Nouveautés du module Heat Transfer

Pour les utilisateurs du module Heat Transfer, la version 6.0 de COMSOL Multiphysics® apporte des performances de calcul améliorées et des facteurs de vue stockés pour le rayonnement de surface à surface, une nouvelle interface concernant les lits fixes pour modéliser le transfert de chaleur multi-échelle dans les lits de granulés, et plusieurs nouveaux tutoriels. Découvrez ces mises à jour ci-dessous.

Amélioration sans précédent des performances de calcul du rayonnement de surface à surface

Une nouvelle formulation de l'équation de transfert radiatif a été mise en oeuvre pour l'interface Rayonnement de surface à surface, en particulier lorsque la méthode Hemicube est utilisée. Combinée à l'amélioration de la configuration des solveurs, cette nouvelle formulation permet de diviser par 10 les besoins en temps CPU et en mémoire pour ces calculs. Ces améliorations des performances ne s'accompagnent d'aucune pénalité en précision par rapport aux versions précédentes. En outre, la réduction des ressources mémoire permet d'analyser des structures beaucoup plus grandes. Ceci est particulièrement important pour les situations présentant de grandes différences de température, une émissivité de surface élevée, ou des transferts de chaleur par conduction et convection faibles.

Cette nouveauté est illustrée dans le nouveau tutoriel Transfert de chaleur dans une pièce avec un poêle et dans les modèles existants suivants:

Un modèle de dissipateur thermique avec un réseau de puces montrant la radiosité dans la palette de couleurs Caméra thermique. Radiosité sur les dissipateurs thermiques lors du refroidissement d'un réseau de puces par un écoulement turbulent. Les puces sont représentées dans différents états, expliquant la différence de puissance dissipée, de température et de radiosité.

Stockage des facteurs de vue sur disque pour le Rayonnement de surface à surface

L'interface Rayonnement de surface à surface inclut désormais une nouvelle option Stocker les facteurs de vue sur disque. Lorsque cette option est activée, les facteurs de vue sont stockés dans le modèle après avoir été calculés une fois. Ils n'ont donc pas besoin d'être recalculés, à condition que le maillage soit inchangé et que les changements dans la configuration du rayonnement soient inférieurs au seuil défini par l'utilisateur. Cela permet d'économiser un temps de calcul considérable pour les cas où le calcul du facteur de vue est exigeant en ressources calcul, typiquement avec des surfaces spéculaires ou semi-transparentes, ou des domaines comprenant des parois métalliques polies et texturées.

Un modèle de salon avec un poêle montrant le flux de chaleur radiatif dans la palette de couleurs Caméra thermique. Flux de chaleur rayonné par les surfaces dans une pièce chauffée par un poêle.


Vous retrouvez cette nouvelle fonctionnalité dans le modèle Transfert de chaleur dans une pièce avec un poêle ainsi que dans les modèles suivants déjà existants:

Améliorations pour le Rayonnement de surface à surface

En plus des améliorations en ressources calcul et de la possibilité de stocker les facteurs de vue sur le disque comme décrit ci-dessus, la version 6.0 de COMSOL Multiphysics® introduit des simplifications dans l'interface utilisateur. Cela inclut le contrôle de la mise à jour du facteur de vue lorsqu'il est utilisé avec un maillage mobile, la définition de propriétés différentes sur les deux côtés d'une coque, et l'édition de l'unité des extrémités de la bande spectrale. La fonction Radiosité imposée prend en charge la Dépendance directionnelle lorsque la Méthode de rayonnement de surface à surface est définie sur Lancer de rayons.

Une amélioration importante est que la radiosité est maintenant supposée être discontinue par défaut sur les bords. Ceci est motivé physiquement et peut être illustré lorsque seulement une des deux faces connectées par un bord est exposée au rayonnement solaire. Cela améliore la robustesse du point de vue du calcul. Enfin, la méthode de lancer de rayons pour le calcul du facteur de vue est maintenant disponible pour les géométries 2D axisymétriques.

Cette fonctionnalité est illustrée dans le nouveau tutoriel Transfert de chaleur dans une pièce avec un poêle et dans les modèles existants suivants:

Un modèle de parasol avec deux glacières montrant la radiosité des surfaces. Radiosité des surfaces. La radiosité sur les surfaces de la glacière gauche illustre le nouveau traitement des arêtes qui permet de représenter les fortes variations dues aux différentes expositions solaires de ce modèle.

