸增加，氣態(tài)制冷劑出現(xiàn)過熱狀態(tài)。由于氣態(tài)制冷劑的熱容小，無法吸收過熱熱量，因此氣態(tài)制冷劑很容易出現(xiàn)過熱，所以在制冷板的出口位置上體現(xiàn)出更多的是制冷劑的高溫。
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熱容的實例教程
怎么利用9.1版本中的Assembly Network構(gòu)建熱容網(wǎng)絡(luò)啊？或者誰有完整的9.1版本用戶手冊，求分享~
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其他的對于濕空氣主要需要考慮和假設(shè)的是換熱的濕空氣容腔和濕空氣流路建模部件，而對流換熱內(nèi)部或外部對流換熱、自然和強制對流和密閉空間的對流換熱；對于太陽或者地表或者其他部件熱源的熱輻射主要考慮物體透明和不透明表面以及反射、投射和吸收熱量的計算。
2.1 各個元件參數(shù)設(shè)定和理論
2.1.1 材料定義
定義固體的材料屬性（鐵、銅、鋁等常見材料）包括：密度[Kg/m3]，比熱[J/Kg/℃]，熱導(dǎo)率[W/m/℃]，定義方式有：選擇庫中已有材料、定義為常量、定義為文件或者表達式、屬性定義擬合。
2.2.2 熱容計算
和材料質(zhì)量和體積有關(guān)
溫度計算：計算各個端口的熱量引起的變化
熱容本身存儲能量評估
重要概念：熱容的集中參數(shù)法，這里說的意思是比如做電池熱管理仿真，是考慮整個電池包當(dāng)成一個熱容還是一個電池模組或者電池單元看成一個熱容。電池溫差各個模組不一樣，如果把電池單元看成一個熱量是不足以分析電池溫差和溫度分布情況的，所以就需要分解，通過Bi參數(shù)選擇：
上式中，L是固體的換熱特征長度，h是對流換熱系數(shù)，λ是固體的導(dǎo)熱率
當(dāng)Bi <<1，適合單個熱容建模方式
當(dāng)Bi>>1,需要將熱容離散成多個質(zhì)量塊
若Bi<<1，固體中的導(dǎo)熱熱阻遠小于流過流體邊界層的對流熱阻，可以假定固體內(nèi)溫度分布均勻，則Bi越小，表示內(nèi)熱阻越小，外部熱阻越大。
展開 代表性相變材料Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和 Ag2Se的（a）比熱和（b）熱擴散系數(shù)，（c）基于不同比熱計算得到的Cu2Se的熱導(dǎo)率，（d）相變過程中吸放熱對熱傳輸?shù)挠绊懯疽鈭D
最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東、曾華榮、副研究員仇鵬飛與美國科羅拉多大學(xué)/華中科技大學(xué)教授楊榮貴合作，基于對經(jīng)典熱輸運方程的校正，清晰闡述了相變過程中吸放熱對熱流傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)相變除了可以影響材料的熱容外，還會顯著地導(dǎo)致材料熱擴散系數(shù)降低這一實驗假象，相變速度越快，熱擴散系數(shù)降低的假象越嚴重。因此，材料相變時的真實熱導(dǎo)率需要同時移除額外增加的熱容和降低的熱擴散系數(shù)的貢獻。這一理解在Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和 Ag2Se四種相變材料中獲得了實驗驗證。相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials，DOI: adma.201806518）。
高溫下材料的熱導(dǎo)率可由公式k=CP′d′l計算得到，其中CP是熱容，d是密度，l是熱擴散系數(shù)。通常采用激光散射法（LFA）測試熱擴散系數(shù)，阿基米德法測量密度，DSC差示掃描量熱法測量熱容。材料發(fā)生相變時，人們早已知道熱容可以明顯增加，密度的變化很小，可以忽略，而通常認為熱擴散系數(shù)不受影響。
（a）相變過程中的熱擴散系數(shù)（lm）、相變反應(yīng)速率和比熱之間的關(guān)系，（b）Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和Ag2Se的相變反應(yīng)速率隨溫度的變化
