Atualizações do Heat Transfer Module

Para usuários do Heat Transfer Module, a versão 5.2a do COMSOL Multiphysics® traz a possibilidade de incorporar dados climáticos nas simulações, uma opção pré-definida para incluir efeitos de flutuação em modelos de transferência de calor conjugada, novos materiais no banco de dados Bioheat e muito mais. Veja abaixo mais detalhes das atualizações feitas no Heat Transfer Module.

Dados Climáticos Dependentes de Tempo para mais de de 6000 Estações (ASHRAE 2013)

Uma nova seção chamada Ambient Settings está disponível na janela de configurações das interfaces Heat Transfer para a definição de variáveis de ambiente, tais como temperatura, umidade relativa, pressão absoluta, velocidade do vento e irradiação solar. Após definir essas variáveis uma vez, elas ficarão disponíveis como entradas em diversos recursos de todas as interfaces do Heat Transfer Module.

Especificar variáveis de ambiente é, por padrão, feito pelo usuário (User defined). No entanto, pode-se optar por serem computadas a partir de medições de médias mensais e horárias, de valores fornecidos no guia ASHRAE 2013, que são reunidos a partir de dados medidos por estações meteorológicas do mundo inteiro e fornecidos pela American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Diversas configurações estão disponíveis para escolher um local, momento específico no tempo e condições do ambiente. Isso facilita e agiliza o acesso a um grande volume de dados em um local que é relevante para o seu modelo. A condição padrão corresponde ao valor médio para determinada data e hora. Entre as diferentes possibilidades, o usuário também pode acessar a mais alta ou mais baixa temperatura registrada pela estação meteorológica selecionada, ou valores que correspondem aos valores médios, mas com desvio de desvio padrão.

Quando estudos transientes são executados, os dados climáticos são automaticamente sincronizados com o intervalo de tempo definido no solver.

Dados climáticos de ambiente estão disponíveis na forma de variáveis como entradas para diversos recursos. Por exemplo, no recurso Heat Flux, a temperatura do ambiente, a pressão absoluta do ambiente e a velocidade do vento podem ser usadas em correlações que definem o coeficiente de transferência de calor.

Definir as condições de ambiente no nível da interface assegura a consistência do modelo como um todo, além de evitar a definição de variáveis adicionais para os dados de ambiente. Ouso de dados climáticos é útil para validar as condições operacionais de um dispositivo baseado em dados reais. Graças às múltiplas opções de condição, é possível testar o comportamento do dispositivo em condições extremas ou padrão, com a margem de segurança desejada.

Caminho da Biblioteca de Aplicações para um exemplo usando Dados Climáticos Dependentes do Tempo (ASHRAE 2013):

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling /condensation_electronic_device_with_diffusion

Opção Pré-definida para Incluir Efeitos de Flutuação em Modelos com Transferência de Calor Conjugada

As forças gravitacionais são responsáveis pelos efeitos de flutuação observados tão logo haja alguma diferença na densidade em um fluido. Na maior parte do tempo, essas diferenças na densidade podem ser decorrentes de variações de temperatura em um gás ou líquido. A convecção natural corresponde a uma situação onde o escoamento é induzido por forças de flutuação e é um ponto crucial em muitas aplicações, como na economia de energia (já que a convecção natural induz o movimento do fluido, aumenta a transferência de calor e, portanto, as perdas de calor) ou resfriamento de eletrônicos (resfriamento baseado em convecção natural ou resfriamento sem ventilador é preferível porque não envolve nenhum dispositivo mecânico e não produz ruídos).

Com a nova propriedade Gravity, disponível na interface Single-Phase Flow, é possível incluir facilmente efeitos de gravidade. Quando selecionada, a propriedade de gravidade adiciona o sub-nó Gravity na árvore do modelo, no qual é possível editar a aceleração da gravidade. O sub-nó Gravity define uma força volumétrica correspondente à gravidade em todos os domínios onde a interface está ativa.