Transfert de chaleur multi-échelle dans les lits de granulés

Une nouvelle interface Transfert de chaleur en lit fixe a été ajoutée pour modéliser le transfert de chaleur dans les lits de granulés. Le lit de granulés est représenté comme un milieu poreux composé de fluide et de granulés. Les granulés sont modélisés comme des particules poreuses sphériques homogénéisées dans lesquelles la température varie radialement. La distribution de la température dans les granulés est calculée pour chaque position dans le lit fixe. Elle est couplée à la température du fluide environnant par un flux de chaleur interstitiel entre les surfaces des granulés et le fluide.

Cette nouvelle fonctionnalité est utile pour modéliser la chaleur dans les systèmes de stockage d'énergie thermique à lit fixe ou la réaction chimique dans un lit fixe lorsqu'elle est couplée avec la fonctionnalité correspondante pour le transport d'espèces chimiques. Découvrez cette nouvelle fonctionnalité dans le nouveau modèle tutoriel Système de stockage d'énergie thermique dans un lit fixe.

Un modèle de granulé unique montrant sa distribution de température intérieure dans la palette de couleurs Caméra thermique. Distribution de température à l'intérieur d'un granulé solide situé au milieu de la géométrie.
Onze granulés sur un domaine affichant la distribution de température dans la palette de couleurs Caméra thermique. Température du fluide et des granulés dans l'ensemble du domaine.

Transfert de chaleur en milieu poreux

La fonctionnalité de transfert de chaleur en milieu poreux a été remaniée pour la rendre plus conviviale. Un nouveau domaine physique Milieu poreux est désormais disponible sous la branche Transfert de chaleur et comprend les interfaces Transfert de chaleur en milieu poreux, Non-équilibre thermique local et Transfert de chaleur en lit fixe. Toutes ces interfaces ont un fonctionnement similaire, la différence étant que le nœud Milieu poreux par défaut dans toutes ces interfaces a l'une des trois options suivantes sélectionnée : Équilibre thermique local, Non-équilibre thermique local, ou Lit fixe. Cette dernière option a été décrite ci-dessus. L'interface Non-équilibre thermique local, qui a remplacé le couplage multiphysique, correspond à un modèle à deux températures: une pour la phase fluide et une pour la phase solide. Les applications typiques peuvent impliquer le chauffage ou le refroidissement rapide d'un milieu poreux en raison d'une forte convection dans la phase liquide et d'une forte conduction dans la phase solide, comme dans les mousses métalliques. Lorsque l'interface Équilibre thermique local est sélectionnée, de nouvelles options de calcul sont disponibles pour définir la conductivité thermique effective en fonction de la configuration du milieu poreux.

En outre, les variables de post-traitement ont été unifiées et sont disponibles pour les quantités homogénéisées pour les trois types de milieux poreux. Découvrez les ajouts liés aux milieux poreux dans ces modèles tutoriels existants:

Traitement amélioré des matériaux poreux

Les matériaux poreux sont désormais définis dans la table Propriétés spécifiques de la phase du noeud Matériau poreux. De plus, des sous-nœuds peuvent être ajoutés pour les caractéristiques solides et fluides où plusieurs sous-nœuds peuvent être définis pour chaque phase. Cela permet d'utiliser un seul et même matériau poreux pour l'écoulement des fluides, le transport des espèces chimiques et le transfert de chaleur sans avoir à dupliquer les propriétés et les paramètres du matériau.

Ecoulement réactif non-isotherme

Il existe désormais des couplages multiphysiques Écoulement réactif non-isotherme qui configurent automatiquement des modèles d'écoulement réactif non-isotherme. Le couplage multiphysique Ecoulement réactif inclut désormais une option pour coupler les interfaces Chimie et Transfert de chaleur. Grâce à ce couplage, les contributions croisées entre les équations de transfert de chaleur et de transport d'espèces, comme l'enthalpie du changement de phase ou le terme de diffusion enthalpique, sont incluses dans le modèle. La dépendance à la température, à la pression et à la concentration de différentes quantités et propriétés matériaux est également prise en compte automatiquement, ce qui permet d'effectuer un bilan thermique et énergétique à l'aide des variables prédéfinies correspondantes. Cette nouvelle fonctionnalité est illustrée dans le tutoriel existant Dissociation dans un réacteur tubulaire.

Un modèle de réacteur tubulaire montrant la distribution de la température dans la palette de couleurs Caméra thermique. Distribution de la température dans un réacteur tubulaire.

