- Передача тепла шляхом вільної конвекції
- Моделювання вільної конвекції повітря
- Вивчення результатів двовимірного і тривимірного моделювання
- Наступний крок
Вільна конвекція - тип теплопередачі, який зустрічається в різноманітних прикладних завданнях. Наприклад, це явище допомагає підтримувати прийнятний рівень температури як в невеликих електронних пристроях, так і в великих будівлях. Незалежно від області застосування проектувальники можуть використовувати програмний пакет COMSOL Multiphysics® для моделювання вільної конвекції повітря як в двомірних, так і в тривимірних задачах.
Передача тепла шляхом вільної конвекції
вільна конвекція , Яку також називають в'язкісно-гравітаційним режимом течії, обумовлена неоднорідним розподілом щільності середовища (наприклад, повітря) в поле дії масових сил, що призводить до виникнення руху середовища і конвективного теплообміну. На відміну від примусової конвекції, для створення потоку рідини не потрібні ні вентилятори, ні зовнішні джерела - досить неоднорідності температури і щільності.
Вільна конвекція повітря широко використовується в різних галузях. Завдяки цьому явищу розсіюється тепло в електронних пристроях, що допомагає запобігти їх перегрів. Крім того, цей метод передачі тепла використовується для обігріву і охолодження будівель за допомогою таких конструкцій, як сонячні димоходи й стіни Тромба. В сільськогосподарської промисловості вільна конвекція допомагає в сушці і зберіганні різних продуктів.
Вільна конвекція повітря біля поверхні вертикально розташованих друкованих плат
За допомогою програмного пакету COMSOL Multiphysics® можна досліджувати вільну конвекцію повітря як в двовимірних, так і в тривимірних задачах. Давайте розглянемо один приклад ...
Моделювання вільної конвекції повітря
У навчальному посібнику Buoyancy Flow in Air (Вільна конвекція повітря) показано, як моделювати вільну конвекцію для двох типів геометрії:
- двовимірний квадрат
- тривимірний куб
В обох випадках все зовнішні кордони ізольовані, за винятком лівої і правої, на яких встановлена відповідно низька і висока температура. Різниця температур (близько 10 K) призводить до градиентам щільності повітря, створюючи вільно-конвективний потік. Зверніть увагу, що куб має більше сторін, ніж квадрат, що впливає на потік повітря.
Щоб спростити настройку моделі, в програмному пакеті COMSOL Multiphysics є кілька вбудованих функцій, які можна використовувати. Перш за все, це інтерфейс Nonisothermal Flow (неізотерміческімі потік), в якому процеси гідродинаміки і теплопередачі взаємопов'язані. Можна також використовувати Бібліотеку матеріалів, щоб легко задавати теплофізичні властивості повітря.
Далі, можна оцінити режим течії, обчисливши числа Грасгофа, Релея і Прандтля. Числа Грасгофа і Релея показують, що режим течії ламінарний при характеріной швидкості руху 0,2 м / с. Що стосується числа Прандтля, воно вказує на те, що в'язкість не впливає на сили плавучості, що діють в повітрі, і що товщина погранслоя становить близько 3 мм.
Для отримання додаткової інформації про оцінку режиму течії завантажте документацію для моделі з Галереї додатків .
Примітка. У навчальній моделі Вільна конвекція води розглядається схожа модель з водою замість повітря.
Вивчення результатів двовимірного і тривимірного моделювання
Давайте спочатку подивимося на результати, що описують величину швидкості повітря в двомірному квадраті. На лівому малюнку нижче видно, що максимальне значення швидкості повітря 0,05 м / с досягається поблизу лівої і правої меж. Хоча це значення трохи нижче розрахункової швидкості, обчисленої з використанням чисел Грасгофа і Релея, це все-таки величина того ж порядку. Крім того, товщина прикордонного шару (3 мм) відповідає оцінці, наступної з числа Прандтля.
Величина швидкості (зліва) і профіль швидкості (праворуч) повітря в двомірному квадраті
Як показано нижче, результати для величини швидкості в тривимірному кубі аналогічні результатам для двомірного квадрата.
Величина швидкості в кубі
Далі, давайте подивимося на результати розрахунку температури в двовимірної задачі. Одна конвективная осередок заповнює квадрат, коли повітря тече по краях. Можна помітити, що швидкість повітря вище у лівій і правій кордонів, де різниця температур найбільша.
Поле температури в квадраті
Тривимірні результати показують дещо інший сценарій. У кубі є невеликі конвективні осередки в кутах вертикальній площині, перпендикулярній нагрітим сторонам. Як уже згадувалося, ця різниця, ймовірно, пов'язано з тим, як передня і задня сторони в кубі впливають на повітряний потік.
Поля температури і швидкості в тривимірному кубі
Наступний крок
У цьому прикладі геометричні моделі досить прості, але він допомагає вам отримати базові знання для моделювання вільної конвекції в більш складних моделях, що описують реальні прикладні завдання.
Для отримання додаткової інформації про це прикладі перейдіть в Галерею додатків, натиснувши на кнопку вище. Звідти можна завантажити MPH-файл і покрокові інструкції для створення моделі.