Duas formulações estão disponíveis para implementar a equação de escoamento de fluido com gravidade: a formulação da pressão relativa (padrão) e a formulação da pressão reduzida. Quando a formulação da pressão relativa é selecionada, recursos que usam uma pressão externa ou tensão total externa permitem que a pressão hidrostática (escoamento incompressível) ou a aproximação da pressão hidrostática (escoamento compressível ou fracamente compressível) seja considerada. Quando a opção da pressão reduzida é selecionada, as equações de escoamento são definidas usando a pressão reduzida como uma variável dependente, adequada em casos onde variações na flutuação são pequenas em comparação ao valor absoluto das forças de flutuação.

Caminho da Biblioteca de Aplicações para um exemplo usando a opção pré-definida para incluir efeitos de flutuação em modelos com transferência de calor conjugada:

Heat_Transfer_Module/Power_Electronics_and_Electronics_Cooling/circuit_board_nat_3D

Acoplamento Multifísico Heat and Moisture Transport

Um novo conjunto de interfaces e recursos está disponível para modelagem de transporte acoplado de calor e umidade em materiais de construção, levando em consideração o armazenamento de calor e umidade, efeitos do calor latente e transporte convectivo e líquido da umidade. O acoplamento multifísico de umidade e calor pode modelar diferentes fenômenos de variação de umidade em componentes de construção. Durante os meses mais quentes, esse recurso pode ser usado para modelar a secagem da umidade inicial da construção, bem como a condensação decorrente da migração da umidade do lado de fora de uma construção para o lado de dentro. Durante os meses mais frios, esse recurso pode ser usado para modelar a acumulação de umidade pela condensação intersticial decorrente da difusão.

Modelo Building Material

O modelo Building Material é o recurso de domínio padrão da interface Heat Transfer in Building Materials e pode ser adicionado a qualquer interface de transferência de calor. Esse recurso modela meios porosos contendo água e ar úmido, seguindo as equações derivadas parciais do EN 15026:2007 (Hygrothermal performance of building components and building elements - Assessment of moisture transfer by numerical simulation, CEN, 2007).

As propriedades térmicas efetivas são determinadas a partir do material seco e da quantidade de água. Além disso, um termo fonte ou sumidouro de calor é determinado a partir da transferência de umidade e do calor latente da evaporação.

Interface Moisture Transport

A interface Moisture Transport modela a transferência de umidade. O recurso de domínio padrão, Porous Medium, é responsável pelo armazenamento de umidade, pelas forças capilares de sucção e transporte convectivo de vapor. Similarmente ao recurso Building Material, ele implementa equações derivadas parciais do EN 15026.

A interface Moisture Transport também fornece recursos para definir Fonte de Umidade, Barreira Fina de Umidade, Concentração de Umidade ou Fluxo de Umidade.

Compressibilidade de Escoamento Monofásico

Um novo recurso, Weakly compressible flow, foi introduzido como uma opção intermediária entre o escoamento incompressível, onde a densidade é uma constante, e o escoamento compressível (Ma < 0.3), no qual a densidade pode mudar arbitrariamente. Quando selecionado, o recurso Weakly compressible flow assegura que a densidade seja apenas dependente da temperatura. Se as propriedades do material definem uma densidade dependente da pressão, ela será avaliada segundo a pressão de referência definida na interface.

Essa opção é particularmente útil para gases em casos onde as variações de pressão são pequenas demais para afetarem a densidade de forma significativa. Isso é comum na maioria das aplicações de resfriamento de ar em baixas velocidades. Nesses casos, remover da densidade a dependência da pressão pode melhorar significativamente o desempenho computacional.

Caminho da Biblioteca de Aplicações para os exemplos usando o recurso Single-Phase Flow Compressibility:

Heat_Transfer_Module/Applications/forced_air_cooling_with_heat_sink

Resultados de uma simulação de resfriamento de ar onde a dependência da pressão do ar foi ignorada. O gráfico mostra o campo temperatura (Câmera de Calor) e as linhas de fluxo do escoamento de fluidos (Aurora Boreal de Júpiter), onde a espessura dos cursos é proporcional à magnitude da velocidade.

Condição Sector Symmetry para Radiação de Superfície-Superfície

Uma maneira de reduzir custos computacionais é usar planos ou setores de simetria para reduzir a geometria. As condições de contorno de simetria são aplicáveis em simulações de EDPs em geral. No entanto, a radiação o caso de radiação superfície-superfície requer a avaliação de fatores de forma que, por sua vez, exigem a reconstrução da geometria completa durante a avaliação.