Vitesse aux parois pour l'évaporation et la condensation de l'humidité

Les réactions de surface, comme l'évaporation ou la condensation, entraînent un flux net de vapeur entre la surface et le domaine environnant. Ce type de réaction correspond à une vitesse effective de l'air humide à la frontière du domaine, appelée vitesse de Stefan. Lorsque de grands taux d'évaporation sont attendus, l'écoulement de Stefan doit être pris en compte car il peut être important dans le comportement global du système. Dans le couplage multiphysique Ecoulement avec humidité, une case à cocher Prendre en compte la vitesse de Stefan aux parois est désormais disponible lorsque la formulation Espèces concentrées est utilisée dans l'interface Transport d'humidité. Ceci est recommandé dans les applications d'évaporation et de condensation lorsque la température est élevée, typiquement supérieure à 50°C. Cette fonctionnalité est illustrée dans le nouveau tutoriel Simulation d'un écoulement de Stefan en surface dû à l'évaporation d'eau.

Un modèle avec des isosurfaces montrant l'humidité relative en bleu et des lignes de courant rouges montrant la vitesse. Isosurfaces d'humidité relative et lignes de courant de vitesse dues à l'écoulement de Stefan au dessus de la surface d'évaporation, lorsque la température ambiante est de 90°C.

Améliorations pour le Transport d'humidité

Les interfaces Transport d'humidité offrent désormais une fonction Condition périodique qui vous permet de réduire le domaine de simulation pour une structure périodique ou d'évaluer les propriétés effectives à partir d'une cellule représentative. De plus, la fonctionnalité Milieux poreux hygroscopiques a été mise à jour pour correspondre à l'implémentation classique des matériaux poreux. Les variables pour le bilan énergétique ont été optimisées pour une évaluation beaucoup plus rapide et de nouvelles variables sont maintenant disponibles pour vérifier le bilan massique. Les améliorations du transport d'humidité sont illustrées dans le nouveau tutoriel Séchage d'un échantillon de pomme de terre et dans les modèles existants suivants:

Un modèle d'échantillon de pomme de terre en 2D montrant l'humidité relative dans la palette de couleurs Jupiter Aurora Borealis. Humidité relative dans un échantillon de pomme de terre exposé à un écoulement d'air sec.

Condition aux limites semi-transparente pour le rayonnement dans les milieux absorbants et diffusants

La nouvelle fonctionnalité Surface semi-transparente est disponible dans l'interface Rayonnement en milieu absorbant et diffusant. Sur les frontières extérieures, vous pouvez spécifier une intensité de rayonnement externe et prendre en compte la partie de l'intensité entrante qui est transmise de manière diffuse ou spéculaire à travers la surface. Sur les frontières intérieures, les intensités de rayonnement des deux côtés de la surface sont prises en compte. Cette condition aux limites est particulièrement utile pour modéliser le rayonnement incident provenant d'un milieu transparent sur un échantillon de milieu semi-transparent, pour modéliser par exemple la caractérisation des propriétés radiatives des milieux participatifs.

Transfert de chaleur en coques multicouches avec courbure

La formulation pour décrire le transfert de chaleur dans les coques a été améliorée pour prendre en compte l'effet de la courbure de la surface sur les dimensions des couches. Dans le cas de coques multicouches fortement courbées, l'aire et le volume de la surface et de la couche intérieures, respectivement, sont très différents de ceux de la couche extérieure. Grâce à cette amélioration, l'interface Coque multicouche de la branche Mécanique des structures peut traiter avec précision les surfaces courbes d'épaisseur importante. Cette mise à jour est illustrée dans le nouveau tutoriel Barrière thermique composite avec coques et systèmes thermiques discrets et dans les modèles existants suivants:

Connecteur entre systèmes thermiques discrets et coques

Les nouvelles conditions Connecteur pour systèmes discrets et Connecteur pour systèmes discrets, interface ont été introduites pour connecter un système thermique discret à une coque par le bord de la couche ou la surface, respectivement. Dans le connecteur, il suffit de sélectionner l'une des options Terminal externe disponibles dans le menu déroulant Source, Pext pour connecter l'entité de la coque avec le Terminal externe correspondant dans l'interface Système thermique discret. Cette nouvelle fonctionnalité est illustrée dans le nouveau modèle tutoriel Couplage d'un modèle éléments finis pour le transfert de chaleur avec un système thermique discret.

