Heat Transfer Module

Simulation du Transfert de Chaleur dans les Solides et les Fluides

Heat Transfer Module

Profil de température interne le long de l'un des tubes de l'échangeur de chaleur.

Création, Dissipation et Transfert de Chaleur

Avec le Heat Transfer Module, il est possible d'étudier les effets du chauffage et du refroidissement dans les dispositifs, les composants ou les procédés. Ce module dispose de tous les outils nécessaires pour simuler les différents modes de transfert de chaleur (conductivité, convection et rayonnement), en couplage ou non avec d'autres physiques aussi variées que la mécanique des structures, la dynamique des fluides, l'électromagnétisme et les réactions chimiques. Le Heat Transfer Module constitue une plateforme de simulation adaptée à toutes les secteurs industriels et à leurs applications, dans lesquelles création, dissipation ou transfert de chaleur sont au cœur du processus étudié ou y tiennent une grande part.

Matériaux et Données Thermodynamiques

Le Heat Transfer Module est doté d'une base de données matériaux qui répertorie les propriétés utiles (conductivité thermique, capacités thermiques et densités) des fluides et des gaz les plus courants, en particulier les données thermodynamiques indispensables à une analyse précise. Ces propriétés sont également disponibles dans le Material Library Module, qui répertorie les données de plus de 2.500 matériaux solides, dont les propriétés dépendent souvent de la température (module de Young ou conductivité électrique notamment). Le Heat Transfer Module autorise également l'import de données thermodynamiques et physiques, depuis Excel® et MATLAB®, et la connexion aux bases de données externes en thermodynamique à travers l'interface standard CAPE-OPEN.

Images Supplémentaires

  • Transfert de Chaleur Conjugué : un flux d'air est simulé dans l'enceinte de l'unité d'alimentation d'un ordinateur, alimenté par un ventilateur et une grille perforée, et ce afin de limiter l'échauffement interne. Transfert de Chaleur Conjugué : un flux d'air est simulé dans l'enceinte de l'unité d'alimentation d'un ordinateur, alimenté par un ventilateur et une grille perforée, et ce afin de limiter l'échauffement interne.
  • Contact Thermique : Le courant électrique provoque l'échauffement d'un connecteur en contact. On appelle ce phénomène l'effet Joule. Les résistances thermiques et électriques aux points de contact sont couplées avec la pression de contact mécanique. Contact Thermique : Le courant électrique provoque l'échauffement d'un connecteur en contact. On appelle ce phénomène l'effet Joule. Les résistances thermiques et électriques aux points de contact sont couplées avec la pression de contact mécanique.
  • Chauffage par Induction : le chauffage par induction est utilisé afin de générer de très fortes températures dans un four à paroi chaude pour la fabrication de semi-conducteurs. Les facteurs suivants sont pris en compte : rayonnement de surface à surface entre le wafer et les parois du four, conduction et convection. Chauffage par Induction : le chauffage par induction est utilisé afin de générer de très fortes températures dans un four à paroi chaude pour la fabrication de semi-conducteurs. Les facteurs suivants sont pris en compte : rayonnement de surface à surface entre le wafer et les parois du four, conduction et convection.
  • Rayonnement : la convection naturelle dans le gaz argon est provoquée par les variations de densité induites par les différences de température. Ces différences sont imputables au couplage thermique entre le rayonnement et le transfert de chaleur par conduction et convection. Rayonnement : la convection naturelle dans le gaz argon est provoquée par les variations de densité induites par les différences de température. Ces différences sont imputables au couplage thermique entre le rayonnement et le transfert de chaleur par conduction et convection.
  • Changement de Phase : Une barre de glace est congelée de façon permanente à une extrémité et maintenu à la température de 80 °C à l'autre. Le profil de température sur une période de temps représenté par le graphique prend en compte la chaleur latente ainsi que la différence entre les propriétés solides et les propriétés de matériau (conductivité et capacité thermique, par exemple). Changement de Phase : Une barre de glace est congelée de façon permanente à une extrémité et maintenu à la température de 80 °C à l'autre. Le profil de température sur une période de temps représenté par le graphique prend en compte la chaleur latente ainsi que la différence entre les propriétés solides et les propriétés de matériau (conductivité et capacité thermique, par exemple).
  • Couches Minces : simulation d'un circuit de chauffage, avec effet Joule induit par l'application d'un courant continu, transfert de chaleur et analyse mécanique structurelle de la couche mince résistive sur une plaque en verre plein. Couches Minces : simulation d'un circuit de chauffage, avec effet Joule induit par l'application d'un courant continu, transfert de chaleur et analyse mécanique structurelle de la couche mince résistive sur une plaque en verre plein.