（a）Cu2Se, Cu2S, Ag2S和Ag2Se的真實熱導(dǎo)率，（b）基于真實熱導(dǎo)率計算得到的Cu-2Se相變過程中的熱電優(yōu)值zT
材料相變會吸收或釋放部分熱量，進而無法使用經(jīng)典的熱傳導(dǎo)方程描述相變過程中的熱流輸運。研究團隊引入相變動力學(xué)方程進行校正，成功得到了適用于相變過程的熱傳導(dǎo)方程。
展開 圖3 不同溫度跨度比熱容測試曲線
3.3 是否含有相變
比熱容測試時，依據(jù)不同溫度比熱容的測試需求，有時測試過程中會包含相變，為了探究測試過程中含有相變與不含相變對比熱容測試結(jié)果的差異，從圖4可以看出針對PA6材料是否含有相變對比熱容的測試結(jié)果影響不大。
圖4 是否含有相變比熱容測試對比曲線
3.4 不同升溫速率與恒溫時間
比熱容測試時會設(shè)置等溫階段，其設(shè)置的目的在于使試樣達到熱平衡，以此保證試驗測試的起始溫度一致，從而提高數(shù)據(jù)的準確性以及重復(fù)性。一般只要時間足夠長均能達到熱平衡，但是實際測試時需要兼顧準確性與測試效率。所以探究不同恒溫時間對比熱容測試結(jié)果的影響。試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出隨初始恒溫時間的延長，比熱容測試結(jié)果逐漸增大。所以若測試時間允許可以適當(dāng)延長比熱容的恒溫時間。
除此之外不同的升溫速率也可能會導(dǎo)致比熱容測試結(jié)果的不同，一般來說，升溫速率過快，會導(dǎo)致熱效應(yīng)往高溫方向漂移，測得的比熱數(shù)據(jù)也會偏低。所以探究不同升溫速率對比熱容測試結(jié)果的影響，試驗結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出不存在相變時，比熱容隨升溫速率的增加呈下降的趨勢，但是差異并不明顯。所以這也表明在合理的升溫速率范圍內(nèi)，其對比熱容測試的影響并不顯著。
圖5 不同升溫速率與恒溫時間的比熱容測試曲線
3.5 測試是否采用同一坩堝
日常測試比熱容時采用同一坩堝進行測試，但該操作的缺點是需要人員實時跟蹤，而標準GB/T 19466.4表明可以使用3套樣品質(zhì)量不超過0.1mg的坩堝進行測試，從圖6可以看出，比熱容測試時非同一坩堝的測試結(jié)果稍高于同一坩堝的比熱測試結(jié)果。所以后期比熱容測試時盡量使用同一坩堝。
展開 聲子相干的熱學(xué)性質(zhì)在計算材料領(lǐng)域有著非常重要的地位，我們可以通過第一性原理計算得到任一種晶體的熱力學(xué)性質(zhì)，但是很多小伙伴尤其是初學(xué)者還比較陌生，本文介紹基于DFT計算與聲子相關(guān)的性質(zhì)，是用VASP+phonopy+shengbte計算一種材料的聲子譜，聲子態(tài)密度，熱力學(xué)性質(zhì)（包括準簡諧近似下的亥姆霍子自由能，等壓熱容Cp，熱膨脹系數(shù)，格林愛森參數(shù)，和考慮高階聲子的聲子散射，群速度，聲子自由程，熱導(dǎo)率等等）共分為如下幾個部分：
(1). 生成4個輸入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS 然后進行優(yōu)化（這一步優(yōu)化精度需要高一點，不然可能會因為優(yōu)化精度不夠而導(dǎo)致的虛頻）
(2). 通過phonopy擴胞 生成N個位移后的POSCAR（N的數(shù)量取決于結(jié)構(gòu)的對稱性，對稱性越好N的個數(shù)越少也就是計算量越小）然后計算每個displacement的POSCAR的自洽，得到二階力常數(shù)，同時也得到了聲子譜，聲子態(tài)密度和等容熱容等熱力學(xué)性質(zhì)
(3). 通過準簡諧近似的方法，考慮聲子隨體積的變化，計算出材料的非簡偕熱力學(xué)性質(zhì) 比如等壓熱容和熱膨脹系數(shù)等
(4). 利用thirdorder擴胞生成N個位移后的POSCAR 然后每個都進行自洽得到三階力常數(shù)（如有考慮四階力常數(shù)的必要可用fourorder擴胞得到四階力常數(shù)）
(5).