Interface de changement de phase

Une nouvelle condition aux limites Interface de changement de phase, extérieur a été ajoutée pour s'appliquer aux frontières externes. Ceci est particulièrement utile lorsque l'une des phases est gazeuse et s'échappe facilement. La condition aux limites existante Interface de changement de phase ne s'applique désormais qu'aux frontières intérieures. Les conditions aux limites Interface de changement de phase et Interface de changement de phase, extérieur prennent désormais en compte la vitesse de coulée des solides pour définir la vitesse de la phase fluide à l'interface. Découvrez cette nouvelle fonctionnalité dans le nouveau modèle tutoriel Coulée continue — Méthode ALE et dans les modèles existants Lyophilisation et Front de fusion d'étain.

Un modèle de tige montrant la température et le changement de phase dans la palette de couleurs Thermal light. Température et interface de changement de phase dans une tige en cours de moulage.

Option de flux de chaleur pour la modélisation de l'ébullition nucléée

L'ébullition nucléée est un régime d'ébullition libre où le coefficient de transfert de chaleur devient très important. Elle se caractérise par une température de surface supérieure à la température de saturation du fluide, et par la génération de vapeur en un certain nombre de points privilégiés de la surface appelés sites de nucléation. L'ébullition nucléée est utilisée dans différents procédés techniques car elle permet d'obtenir des coefficients de transfert de chaleur élevés avec des gradients de température modérés. Une nouvelle option prédéfinie de Flux de chaleur d'ébullition nucléée est maintenant disponible dans le noeud Flux de chaleur. L'implémentation est basée sur les corrélations de Rohsenow et les coefficients nécessaires pour définir la corrélation sont prédéfinis pour certains types de liquides et de surfaces. Il est également possible de saisir des coefficients définis par l'utilisateur. Vous pouvez voir cette nouvelle fonctionnalité dans le nouveau modèle tutoriel Refroidissement d'une tige cylindrique de nickel par ébullition nucléée d'eau.

Améliorations pour le transfert de chaleur en structures minces

Plusieurs modifications ont été introduites pour optimiser les performances de calcul. Du point de vue de la modélisation, une nouvelle condition limite Symétrie est disponible pour les structures minces (couches minces, films et fractures) afin de réduire le coût du calcul lorsque la géométrie et les conditions de fonctionnement sont symétriques. D'un point de vue numérique, une nouvelle option Propriétés constantes de couche est disponible lorsque le Type de couche est défini sur Approximation de faible épaisseur thermique, et est active par défaut pour les structures de faible épaisseur thermique. En supposant que les propriétés du matériau sont constantes par couche, mais qu'elles changent selon les couches ou avec la température des couches, un gain de vitesse significatif est obtenu, en particulier lorsque le nombre d'éléments de maillage utilisés pour discrétiser le matériau multicouches est important. Deux nouveaux tutoriels illustrent ces nouvelles fonctionnalités, Barrière thermique composite avec coques et systèmes thermiques discrets et Module thermoélectrique réduit avec contrôle par PID ainsi que dans ces modèles existants :


Un modèle de tige montrant la distribution de la température dans la palette de couleurs Caméra thermique. Distribution de température dans un barreau pendant son refroidissement.

Effet Marangoni

L'effet Marangoni se produit lorsqu'il existe un gradient de tension superficielle à l'interface entre deux phases. Le gradient de tension superficielle peut provenir d'un gradient de concentration ou d'un gradient de température. Dans le cas de la dépendance en température, l'effet Marangoni est également appelé convection thermo-capillaire. Le couplage multiphysique Effet Marangoni a été mis à jour pour prendre en compte les effets tangentiels et normaux de la tension de surface, avec prise en compte d'un angle de contact. Enfin, la nouvelle formulation permet d'améliorer les performances de calcul. L'effet Marangoni est de première importance dans les domaines du soudage, de la croissance des cristaux et de la fusion des métaux par faisceau d'électrons ou par laser. Le tutoriel existant Effet Marangoni utilise ces nouvelles mises à jour.

Modèle de conductivité thermique pour les grandes déformations

Une nouvelle option Grandes déformations a été ajoutée pour le modèle de déformation matériau dans le noeud Solide des interfaces de transfert thermique. L'objectif est de mieux capturer le comportement de la conductivité thermique dans des situations faisant intervenir les grandes déformations plastiques qui se produisent pendant le traitement des matériaux.

Nouveaux modèles tutoriels

La version 6.0 de COMSOL Multiphysics® apporte de nouveaux tutoriels au module Heat Transfer.