Une Méthode de Travail Unique

Le Heat Transfer Module est unique dans le monde de la modélisation dans la mesure où il est entièrement dédié à la simulation des effets thermiques dans les procédés de fabrication et la conception des produits. COMSOL a choisi une approche unique pour la création des modèles et l'utilisation des simulations appliquées au transfert de chaleur et à tous les autres phénomènes physiques à l'œuvre dans vos applications. Vous disposez ainsi d'un outil standard d'échange avec les ingénieurs et services techniques qui étudient d'autres phénomènes. Quelles que soit les physiques que vous ou vos collègues avez choisi de prendre en compte dans une application spécifique, vous bénéficiez d'une même méthode de travail, selon les étapes suivantes :

  • Importer ou dessiner la géométrie de l'appareil ou du système
  • Sélectionner les données ou les fonctions matériaux à partir des mêmes fichiers, pour des propriétés constantes ou fonction de la température
  • Choisir la description la plus adaptée au transfert de chaleur du système, dans une plage d'interfaces spécialisées qui peuvent ou non dépendre des autres physiques couplées au système
  • Inclure les autres effets physiques couplés aux effets du transfert de chaleur
  • Définir les conditions et contraintes applicables aux frontières du système
  • Mailler le système, puis utiliser les mêmes maillages ou des maillages dérivés pour différentes simulations
  • Exécuter le processus de résolution, en utilisant le solveur et les paramètres adaptés à l'analyse en cours
  • Traiter et visualiser les résultats, et les inclure dans les mêmes graphiques et figures même s'ils proviennent de simulations différentes

Plateforme Unique de Simulation des Effets Thermiques pour les Procédés de Fabrication et la Conception des Produits

Avec COMSOL Multiphysics et ses nombreux modules complémentaires, COMSOL met à votre disposition un outil unique pour développer dans les moindres détails vos procédés et conceptions, quels que soient les phénomènes physiques étudiés. Par exemple, vous pouvez commencer par l'effet Joule pour les composants du système, puis passer à leur refroidissement par circulation d'air dans le système et finir par les contraintes thermiques induites. Vous pouvez également choisir de simuler tous ces effets en même temps.

Le transfert de chaleur est un effet physique important qui est normalement associé à d'autres effets physiques. Les champs de température provoquent des contraintes thermiques, tandis que les champs électromagnétiques créent un chauffage résistif, RF, par induction et par micro-ondes. L'écoulement de fluide sur les différents composants et pièces est nécessaire pour assurer leur refroidissement, tandis que les variations de température influent largement sur les propriétés matériau et leur comportement physique dans le cas d'un traitement thermique, comme le moulage ou le soudage. Le Heat Transfer Module introduit des interfaces spécialisées qui facilitent la simulation du transfert de chaleur couplé à d'autres phénomènes et peuvent être intégrées dans les autres modules de la suite de produits COMSOL®.

Les Mécanismes du Transfert de Chaleur

Le point fort du Heat Transfer Module réside dans sa capacité à effectuer des calculs relatifs à la conservation de la chaleur ou aux bilans thermiques, dans lesquels divers phénomènes sont à l'œuvre (pertes mécaniques, chaleurs latentes, effet Joule ou chaleur réactive). Le Heat Transfer Module introduit des interfaces prêtes à l'emploi, ou interfaces physiques, configurées pour la définition des paramètres des modèles via l'interface graphique et qui utilisent ces paramètres pour exprimer les bilans en énergie. Comme dans toutes les interfaces physiques de la suite de produits COMSOL, il est possible de manipuler les équations sous-jacentes afin de bénéficier de la flexibilité nécessaire pour modifier les mécanismes de transport de la chaleur, définir les sources de chaleur spécifiques ou les coupler à d'autres domaines physiques.

Conduction

Le Heat Transfer Module permet de simuler le transfert de chaleur par conduction dans les solides et les fluides (ou une combinaison des deux), et de préciser la conductivité thermique et ses dépendances éventuelles, par exemple avec la température. Utilisé conjointement avec la définition des propriétés des matériaux anisotropes, le calcul automatique des coordonnées curvilinéaires sur des géométries arbitraires génère une représentation de haute fidélité des effets thermiques dans les structures anisotropes (comme les matériaux composites).

