מבוא ל-Compulation in COMSOL Multiphysics

היווצרות פרוסט והמיסה הם תופעות רב-פיזיקה מורכבות כי לשחק תפקיד קריטי במערכות תעשייתיות וטבעיות רבות.בהנדסת אוויר, הכפור על פני השטח מטוסים יכול לשבש את זרימת האוויר ולהקטין את המעלית. in Refrigeration, מצטבר על evapor coils destras degrades הפיכה יעילות העברת חום ומגדיל את צריכת האנרגיה.באקלים, הצטברות על צמחייה ואפקטים מקומיים ולחות.

עקרונות פיזיים של תצורת פרוסט ומלצאת

פרוסט יוצר כאשר מים פנויים באוויר יורד ישירות על משטח מוצק שהטמפרטורה שלו מתחת לנקודת הכפור. נקודת הכפור תלויה בלחץ וטמפרטורה המקומי; זה בדרך כלל נמוך יותר מנקודת הפענוח כי הלחץ הנדנדה על פני הקרח הוא פחות מאשר על פני מים נוזליים. מלטינג מתרחשת כאשר טמפרטורת פני השטח עולה מעל 0 מעלות צלזיוס, מה שגורם לקרח לעבור למים נוזליים, אשר עלולים אולי לפסולת חום או להתנפח, בהתאם למשוואה, חום, או למזג אווירית, או למזג אוויר, או לנפיחות, או למזג אוויר, בהתאם לנפיחות, בתנאי חום.

המונחים: the Fluid Phase

בתחום זרימת האוויר, ריינולדס-הנוכח של Navier-Stokes (RANS) פותרים בדרך כלל את זרימת ה- קדחתנית סביב משטחים של כפור, המשוואה מבטיחה שימור המוני, בעוד המשוואות המומנטום משלבות סגר שבץ חזק, לעתים קרובות באמצעות מודל C-ε או k-Liron SST.

מודל שינוי שלב עבור Frost

השינוי בשלב מ vapor לקרח (התדה) ומקרח לנוזל (לחיצת) הוא מודל באמצעות enthalpy-porosity או שיטת קיבולת חום שווה ערך. in COMSOL, ניתן ליישם את השינוי בשלב באמצעות פונקציה חלקה של כתף חלקה של קרח, כי הוא פונקציה של טמפרטורה ועובי חום מאוחרת הוא כלולה כמקור מורכב של אנרגיה, פרופורציה תרמית לכדי שבריר זמן נמוכה של תפקוד של חום.

מודל ה-ComSOL Model Step-by-Step

גאומטריה הבריאה ושיקולים

התחל על ידי הגדרת הגיאומטריה בסביבה הבנויה של COMSOL או יבוא מכל חיצוני.מודל טיפוסי כולל צלחת שטוח המייצגת משטח fin או כנף של החלפת חום, ממוקם בתוך ערוץ זרימה המגדירה את התחום האוויר.עבור גיאמטריה אקסקימית (למשל, צינור קירור), מתקן עובי 2D סימטרי יכול להפחית את העלות חישובית.

Defin Physics Interfaces

COMSOL מספקת ממשקי פיזיקה ייעודיים שניתן לשלב:

  • (ב) ,0) העברת הית' בפלואידים 1 (ב) לצמצום הטמפרטורה באוויר ובעוצמה.
  • (ב) ויקרא י"א: "ה' אלקים" (ב) "ה' (ב"ד)" (ב"ב)
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ (ב) , (ב) , (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ה-FLT:0) מרביפיזיקה הפיכה:1 ; הפיכה לא-אחרמית (Seudo-coupling), והפיכה אישית "Frost Deposition" המקשרת את ה- vapor flux לאיזון חום באמצעות תנאי הגבול.

כדי לשלב צמיחה כפורית כגבול נעים, ניתן להשתמש ב-FLT:0 (Moving MeshcioFLT:1 או FLT:2Deformed Meshphph 3 תכונה חלופית, עבור פשטות, שיטה קבועה-grid עם נקבוביות יעילה ניתן להשתמש, שבו השכבה הוא אמצעי ⁇ עם זמן תלוי עובי ונכסים תרמיים.

נכסים חומריים

נתונים חומריים מדויקים הם חיוניים.עבור האוויר, צפיפות בעקבות חוק הגז האידיאלי, מוליכות תרמית ופנימיות הם תלות טמפרטורה (שימוש בנוי-in ביטויים) מים vapor diffusivity באוויר ניתן לקחת מנוסחאות אמפיריות (למשל, מ- Jxfre fros fros) מ- 300 ק"ג (i) / ⁇ fre fre fre p) בדרך כלל מ- 300/R fre fre pv p2 p2\R pvp2\R p2x2\R p2\R p {x2\R pvp {x2\H) מ- 0.

