Module Heat Transfer

Analyse des effets thermiques avec un logiciel de simulation avancé

Analysez le transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement avec le module Heat Transfer, produit complémentaire de la plate-forme de simulation COMSOL Multiphysics®. Le module Heat Transfer comprend un ensemble complet de fonctionnalités permettant d'étudier les designs thermiques et les effets des charges thermiques. Vous pouvez modéliser les champs de température et les flux de chaleur dans les composants, les enceintes et les bâtiments. Pour examiner virtuellement le comportement réel d'un système ou d'un design, couplez facilement plusieurs effets physiques dans une simulation grâce aux capacités de modélisation multiphysique incluses dans le logiciel.

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Image d'un modèle d'ampoule à LED montrant l'écoulement d'air autour de l'ampoule et la température et l'écoulement d'air à l'intérieur de l'ampoule.

Modes de transfert thermique

Toutes les fonctionnalités du module Heat Transfer sont basées sur les trois modes de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement. La conduction dans les matériaux peut s'effectuer avec une conductivité thermique isotrope ou anisotrope, et elle peut être constante ou dépendante de la température. La convection, c'est à dire le mouvement des fluides, peut être convection forcée ou convection libre (naturelle). Le rayonnement thermique peut être pris en compte en utilisant le rayonnement de surface à surface ou le rayonnement dans les milieux semi-transparents.

Il existe de nombreuses variations au sein des différents modes de transfert de chaleur, et les différents modes doivent pouvoir être considérés simultanément — dans certains cas, les trois à la fois. Tout cela nécessite différentes équations qui doivent être traitées simultanément pour garantir des modèles précis. Le module Heat Transfer est développé pour traiter tout type de transfert de chaleur que vous cherchez à modéliser.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Heat Transfer

Une approche de modélisation multiphysique pour les nombreux types de sources de chaleur à simuler.

Vue détaillée montrant la distribution de température dans un assemblage de jeux de barres (busbar).

Chauffage par effet Joule

Modélisez le chauffage par effet Joule (également appelé chauffage résistif) dans les solides, les fluides, les coques minces et les coques multicouches.

Vue détaillée de la distribution de la température dans une billette d'acier lors de son passage dans trois bobines sous tension.

Chauffage par induction1

Modélisez les appareils de chauffage par induction au défilé et les procédés d'élaboration ou de traitement des métaux.

Modèle d'un guide d'ondes coudé partiellement transparent qui révèle un graphique de surface rouge-blanc-bleu représentant l'onde qui le traverse et un bloc diélectrique dont la température est représentée par un gradient de couleur rouge, jaune et blanc.

Chauffage micro-ondes2

Modélisez le chauffage par micro-ondes ou le chauffage RF dans les guides d'ondes, les tissus et autres applications biologiques.

Vue détaillée d'un demi-cylindre en verre montrant l'intensité du faisceau dans un premier quart et la distribution de température dans l'autre partie.

Chauffage laser3

Utilisez la loi de Beer–Lambert pour modéliser le chauffage et l'ablation par laser dans divers procédés de fabrication et biomédicaux.

Vue détaillée d'une pale de stator de turbine montrant la distribution de température.

Contraintes thermomécaniques4

Comprenez les effets des dilatations et des contraintes d'origine thermique pour une variété de conditions de fonctionnement.

Vue détaillée des lignes de courant électrique à travers un interrupteur à contact et de la distribution de la température associée.

Contact thermique

Incluez le coefficient de conductance thermique de contact, qui dépend de la pression de contact du modèle de mécanique des solides.

Vue détaillée d'un dispositif de refroidissement thermoélectrique montrant la distribution de température.

Effets thermoélectriques

Tenez compte des effets Peltier–Seebeck–Thomson et incluez des matériaux courants, tels que le tellurure de bismuth et le tellurure de plomb.

Vue détaillée d'un échangeur de chaleur à tubes et à ailettes montrant l'écoulement passant par le tube et la température dans les ailettes.