Rayonnement

Le Heat Transfer Module propose différents schémas numériques pour la simulation du rayonnement thermique, avec des solveurs spécialisés qui permettent de modéliser ce mode de transfert de chaleur et de le coupler aux autres modes de transfert de chaleur par convection et conduction. Le Heat Transfer Module fournit les outils qui permettent de simuler le rayonnement de surface à ambiant, de l'ambiant à surface et de surface à surface en milieu transparent, opaque et participatif.

Le module simule le rayonnement de surface à surface par la méthode de radiosité, en prenant en compte les propriétés de surface liées à la longueur d'onde pour permettre d'étudier jusqu'à cinq bandes spectrales dans le même modèle. Cette méthode permet de simuler le rayonnement solaire, dans lequel l'absorptivité de surface pour les courtes longueurs d'onde (bande spectrale solaire) peut être différente de l'émissivité de surface pour les longueurs d'onde plus longues (bande spectrale ambiante). De plus, il est possible de définir les propriétés de transparence pour chaque bande spectrale. Le Heat Transfer Module permet également de simuler le transfert de chaleur par rayonnement en milieu participatif, en tenant compte de l'absorption, de l'émission et de la diffusion du rayonnement thermique dans ce milieu spécifique.

Convection

Au travers du travail de la pression et des effets visqueux, la présence de fluides dans vos systèmes implique invariablement de la convection dans vos applications liées au transfert de chaleur et des contributions supplémentaires en énergie. Le Heat Transfer Module simule ces processus en tenant compte de la convection forcée, libre ou naturelle. Il offre pour le transfert de chaleur conjuguée une interface spécialisée qui permet de modéliser les matériaux solides et fluides dans une même interface. Pour tenir compte de l'écoulement des fluides, le Heat Transfer Module introduit des interfaces physiques dans lesquelles il est possible de simuler l'écoulement laminaire et turbulent à partir des modèles de turbulence k-ε à haut Reynolds et à bas Reynolds. Quel que soit le type de l'écoulement, il suffit de présupposer un écoulement non-isotherme pour respecter les effets de poussée induits par les différences de température. En intégrant les modèles de transfert de chaleur au CFD Module, il devient possible de réaliser des simulations plus poussées pour l'écoulement des fluides, telles que des modèles de turbulence différents, des écoulement en milieu poreux et des écoulements diphasique.

De plus, le Heat Transfer Module offre des fonctionnalités qui permettent de simplifier la modélisation de la convection, lorsque la simulation complète de la dynamique des fluides ne permet pas d'accroître la précision ou limite les calculs. Accessibles dans une bibliothèque intégrée, les coefficients de transfert de chaleur permettent de simuler le transfert de chaleur par convection forcée ou naturelle entre l'environnement de vos systèmes et les frontières de ceux-ci. Le module inclut également les expressions pour différents types de configurations géométriques (cheminées ou plaques verticales, inclinées ou horizontales) et différents fluides externes (air, eau et huile).

Transfert de Chaleur en Milieu Poreux

Le transfert de chaleur est bien connu pour les écoulements de fluides en régime laminaire et turbulent en milieu libre, et plus difficile à mettre en œuvre dans les milieux poreux. Malgré tout, le Heat Transfer Module propose des interfaces spécialisées pour la simulation du transfert de chaleur en milieu poreux, par conduction et par convection, pour les phases solide (matrice poreuse) et fluide (pores). Il est possible de choisir entre différents modèles de milieu poreux homogène pour définir les propriétés effectives de transfert de chaleur, automatiquement calculées à partir des propriétés respectives des matériaux solides et fluides. Le module propose également une fonctionnalité prédéfinie pour la dispersion de la chaleur en milieu poreux, induite par le chemin tortueux que les fluides doivent suivre dans les pores.

Transfert de Chaleur en Milieu Biologique

Le Heat Transfer Module propose une interface spécialisée dans le domaine biologique. Cette interface est l'outil idéal pour simuler les effets thermiques dans les tissus humains et dans les autres systèmes biologiques, pour tous les modes de chauffage (résistif, par micro-ondes, réaction chimique ou rayonnement). Comme toujours dans l'environnement COMSOL, les changements de température affectent les propriétés matériau des autres physiques, telles que les propriétés électriques pour une simulation multiphysique fortement couplée. Le chauffage dans des tissus biologiques peut être associé à différents phénomènes de changement de phase, comme la nécrose des tissus.

