Heat Transfer Module

Nova Aplicativos: Dissipador de Calor com Aletas

Este novo aplicativo inclui a geometria de um dissipador de calor parametrizado e considera a transferência de calor conjugada, em que o escoamento do fluido é modelado usando o modelo de turbulência algébrico yPlus. O modelo consegue simular dissipadores de calor com larguras e dimensões de aletas distintas, com velocidades arbitrárias de ar frio. Até mesmo o número de dissipadores de calor pode ser variado.

Os resultados apresentam a potência de arrefecimento e a queda média de pressão ao longo do sistema. Quanto mais estabilizadores forem adicionados, maior será a potência de arrefecimento, porém a queda de pressão ao longo do dissipador de calor aumentará proporcionalmente.

Interface do aplicativo mostrando o perfil de velocidade obtido por meio de configurações do usuário. Interface do aplicativo mostrando o perfil de velocidade obtido por meio de configurações do usuário.

Interface do aplicativo mostrando o perfil de velocidade obtido por meio de configurações do usuário.

Novo aplicativo: Ferramenta de Dimensionamento para Trocador de Calor de Tubos Concêntricos

Nesse novo aplicativo de simulação, um trocador de calor feito com dois tubos concêntricos contém dois domínios de fluidos em temperaturas diferentes. A interface multifísica Non-Isothermal Flow é usada para modelar a transferência de calor no trocador de calor. Esse aplicativo calcula as quantidades que caracterizam o trocador de calor, como potência trocada, queda de pressão e eficiência. A estrutura da tubulação, as propriedades dos fluidos e as condições de contorno são todas personalizáveis.

Definição das propriedades dos tubos no aplicativo  Concentric Tube Heat Exchanger. Definição das propriedades dos tubos no aplicativo Concentric Tube Heat Exchanger.

Definição das propriedades dos tubos no aplicativo Concentric Tube Heat Exchanger.

Modelos de Turbulência Algébricos

Os modelos de turbulência algébricos yPlus e L-VEL agora estão disponíveis no Heat Transfer Module. Esses modelos aprimorados de viscosidade são adequados para escoamentos internos, como aqueles em aplicações de arrefecimento de eletrônicos. Os modelos de turbulência algébricos são computacionalmente mais econômicos e mais robustos, porém geralmente menos precisos do que os modelos de equação de transporte como o modelo k−ε. Esses modelos de turbulência estão disponíveis na interface Single-Phase Flow e nas interfaces multifísicas Non-Isothermal Flow e Conjugate Heat Transfer.

Linhas de corrente  usando o modelo de turbulência algébrico yPlus em uma unidade de fonte de alimentação (PSU). Linhas de corrente usando o modelo de turbulência algébrico yPlus em uma unidade de fonte de alimentação (PSU).

Linhas de corrente usando o modelo de turbulência algébrico yPlus em uma unidade de fonte de alimentação (PSU).

Interface Multifísica Local Thermal Non-Equilibrium

A interface multifísica Local Thermal Non-Equilibriuml (LTNE) foi desenvolvida para simular transferência de calor em meios porosos em escala macro, quando as temperaturas da matriz porosa e do fluido não estiverem em equilíbrio. Ela difere dos modelos mais simples de escala macro para transferência de calor em meios porosos, nos quais as diferenças de temperatura entre as fases sólida e fluida são ignoradas. As aplicações típicas podem envolver aquecimento ou resfriamento rápido de um meio poroso usando um fluido quente, ou ainda a geração de calor interno em uma das fases (devido ao aquecimento indutivo ou através de micro-ondas, reações exotérmicas etc.). Esse fenômeno é observado em dispositivos nucleares, sistemas eletrônicos ou células de combustível, por exemplo.

Escoamento em Meio Poroso e Escoamento Turbulento Acoplados

As interfaces físicas Single-Phase Flow agora podem modelar escoamento turbulento em um meio livre acoplado a um meio poroso. Pode-se ativar esta funcionalidade acrescentando um nó Fluid and Matrix Properties ao domínio nos modelos de turbulência Algebraic yPlus ou L-VEL. Estes modelos de turbulência estão disponíveis somente no CFD Module e no Heat Transfer Module.