Coques minces

Analysez les performances thermiques lors du design de dispositifs électroniques ou de composants de systèmes de puissance.

Vue détaillée de l'écoulement et du transfert de chaleur à travers une fracture dans un doublet géothermique.

Transfert de chaleur en milieux poreux

Prenez en compte la conduction et la convection dans un milieu poreux, ainsi que de la dispersion thermique.

Vue détaillée d'un réservoir de stockage montrant l'écoulement et le transfert de chaleur à travers le réservoir.

Non-équilibre thermique local

Simulez le transfert de chaleur dans les milieux poreux où l'on ne suppose pas un équilibre thermique local, par exemple dans le cas d'un écoulement rapide dans les pores.

Vue détaillée du bloc d'alimentation d'un ordinateur avec un ventilateur et une grille montrant la circulation d'air dans l'unité et le transfert de chaleur dans les composants.

Refroidissement électronique

Analysez les capacités de refroidissement à l'aide de simulations efficaces et précises, afin d'éviter les dysfonctionnements et les designs sous-optimaux.

A close-up view of a plate-fin heat exchanger model in the Heat Camera Light color table.

Echangeurs de chaleur

Analysez les fluides transportant de l'énergie sur de grandes distances, tandis que les solides séparent les fluides pour échanger de l'énergie sans se mélanger.

Vue détaillée d'une sonde électrique avec les lignes de courant électrique et les isosurfaces de température du tissu environnant.

Technologie médicale et chauffage biologique

Utilisez l'équation biothermique pour analyser les procédés des applications médicales : ablation de tumeurs, sondes cutanées et nécrose de tissus.

Vue détaillée d'un verre d'eau chaude montrant la température dans le verre et les lignes de courant de l'écoulement passant autour du récipient.

Refroidissement par évaporation

Modélisez le transport de la chaleur et de l'humidité dans l'air pour déterminer la pression de saturation, tenir compte de l'évaporation et éviter la condensation.

Un modèle montrant la distribution de température dans une partie de la structure d'un bâtiment en utilisant la palette de couleurs caméra thermique, ainsi que le flux de chaleur représenté par des flèches.

Gestion thermique des bâtiments

Analysez la performance thermique des menuiseries en bois, des cadres de fenêtres, des matériaux de construction poreux et d'autres structures de bâtiments.

Une vue détaillée de deux cylindres est présentée pour illustrer le procédé de lyophilisation : les deux phases dans un cylindre et le transfert de chaleur dans l'autre.

Lyophilisation

Calculez les bilans couplés de chaleur et de masse pour simuler une interface fluide–solide évoluant à travers un milieu poreux.

A close-up view of a satellite on an Earth model.

Spacecraft Thermal Analysis

Compute the spacecraft temperature from the direct solar radiation, albedo, and planet infrared flux as well as the radiative heat transfer between various spacecraft parts.

  1. Nécessite le module AC/DC
  2. Nécessite le module RF
  3. Nécessite le module Wave Optics
  4. Nécessite le module Structural Mechanics or MEMS Module

Caractéristiques et fonctionnalités du module Heat Transfer

Le module Heat Transfer offre des fonctionnalités spécialisées pour la modélisation des effets de transfert de chaleur et fonctionne en intégration transparente dans la plateforme COMSOL Multiphysics® pour une méthodologie de travail cohérente pour la mise au point de modèles.

La fenêtre de réglages du couplage multiphysique Ecoulement non isotherme et les résultats de la simulation d'un modèle de dissipateur thermique.

Conjugate Heat Transfer and Nonisothermal Flow

Le module Heat Transfer contient des fonctionnalités permettant de modéliser le transfert de chaleur conjugué et les effets des écoulements non isothermes. Les deux types d'écoulements, laminaires et turbulents, sont modélisés avec prise en compte de la convection naturelle ou forcée. Pour tenir compte de la convection naturelle, il suffit de cocher la case Gravité. Le travail de pression et la dissipation visqueuse peuvent également être activés lorsqu'ils influencent la distribution de température.