Changement de Phase

Le changement de phase est un phénomène discontinu dans l'analyse du transfert de chaleur. Il peut entraîner des transformations difficilement prévisibles dans les interfaces transitoires entre les phases, ou des changements soudains des propriétés de matériaux (conductivité, capacité de chaleur ou comportement de flux, notamment) dont les ordres de grandeur peuvent varier en fonction des phases solides, liquides et gazeuses du matériau. Le changement de phase implique également des chaleurs latentes (paramètres dominant dans la plupart des bilans thermiques). A travers différentes fonctionnalités et interfaces, COMSOL Multiphysics et le Heat Transfer Module peuvent représenter ces modifications et simuler les changements de volume à l'aide de maillages mobiles. Il est également possible de définir automatiquement les propriétés thermodynamiques pour prendre en compte les changements soudains des propriétés du matériau et malgré tout garantir la continuité par le contrôle de l'intervalle entre les changements de phase.

Résistance Thermique de Contact

Lorsque deux objets solides sont en contact, la résistance au transfert de chaleur dépend souvent de leur adhésion et de la rugosité de leur surface respective. La rugosité crée de petits espaces entre les surfaces, ce qui a pour effet de limiter le transfert de chaleur; tandis que deux surfaces pressées l'une contre l'autre ont un écartement réduit. Les interfaces proposées par le Heat Transfer Module permettent de simuler les modèles dans lesquels le coefficient de conductance thermique des contacts est fonction de la contrainte appliquée et de la conductivité spécifiques au niveau du contact, en prenant en compte la contribution du rayonnement de surface à surface entre les surfaces séparées par de petits espaces. L'intégration des modèles de transfert de chaleur dans le Structural Mechanics Module offre un couplage direct entre les aspects thermiques et mécaniques du contact (dilatation thermique notamment).

Couches Minces et Coques

Les appareils ou les procédés font souvent appel à des matériaux ou des domaines dont la géométrie est nettement plus petite que le reste de votre système ; par exemple, les couches minces de cuivre sur les cartes de circuits imprimés, la paroi d'un récipient sous pression ou les couches minces isolantes. Les outils de modélisation spécialisés du Heat Transfer Module permettent de simuler ces caractéristiques et de préserver les ressources de calcul. Des coques hautement conductrices sont utilisées lorsque le gradient de transfert de chaleur est élevé dans la direction tangentielle d'une couche ou d'une coque, mais pas dans son épaisseur (il n'est donc pas nécessaire d'effectuer le maillage sur l'épaisseur de cette couche ou de cette coque). Les résultats obtenus à partir de leurs résolutions sont couplés aux grandeurs 3D avec lesquelles la couche ou la coque est en contact. Il peut s'agir d'une paroi mince entre deux domaines plus grands, un domaine et son environnement ou une couche intégrée dans la surface d'un autre solide. De même, les interfaces physiques pour les couches minces résistives facilitent la représentation des matériaux faiblement conducteurs de la chaleur.

Le Noeud Multiphysique Effet Thermoélectrique

Les matériaux qui présentent un effet thermoélectrique convertissent une différence de température en différence de potentiel électrique, puisque le flux de chaleur implique des porteurs de charge. Inversement, appliquer une différence de potentiel à ces matériaux entraine un gradient de température au travers du matériau. Des dispositifs exploitant ces matériaux thermoélectriques sont couramment utilisés en refroidissement de l'électronique ou pour des réfrigérateurs portables. Une des applications les plus prometteuses sont les dispositifs à récupération d'énergie.

L'interface multiphysique Thermoelectric Effect est une combinaison des interfaces Electric Currents et Heat Transfer pour les matériaux solides. Vous avez ainsi accès à toutes les options du Heat Transfer Module, notamment des conditions limites avancées et du transfert par rayonnement. Comme toute interface physique, l'interface Thermoelectric Effect peut être couplée à n'importe quelle autre interface physique, par exemple l'interface Solid Mechanics. Les propriétés matériaux de deux matériaux thermoélectriques courants sont disponibles: Bismuth Telluride et Lead Telluride, et il vous est possible de définir aisément vos propres matériaux tehrmoélectriques.

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