Também é possível iniciar com uma interface para escoamento em meio poroso e acrescentar um domínio de escoamento livre, ou pode-se iniciar com uma interface de escoamento livre e acrescentar um domínio poroso. A caixa de seleção Enable porous media domains acrescenta o recurso Fluid and Matrix Properties. As equações de Brinkman são resolvidas nos domínios porosos e as equações Médias de Reynoulds são resolvidas nos domínios de escoamento livre.

Finalmente, as capacidades de modelagem foram estendidas pelo fato de se poder adicionar o termo de Forchheimer às equações de escoamento em meios porosos. Isso permite a descrição de altas velocidades intersticiais (altas velocidades nos poros).

Essa figura mostra um filtro poroso, na parte mais afastada do observador, suportado por uma placa sólida perfurada. Um escoamento é bombeado através do filtro, no qual os efeitos do filtro poroso e das perfurações na placa de suporte sobre o escoamento turbulento são  considerados, automaticamente, na interface do escoamento. Essa figura mostra um filtro poroso, na parte mais afastada do observador, suportado por uma placa sólida perfurada. Um escoamento é bombeado através do filtro, no qual os efeitos do filtro poroso e das perfurações na placa de suporte sobre o escoamento turbulento são considerados, automaticamente, na interface do escoamento.

Essa figura mostra um filtro poroso, na parte mais afastada do observador, suportado por uma placa sólida perfurada. Um escoamento é bombeado através do filtro, no qual os efeitos do filtro poroso e das perfurações na placa de suporte sobre o escoamento turbulento são considerados, automaticamente, na interface do escoamento.

Acoplamento Non-Isothermal Flow em Domínios Porosos

Um recurso de Propriedades de Fluido e Matriz foi introduzido na interface Single Phase Flow do COMSOL Multiphysics 5.1, nos seguintes módulos: Batteries and Fuel Cells, CFD, Chemical Reaction Engineering, Corrosion, Electrochemistry, Electrodeposition, Microfluidics e Subsurface Flow.

Em paralelo, o nó de acoplamento multifísico Non-Isothermal Flow, encontrado no Heat Transfer Module e no CFD Module, também foi atualizado. Agora, ele também consegue simular fenômenos multifísicos que requeiram o acoplamento com as recursos Heat Transfer in Porous Media e Fluid and Matrix Properties. Essa capacidade pode ser usada para modelar escoamentos não isotérmicos em meios porosos, tais como convecção natural ocorrida em decorrência de uma distribuição variável da temperatura ao longo da da matriz porosa. A dissipação viscosa e o trabalho realizado por forças de pressão também podem ser calculados em domínios de meios porosos.

Além disso, é possível usar o nó de acoplamento multifísico Non-Isothermal Flow para simular um escoamento turbulento não isotérmico. Isso é feito usando o modelo de turbulência algébrico nos domínios livres e acoplando o escoamento em meio poroso sobre a interface.

Potência Depositada por Feixe

O novo recurso Deposited Beam Power está disponível em 3D e é usado para modelar feixes estreitos de laser, elétrons ou íons que depositem potência em um ponto localizado. A interface de usuário oferece diferentes opções para definir as propriedades do feixe e o tipo do perfil: Gaussiano ou cartola. Ela também permite definir o ponto de origem do feixe, seu vetor direcional, sua espessura e a potência depositada. A partir dessas informações, o recurso Deposited Beam Power determina o ponto de interseção dos contornos selecionados, e uma fonte térmica localizada é aplicada de acordo com a função de distribuição selecionada.

Efeito Marangoni

Um novo recurso de contorno multifísico acopla as interfaces de escoamento monofásico e transferência de calor para modelar o efeito Marangoni, induzido por uma tensão superficial dependente de temperatura. A convecção Marangoni (ou termocapilaridade) ocorre quando a tensão superficial de uma interface (geralmente ar líquido) depende da temperatura. Isso é de importância primordial nas áreas de soldagem, expansão de cristais e fundição de metais com feixe de laser ou de elétrons.