Para contornar esse necessidade, uma nova opção chamada Sectors of symmetry agora está disponível para modelos 2D e 3D no recurso Symmetry for Surface-to-Surface Radiation. Esse recurso suporta um número arbitrário de setores e oferece uma opção para definir um plano de reflexão em cada setor. Com essa opção, você pode melhorar a eficiência computacional ao computar e armazenar fatores de forma para apenas um setor da uma geometria com simetria. Além disso, o número de graus de liberdade, para as demais variáveis do modelo na simulação, cai proporcionalmente.

Caminho da Biblioteca de Aplicações para um exemplo usando a Condição Sector Symmetry para Radiação Superfície-Superfície:

Heat_Transfer_Module/ Applications/inline_induction_heater

O Acoplamento Multifísico *Nonisothermal Flow * Agora é Compatível com Materiais com Mudança de Fase

Uma maneira clássica de modelar o movimento da fase líquida durante uma mudança de fase é solucionar a equação de escoamento do fluido para todo domínio do material em mudança de fase e então atribuir propriedades específicas ao material na fase sólida. Isso garante que a parte sólida do material permaneça imóvel ou tenha um movimento rígido. Na parte fluida, as propriedades do fluido verdadeiras são definidas e o escoamento do fluido pode ser computado. Na versão 5.2a do COMSOL Multiphysics®, você pode usar o acoplamento multifísico Non-Isothermal Flow para acoplar a transferência de calor em um material com mudança de fase a um escoamento de fluidos.

Caminho da Biblioteca de Aplicações para um exemplo usando a interface multifísica Non-Isothermal Flow juntamente com o sub-nó Phase Change Material:

Heat_Transfer_Module/Thermal_Processing/continuous_casting

O Recurso de Opacidade Foi Repensado

O sub-recurso Opaque usado em radiação superfície-superfície foi substituído pelo novo recurso Opacity e está disponível nos principais recursos de domínio, incluindo o recurso Fluid (antigamente chamado de Heat Transfer in Fluids), Phase Change Material (antigamente chamado de Heat Transfer with Phase Change), Building Material e Isothermal Domain. A opacidade é definida selecionando Transparent ou Opaque na janela Settings.

Transferência de Calor em Estruturas Finas

Estruturas finas introduzem altas taxas de proporção na geometria, que podem ser responsáveis por malhas complicadas ou distorcidas. Nas versões anteriores do COMSOL Multiphysics®, era possível usar um modelo de casca para sólidos usando a interface Heat Transfer in Thin Shells. Na versão 5.2a do COMSOL Multiphysics®, também é possível modelar filmes finos (fluidos) e fraturas (em meios porosos).

As interfaces Heat Transfer in Thin Films e Heat Transfer in Fractures estão disponíveis no subgrupo Thin Structures na seção Heat Transfer da janela Select Physics. A interface Heat Transfer in Thin Films implementa transferência de calor em equações de fluidos. A velocidade do fluido no filme pode ser inserida manualmente ou pode ser obtida a partir de uma interface Thin-Film Flow, Shell. A interface Heat Transfer in Fractures implementa transferência de calor em equações de meios porosos. A velocidade do fluido na fratura pode ser definida pelo usuário ou computada a partir de uma interface Fracture Flow.

Formulação Geral para Filmes Finos

Uma nova opção, o modelo General thin film, está disponível no recurso Thin Film e fornece uma discretização do campo temperatura através da espessura do filme. Essa nova opção define uma dimensão extra para considerar mudanças de temperatura através da espessura do filme. Você pode usar o recurso Thin Film em qualquer interface de transferência de calor, incluindo as interfaces Thin Structures. Essa formulação é útil para aplicações como modelagem de mancais ou, mais genericamente, quando é necessária uma representação precisa do perfil de temperatura em um filme, especialmente na presença de uma grande fonte de calor ou diferença de temperaturas através do filme.

