Logiciel de modélisation du transfert de chaleur pour l'analyse des phénomènes thermiques

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. Ces modes requièrent différentes équations qui doivent être traitées simultanément pour garantir des modèles précis. Le module Heat Transfer contient les fonctionnalités pour modéliser tout type de transfert de chaleur.

Vue détaillée d'un circuit de chauffage montrant le transfert de chaleur et la déformation due à l'effet Joule.

Vue détaillée d'un échangeur de chaleur tubulaire montrant les lignes de courant fluide et le transfert de chaleur sur une frontière de la coque.

Vue rapprochée d'un salon avec un poêle montrant le flux de chaleur radiatif.

Une vue détaillée d'un dissipateur thermique montrant les lignes d'écoulement des fluides à travers les piliers du dissipateur thermique et la radiosité sur les surfaces du dissipateur thermique.

Ce qui peut être modélisé avec le module Heat Transfer

Capacités multiphysiques pour la modélisation et la simulation de nombreux types de sources de chaleur.

Vue détaillée d'un assemblage de busbar montrant la distribution de température.

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.

Une vue détaillée du bloc d'alimentation d'ordinateur avec un ventilateur et une grille montrant la circulation des fluides dans le bloc 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.

Une vue rapprochée d'un modèle d'échangeur de chaleur à plaques dans la palette de couleurs caméra thermique.

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.

Une 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.

Lyophilisation

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

Vue rapprochée d'un modèle de satellite en orbite autour de la Terre.

Analyse thermique d'un engin spatial

Calculer la température de l'engin spatial à partir du rayonnement solaire direct, de l'albédo et du flux infrarouge de la planète, ainsi que du transfert de chaleur radiatif entre les différentes parties de l'engin spatial.

Nécessite le module AC/DC
Nécessite le module RF
Nécessite le module Wave Optics
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.

Transfert de chaleur conjugué et écoulement non isotherme

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, peuvent être modélisés avec une convection naturelle ou forcée. Pour prendre en compte 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, LVEL ou le modèle shear stress transport (SST) de Menter. Les modèles de turbulence réalisables k-ε, k-ω, 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.

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 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.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Dilatation thermique et Couche en surbrillance et un modèle de circuit de chauffage dans la fenêtre Graphiques.

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. De plus, les couplages multiphysiques Connexion thermique peuvent être utilisés pour définir une condition de continuité entre deux champs de température, calculés respectivement par une interface de transfert thermique en domaine et une interface Transfert thermique sur coques.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Système thermique groupé en surbrillance et un graphique 1D dans la fenêtre Graphiques.

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.

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.

Vue rapprochée des réglages de l'interface Rayonnement en milieu participatif et d'un modèle de plaque de verre dans la fenêtre graphique.

Rayonnement en milieux semi-transparents

Le module Heat Transfer inclut des fonctionnalités pour la simulation de faisceaux radiatifs dans les milieux absorbants ainsi que pour le rayonnement dans les milieux semitransparents, comme dans des milieux participatifs ou des milieux absorbants et diffusants.

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.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Chaleur et Humidité en surbrillance et un modèle de refroidissement par évaporation dans la fenêtre Graphique.

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.

Une vue rapprochée des réglages des Propriétés de la planète et d'un modèle de satellite dans la fenêtre Graphiques.

Chargements thermiques orbitaux

Pour le calcul des effets radiatifs et de la température sur un engin spatial, l'interface Chargements thermiques orbitaux fournit des fonctionnalités intégrées pour modéliser le rayonnement du Soleil et de la Terre pour les satellites en orbite autour de la Terre. Cette fonctionnalité permet d'inclure les propriétés radiatives de l'engin spatial, son orbite, son orientation, ainsi que les manœuvres orbitales et les propriétés de la planète. L'interface calcule et génère des résultats qui montrent le rayonnement solaire direct, l'albédo, le flux infrarouge de la planète ainsi que le transfert de chaleur radiative entre les différentes parties de l'engin spatial. L'interface peut être combinée avec une interface de transfert de chaleur pour tenir compte de la conduction thermique dans les parties solides d'un vaisseau spatial.

Une vue rapprochée des paramètres des propriétés ambiantes et un graphique 1D dans la fenêtre Graphiques.

Données météorologiques dépendantes du temps

Le module Heat Transfer, en plus de permettre aux utilisateurs d'entrer leurs propres données météorologiques, inclut trois ensembles de données météorologiques du guide ASHRAE 2013 (ASHRAE Weather Data version 5.0), du guide ASHRAE 2017 (ASHRAE Weather Data version 6.0) et du guide ASHRAE 2021 (Weather Data Viewer 2021). Ces ensembles de données fournissent des conditions météorologiques dépendantes du temps provenant d'environ 8500 stations dans le monde entier, détaillant des mesures telles que la température sèche (bulbe sec), la température au point de rosée, l'humidité relative, la vitesse du vent, la pression absolue, le taux de précipitation et des données moyennées sur le mois pour toutes les autres conditions météorologiques.

Disponibles comme des variables pour un grand nombre de fonctionnalités, ces ensembles de données permettent de mettre en place une modélisation détaillée des conditions environnementales. Par exemple, dans la fonctionnalité Flux de chaleur, la température ambiante, la pression absolue ambiante et la vitesse du vent peuvent être utilisées dans les corrélations définissant le coefficient de transfert de chaleur.

Modes de transfert thermique

Ce qui peut être modélisé avec le module Heat Transfer

Chauffage par effet Joule

Chauffage par induction1

Chauffage micro-ondes2

Chauffage laser3

Contraintes thermomécaniques4