Superfícies isotérmicas, sentido do escoamento na superfície (setas) e linhas de corrente no fluido induzidas pelo efeito Marangoni em um metal líquido, aquecido por um feixe laser. Superfícies isotérmicas, sentido do escoamento na superfície (setas) e linhas de corrente no fluido induzidas pelo efeito Marangoni em um metal líquido, aquecido por um feixe laser.

Superfícies isotérmicas, sentido do escoamento na superfície (setas) e linhas de corrente no fluido induzidas pelo efeito Marangoni em um metal líquido, aquecido por um feixe laser.

Configurações Padrão de Malha Otimizadas para Interfaces de Transferência de Calor

As configurações padrão de malha em todas as interfaces de transferência de calor usam condições periódicas e condições de pareamento. Quando esses recursos são habilitados, a malha padrão usa uma malha idêntica nos contornos de origem e destino para minimizar o erro numérico induzido pela extrapolação, que ocorre quando as malhas de ambos os lados não coincidem. Além disso, a sugestão automática de malha orientada pela física automatiza a criação de malha para elementos infinitos. A nova sugestão de malha automática aplica automaticamente a criação de malhas de varredura (3D) ou mapeadas (2D) à domínios com elementos infinitos.

Malha padrão obtida para domínios de elementos infinitos (elementos cinza) circundando um domínio interno com malha arbitrária (elementos coloridos). Malha padrão obtida para domínios de elementos infinitos (elementos cinza) circundando um domínio interno com malha arbitrária (elementos coloridos).

Malha padrão obtida para domínios de elementos infinitos (elementos cinza) circundando um domínio interno com malha arbitrária (elementos coloridos).

Correlações Adicionais para Coeficientes de Transferência Térmica

Duas correlações de coeficiente convectivos de transferência de calor foram adicionadas à biblioteca de coeficientes de transferência térmica, correspondentes ao escoamento externo induzido por convecção natural em torno de uma esfera, ou de um cilindro horizontal longo. Esses coeficientes de transferência térmica podem ser usados para reduzir o custo da simulação quando a configuração do modelo corresponde a uma dessas situações. Nesses casos, o cálculo do escoamento e a convecção térmica no fluido são substituídos por uma condição de contorno de fluxo de calor nos contornos sólidos.

Funções Predefinidas para Intensidade de Corpo Negro e Potência Emissiva de Corpo Negro

As interfaces de transferência de calor oferecem duas novas funções, ht.fIb(T) e ht.feb(T), para avaliar a intensidade de corpo negro e a potência emissiva de corpo negro, respectivamente. Em ambas as funções, o índice de refração do meio é considerado. Como essas quantidades são definidas como funções da temperatura de um corpo negro, é possível avaliá-las para temperaturas arbitrárias. Por exemplo, ht.feb(5770[K]) retorna a potência emissiva a 5770 K, que é a temperatura usada para modelar o sol como um corpo negro.

Suporte Aprimorado ao Recurso Thin Layer

O recurso de contorno de Thin Layer é usado para modelar estruturas pequenas (particularmente finas) que provocam um efeito perceptível nos resultados gerais do modelo. Apesar das dimensões reduzidas das camadas, a temperatura pode variar significativamente de acordo com a espessura das camadas. Esse recurso foi atualizado para levar em consideração outros fenômenos além da condução, tais como condições de contorno de superfície para superfície, domínios isotérmicos ou funções térmicas de parede.

Cálculos de Bioaquecimento Mais do Que Cinco Vezes Mais Rápidos

Para aquecimento em tecidos biológicos, um novo método de solução pode dar um ganho de velocidade superior a cinco vezes. Esta melhoria de performance está disponível para análises de integral de danos quando a opção de limite de temperatura está ativa e a temperatura de necrose é atingida por hiper ou hipotermia. Além disso, a detecção das temperaturas que excedem a temperatura de necrose foi melhorada.

Equações Exibidas na Seção Equação Foram Reescritas

As equações exibidas na seção \"Equação\" de todos os recursos foram reescritas visando melhor legibilidade e consistência.

Exemplo de uma equação atualizada no recurso Heat Transfer in Fluids. Exemplo de uma equação atualizada no recurso Heat Transfer in Fluids.

Exemplo de uma equação atualizada no recurso Heat Transfer in Fluids.