Sub-recurso Pressure Work Disponível para Transferência de Calor em Meios Porosos

A temperatura da parte fluida em um meio poroso pode ser influenciada pelo trabalho feito pelas mudanças na pressão. Para refletir isso nos modelos, o recurso Pressure Work foi atualizado para suportar meios porosos, além de escoamento livre, e está disponível como um sub-recurso do nó Porous Medium.

Adicionado Suporte a Temperaturas dos Lados de Estruturas Finas

Dependendo da aproximação usada no recurso Thin Structure, a temperatura nas laterais de uma estrutura fina pode ser uniforme (a aproximação Thermally Thin) ou variar de acordo com a espessura (aproximação Thermally Thick ou General). Na versão 5.2a do COMSOL Multiphysics®, as interfaces Thin Structure foram atualizadas para que os recursos Surface-to-Surface Radiation — Diffuse Surface, Diffuse Mirror ou Prescribed Radiosity — usem a temperatura da superfície da estrutura fina na lateral, onde a radiação é emitida. A temperatura da superfície é, por exemplo, usada para definir a potência emissiva da superfície, que é avaliada com base na lei de Planck.

Banco de Dados de Materiais Bioheat

O banco de dados de materiais 8Bioheat* foi atualizado para incluir os seguintes materiais:

  • Fígado (suíno)
  • Pulmão
  • Miocárdio (humano)
  • Miocárdio (suíno)
  • Cortex renal
  • Medula renal
  • Baço

Para quase todos esses materiais, as propriedades dependente da temperatura são fornecidas por meio de expressões lineares ou polinômios. Para os demais, são fornecidos valores constantes. As propriedades para materiais de Próstata também foram atualizados.

Novo aplicativo: Inline Induction Heater

Aços inoxidáveis ferríticos se tornaram cada vez mais populares na indústria alimentícia devido ao seu preço relativamente baixo e estável, bem como à ausência de níquel em seus componentes. Sua resistência à corrosão pode ser aprimorada com a adição de cromo ou molibdênio, e suas propriedades magnéticas oferecem novas técnicas para processamento de alimentos.

O novo aplicativo Inline Induction Heater calcula a eficiência de um aparato de indução magnética para aquecer alimentos líquidos que fluem em um conjunto de tubulações de aço inoxidável ferrítico. Uma bobina circular eletromagnética reveste um conjunto de tubulações nas quais alimentos líquidos fluem e são aquecidos. Um campo magnético, resultante da corrente que passa pela bobina, gera correntes parasitas, que são responsáveis pelo aquecimento indutivo. Finalmente, o calor é transferido para o fluido, essencialmente por condução.

Com esse aplicativo, é possível investigar diversos conjuntos de configurações de tubulações alterando seu número, comprimento, espessura e material. Também é possível ajustar a bobina configurando o número de voltas, o raio dos filamentos, a densidade da corrente ou frequência de excitação. Para otimizar o projeto, o aplicativo gera relatórios com a temperatura máxima do fluido, a temperatura mínima na saída, a elevação média da temperatura na saída e a eficiência térmica do aquecedor.

Caminho da Biblioteca de Aplicações:

Heat_Transfer_Module/Applications/inline_induction_heater

Modelo Tutorial Atualizado: Evaporation in Porous Media with Large Evaporation Rates

A evaporação em meios porosos é um processo importante nas indústrias de alimentos e papel, entre outras. Muitos efeitos físicos devem ser considerados: escoamento do fluido, transferência de calor e transporte de líquidos e gases participantes. Todos esses efeitos são fortemente acoplados e interfaces pré-definidas podem ser usadas para modelá-los com o Heat Transfer Module.

Este Modelo Tutorial descreve um caso arbitrário de secagem de um objeto poroso usando escoamento laminar de ar. O ar na, entrada do objeto poroso, é seco e a quantidade de umidade aumenta à medida que flui através do meio poroso. O enfoque do modelo está nas etapas adicionais exigidas para implementar um escoamento de múltiplas fases em meios porosos envolvendo evaporação de uma fase líquida para gasosa. A saturação da água no meio poroso é calculada ao longo do tempo.

Caminho da Biblioteca de Aplicações:

Heat_Transfer_Module/Phase_Change/evaporation_porous_media_large_rate