La turbulence peut être modélisée à l'aide des modèles Navier–Stokes à moyenne de Reynolds (RANS), comme les modèles de turbulence k-ε, k-ε à bas Reynolds, yPlus algébrique ou LVEL. Les modèles de turbulence réalisables k-ε, k-ω, shear stress transport (SST), v2-f, et Spalart–Allmaras sont disponibles lorsqu'ils sont combinés avec le Module CFD. La transition de température à l'interface fluide–solide est automatiquement calculée en utilisant la continuité, les lois de paroi ou par traitement automatique des parois, selon le modèle d'écoulement choisi.

Les réglages de l'Interface Changement de phase et la fenêtre graphique montrant l'utilisation de cette interface de changement de phase.

Changement de phase

Pour simuler les phénomènes de changement de phase dans les analyses de transfert de chaleur, le module Heat Transfer propose deux méthodes. La caractéristique Matériau à changement de phase met en œuvre la formulation en capacité thermique apparente et tient compte de l'enthalpie du changement de phase et des modifications des propriétés matériau. Cette méthode offre la possibilité de modéliser les changements de volume et/ou de topologie.

Par ailleurs, la caractéristique Interface de changement de phase modélise le changement de phase en suivant la condition d'équilibre énergétique de Stefan pour calculer la vitesse de l'interface entre deux phases qui peuvent avoir des densités différentes. Combinée à la géométrie déformée, cette approche est très efficace et performante lorsqu'il n'y a pas de changement de topologie.

L'interface multiphysique Expansion thermique multicouche et les résultats de température et de déformation dans la fenêtre graphique.

Couches minces et coques

Pour le transfert de chaleur dans les couches minces, le module Heat Transfer fournit des modèles pour des couches individuelles ainsi qu'une technologie de matériaux multicouches, pour étudier le transfert de chaleur dans des couches géométriquement beaucoup plus fines que le reste d'un modèle. Cette fonctionnalité est disponible pour les couches minces, les coques, les films minces et les fractures.

Pour les couches individuelles, le modèle de couche thermiquement mince est utilisé pour les matériaux hautement conducteurs avec un transfert de chaleur tangentiel à la couche et une différence de température négligeable de chaque côté de la couche. À l'inverse, le modèle de couche thermiquement épaisse peut représenter des matériaux peu conducteurs qui agissent comme une résistance thermique dans la direction perpendiculaire à la coque ; ce modèle calcule la différence de température entre les deux côtés de la couche. Enfin, le modèle général fournit un modèle très précis et universel, car il intègre les équations thermiques complètes dans l'épaisseur de la couche mince.

La technologie utilisée pour les matériaux multicouches comprend des outils de prétraitement pour la définition détaillée des différents matériaux, le chargement et l'enregistrement de configurations de structures multicouches à partir ou vers un fichier, ainsi que des fonctions de prévisualisation des couches. Vous pouvez visualiser les résultats dans des structures fines et stratifiées comme si elles avaient été modélisées à l'origine comme des solides en 3D. La fonctionnalité des matériaux multicouches est incluse dans le module AC/DC et le module Structural Mechanics, ce qui permet d'inclure des couplages multiphysiques tels que le chauffage électromagnétique ou l'expansion thermique dans des matériaux multicouches.

Le Constructeur de Modèles montrant l'interface Système thermique réduit ainsi que la fonctionnalité Connecteur de système réduit mis en évidence, avec le graphique de comparaison des résultats.

Systèmes thermiques réduits

Des caractéristiques sont disponibles pour calculer le taux de transfert de chaleur et les distributions de température dans un réseau thermique. L'interface Système thermique réduit prend en charge les caractéristiques localisées telles que les résistances thermiques, le taux de chaleur et les masses thermiques. Le logiciel résout une équation de conservation de l'énergie en utilisant les températures et les taux de chaleur comme variables dépendantes.

L'interface Rayonnement de surface à surface dans le Constructeur de Modèles et la fenêtre graphique montrant les résultats de la simulation : radiosité de surface d'un parasol et de refroidisseurs au soleil.