Novo Tutorial: Modeling a Conical Dielectric Probe for Skin Cancer Diagnosis

Sabe-se que a resposta de uma onda milimétrica com frequências de 35 GHz e 95 GHz é bastante sensível ao teor de água. O modelo nesse aplicativo de simulação utiliza uma onda milimétrica de baixa potência, na banda Ka de 35 GHz, e sua reflexibilidade à umidade para diagnóstico não invasivo de câncer.

Visto que tumores de pele contêm mais umidade do que pele saudável, isso leva a reflexos mais potentes nessa faixa de frequência. Portanto, a sonda detecta anormalidades, em termos de parâmetros de dispersão, nos locais dos tumores. Um guia de ondas circular no modo dominante e uma sonda dielétrica cônica são rapidamente analisados, em conjunto com as características de radiação da sonda, usando um modelo 2D com simetria axial. Também são realizadas análises de variação de temperatura na pele e fração de tecido necrótico.

Simulação mostrando que a variação de temperatura induzida pela radiação da sonda é menor que 0,06 K, mesmo após 10 minutos de exposição. Simulação mostrando que a variação de temperatura induzida pela radiação da sonda é menor que 0,06 K, mesmo após 10 minutos de exposição.

Simulação mostrando que a variação de temperatura induzida pela radiação da sonda é menor que 0,06 K, mesmo após 10 minutos de exposição.

Novo Tutorial: Evaporation in Porous Media with a Small Evaporation Rate

A evaporação em meios porosos é um processo importante nas indústrias de alimentos e papel, dentre outras. Muitos efeitos físicos devem ser considerados: escoamento de fluido, transferência de calor e transporte dos fluidos participantes. Esse modelo tutorial descreve o escoamento laminar de ar através de um meio poroso úmido. O ar na entrada é seco e seu teor de umidade aumenta à medida que o ar flui pelo meio poroso. A taxa de evaporação é pequena o suficiente para negligenciar as alterações induzidas nas propriedades do meio poroso.

Tutorial atualizado: Vacuum Flask

Esse modelo calcula quanto calor uma garrafa térmica contendo um fluido quente dissipa ao longo do tempo. Ele inclui o recém-introduzido recurso Isothermal Domain para monitorar a temperatura.

Redução da temperatura do café (esquerda) e perfil da temperatura final (direita) em uma garrafa térmica, após 10 horas. Redução da temperatura do café (esquerda) e perfil da temperatura final (direita) em uma garrafa térmica, após 10 horas.

Redução da temperatura do café (esquerda) e perfil da temperatura final (direita) em uma garrafa térmica, após 10 horas.

Tutorial atualizado: Electronic Enclosure Cooling

Essa aplicação usa o novo modelo de turbulência algébrico yPlus para modelar o escoamento. É possível, então, modelar o escoamento no dispositivo mais rapidamente, já que as configurações de malha e solver foram simplificadas, o que também torna a preparação do modelo mais rápida. A aplicação soluciona 1.1 milhões de graus de liberdade e requer cerca de 6 GB de memória para a solução.

Perfil de temperatura em uma unidade de fonte de alimentação (PSU) resfriada por um escoamento turbulento usando o novo modelo de turbulência algébrica yPlus. Perfil de temperatura em uma unidade de fonte de alimentação (PSU) resfriada por um escoamento turbulento usando o novo modelo de turbulência algébrica yPlus.

Perfil de temperatura em uma unidade de fonte de alimentação (PSU) resfriada por um escoamento turbulento usando o novo modelo de turbulência algébrica yPlus.

Novo Tutorial: View Factor Computation

Esse benchmark demonstra como calcular fatores de vista geométrica para duas esferas concêntricas que irradiam uma à outra. Ele compara os resultados da simulação a valores analíticos exatos.

Configuração geométrica de parâmetros de comparação de um aplicativo que calcula fatores de vista geométrica para duas esferas concêntricas que irradiam uma à outra. Configuração geométrica de parâmetros de comparação de um aplicativo que calcula fatores de vista geométrica para duas esferas concêntricas que irradiam uma à outra.

Configuração geométrica de parâmetros de comparação de um aplicativo que calcula fatores de vista geométrica para duas esferas concêntricas que irradiam uma à outra.