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熱容的最新內(nèi)容
最終單元方程如下，其中M是熱容矩陣，K是傳導(dǎo)矩陣，F(xiàn)是熱載荷。
熱容矩陣乘的是溫度的導(dǎo)數(shù)。在瞬態(tài)問題的求解中，導(dǎo)數(shù)項可以寫成前后時間變量差值與時間間隔的比值：
代入后得到如下形式：
求解思路
在求解過程中，把Tn+1當(dāng)作未知量，Tn作為已知量。這樣在每個時間點，求解方法和結(jié)構(gòu)有限元方法一致。
例如高粘度流體（如某些油類、聚合物溶液）流動性差，容易在傳感器表面形成滯留層，導(dǎo)致熱交換效率下降，造成測量偏差；而極低粘度氣體（如氫氣、氦氣）則因熱容小、導(dǎo)熱快，也可能對傳感器設(shè)計提出更高要求。
二、Bronkhorst如何應(yīng)對不同粘度流體？
通過該方法，能夠深入分析器件熱傳導(dǎo)路徑上每層結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能，即熱阻和熱容參數(shù)，進而構(gòu)建出器件等效熱學(xué)模型。這一特性使得 T3ster 被譽為熱測試中的 “X 射線”，能夠為器件封裝工藝改進、可靠性試驗、材料熱特性研究以及接觸熱阻分析等提供強大支持 。
所以探究不同升溫速率對比熱容測試結(jié)果的影響，試驗結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出不存在相變時，比熱容隨升溫速率的增加呈下降的趨勢，但是差異并不明顯。所以這也表明在合理的升溫速率范圍內(nèi)，其對比熱容測試的影響并不顯著。
它們需要更高的溫度才能獲得足夠的活動性，從而在 DSC 曲線上表現(xiàn)出熱容的突變（即 Tg 發(fā)生）。因此，測得的 Tg 偏高。
低升溫速率： 溫度升高緩慢，分子鏈段有更充分的時間在較低的溫度下進行重排和運動。因此，熱容突變發(fā)生在較低的溫度，測得的 Tg 偏低。
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）取為熱容變化的中點，從第二條量熱曲線獲得；冷結(jié)晶溫度（Tcc）、熔融溫度（Tm）（取熔融吸熱峰的峰值溫度最大值）以及焓值（ΔHcc和ΔHm）從第一條量熱曲線（第一次加熱運行）獲得，對于非晶樣品則從快速冷卻后的第二條和第三條量熱曲線（第二次加熱運行，不同加熱速率）獲得。
2.
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(dǎo)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。將試件的左右及下邊界設(shè)置為熱絕緣，上部邊界設(shè)置環(huán)境溫度并設(shè)置熱通量，用于模擬大體積混凝土工況。
工況特性：速度入口：4m/s入口流體溫度：323.15K壁面溫度：303.15K壓力環(huán)境：8.1MPa變物性參數(shù)：密度、粘性系數(shù)、定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容比。計算收斂性：各殘差均收斂至1e-6。
另一種方式是通過液冷散熱，費用比風(fēng)冷高，但液體的熱容和換熱能力比空氣厲害多了。用了液冷，有的要在風(fēng)扇的基礎(chǔ)上再加個泵，抽著冷卻液循環(huán)轉(zhuǎn)起來。有的可能還會加壓縮機和換熱器，例如家用空調(diào)。不同品牌和類型的電動汽車，電池包散熱結(jié)構(gòu)可能都會有些不同，有自己的設(shè)計和巧思在里邊。
本案例仿真模擬的電池包，它的散熱方式是：這8個塊是電池，底部板是導(dǎo)熱板，左邊的長方形是散熱翅片簡化后的多孔介質(zhì)。
AMEsim中Thermal庫(熱力學(xué)模型庫）中的熱容元件
二、關(guān)于AMEsim軟件的那點事兒
1、AMEsim是什么？