Rayonnement de surface à surface

Le module Heat Transfer utilise la méthode de radiosité pour modéliser le rayonnement de surface à surface sur des surfaces diffuses, des surfaces mixtes diffuses-spéculaires et des couches semi-transparentes. Ces éléments sont disponibles en géométries 2D et 3D, et en géométries axisymétriques 2D lors de la modélisation de surfaces diffuses. Les propriétés de la surface et de l'ambiance peuvent dépendre de la température, de la longueur d'onde du rayonnement, de l'angle d'incidence ou de toute autre quantité définie dans le modèle. Les propriétés de transparence peuvent également être définies par bande spectrale (et un nombre arbitraire de bandes spectrales est pris en charge).

Des paramètres prédéfinis sont disponibles pour le rayonnement solaire et ambiant, où l'absorptivité de la surface pour les courtes longueurs d'onde (la bande spectrale solaire) peut différer de l'émissivité de la surface pour les plus grandes longueurs d'onde (la bande spectrale ambiante). En outre, la direction du rayonnement solaire peut être définie à partir de la position géographique et de l'heure.

Les facteurs de vue sont calculés à l'aide de la méthode hémicube, de lancers de rayons ou de la méthode de l'aire d'intégration directe. Pour des simulations efficaces en ressources de calcul, il est possible de définir des plans ou des secteurs de symétrie. Lorsqu'elle est combinée avec un référentiel mobile, l'interface de rayonnement surface-surface met automatiquement à jour les facteurs de vue au fur et à mesure que la configuration géométrique se déforme.

Les réglages de l'interface Rayonnement en milieu participatif et la fenêtre graphique montrant le rayonnement incident dans une plaque de verre.

Rayonnement en milieux semi-transparents

Avec le module Heat Transfer, vous disposez des outils nécessaires pour simuler de nombreux types de rayonnement dans des milieux semi-transparents : milieux participatifs, milieux absorbants et diffusants, et faisceaux dans des milieux absorbants.

Pour le rayonnement dans les milieux participatifs, utilisez l'approximation de Rosseland, l'approximation P1 ou la méthode des ordonnées discrètes (DOM). Pour le rayonnement dans les milieux absorbants et diffusants, utilisez l'approximation P1 et la méthode DOM pour, par exemple, modéliser la diffusion de la lumière dans un milieu non émetteur. Enfin, vous pouvez modéliser un faisceau radiatif dans un milieu absorbant en utilisant la loi de Beer-Lambert, et coupler ses effets avec d'autres formes de transfert de chaleur.

Les trois couplages multiphysiques de transport d'humidité et les résultats du refroidissement par évaporation d'un verre d'eau montrant la concentration de vapeur.

Transport d'humidité

Le transport de chaleur et d'humidité nécessite des capacités multiphysiques étendues pour coupler la thermique avec les écoulements humides, le transport d'humidité dans les matériaux de construction, l'air humide et les milieux poreux hygroscopiques. Pour étudier ces effets, le module Heat Transfer comprend des paramètres pour modéliser le transport d'humidité dans l'air et les milieux poreux humides couplés aux écoulements non isothermes. Il existe des outils pour analyser la condensation et l'évaporation de l'eau sur les surfaces, ainsi que des fonctionnalités supplémentaires pour analyser le stockage de la chaleur et de l'humidité, les effets de la chaleur latente, ainsi que la diffusion et le transport d'humidité.

A close-up view of the Planet Properties settings and a satellite model in the Graphics window.

Orbital Thermal Loads

For radiative loads and temperature on a spacecraft, the Orbital Thermal Loads interface provides ready-made features for modeling the radiation from the Sun and Earth for satellites orbiting around Earth. This feature makes it possible to include the spacecraft radiative properties, orbit and orientation, orbital maneuvers, and planet properties. In addition, the interface computes and generates results that show direct solar radiation, albedo, and planet infrared flux as well as the radiative heat transfer between the different spacecraft parts. The interface can be combined with a heat transfer interface to account for heat conduction in a spacecraft's solid parts.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

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