תנאים ראשונים ומכשולים

עבור סימולציה סטנדרטית של הכפור:

  • (FLT:0) Inlet:cioFLT:1) מהירות קבועה (1-5 מ' / טיפוסי ל קירור), טמפרטורה (למשל, 5 עד 10 מעלות צלזיוס), ולחות יחסית (50–90%).
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Frosting פני השטח: קיר 1 1 עם טמפרטורה שנקבעה (למשל, 15 מעלות צלזיוס עבור צלחת קרה) או בשילוב איזון אנרגיה הכולל זיהום חום מאוחר. ריכוז vapor על הקיר מוגדר לערך השטחה על פני קרח על הטמפרטורה (באמצעות פונקציה או מראה).
  • (FLT:0) תנאים אינטיביים: שטח זרימה שלם של 1FLT 1 נקבע לטמפרטורה ולחות, אפס שבריר מסה קרח.הסימולציה היא תלויה בזמן; זמני ריצה טיפוסיים משתרעים על דקות עד שעות בזמן פיזי, עם תהלוכות זמן על סדר של 1-10 שניות.

המונחים: Numerical Workflow

ברגע שהמודל בנוי, לנהל מחקר תלוי בזמן.רצף של COMSOL באופן אוטומטי משמיד את הפיזיקה - זרימה ראשונה (מתפתחת או טרנסנדנט) ואז משוואות הסקאריות - אבל עבור מקרים חד-פעמיים מאוד, גישה מלאה בת זוג עשויה להיות יציבה יותר.

  • עובי פרוסט כתפקוד של זמן (פוסט-מעבד את ממשק ההזיז או שדה השבר ההמוני של הקרח).
  • משטח חום העברה coefficient (התועדה משטף חום מוחלט על פני הקיר מחולק על ידי הבדל טמפרטורה).
  • מסה קפואה לחלוטין לאזור יחידת
  • פרופיל טמפרטורה ומהירות ליד הקיר.

תובנות מפתח ממודל היווצרות כפור כוללות את תקופת הצמיחה המהירה הראשונית (מס-עברה-דומיד) ואחריו שלב צמיחה איטי יותר כמו שכבת הכפור מבודדת את פני השטח.מודל יכול גם לחזות את ההפצה המרחבית של הכפור - לעתים קרובות עבה יותר ליד קצה המוביל של צלחת שטוח עקב שיעורי דיפוזיה גבוהה יותר.

מודלים של Frost Melting ו Defrost Cycles

סימולציות מלטינג דורשות שינוי שלב הפוך: שכבת הקרח מעבר למים נוזליים, אשר לאחר מכן זורם או מתאדה (ב-ComSOL), גישה אחת היא לכלול מודל של פליטה:0thin-layer ממיסה מודל קפוא 3FLT:1 אשר מפעיל את הטמפרטורה של פני השטח עולה 0 ° C. עובי נמס יכול להיות במעקב עם רמה או מסלול, אבל עבור מערכת חימום מספיק זמן מוגבל (מחץ חום) עבור חום אימפולס חום.

אופטימיזציה מחזורית Defrost ניתן לבצע על ידי פרמטר של כוח החימום, משך החימום, ותקופת ניקוז, ושימוש במודול אופטימיזציה של COMSOL כדי למזער את השימוש באנרגיה תוך הבטחת הסרת הכפור מלאה.לדוגמה, עונש האנרגיה של השארת הכפור בהשוואה לאנרגיה של חימום יתר ניתן ללמוד.

אימות ועיסוקים טובים

אימות של מודלים של כפור נגד נתונים ניסיוניים הוא קריטי.מדורגת מדדים כוללים את העבודה של ליו וג'ייקובי (2013) על גידול כפור על צלחות שטוחות בקונפדרציה כפויה ואת המחקרים על ידי פדהבן ו-Shif (2000) על נכסים קפואים בדרך כלל, ההשוואה מתבצעת עבור:

  • עובי פרוסט לעומת הזמן
  • טמפרטורת פני השטח של Frost Surface טמפרטורה
  • הפחתה כללית של העברת חום עקב הכפור

משתמשים צריכים לגוון את הקורלציה האמפירית עבור מוליכות תרמית וצפיפות לטמפרטורה וללחות הספציפיים שלהם.ניתוח רגישות על פרמטרים אלה מסייע לכמת אי הוודאות.מחקרים של רפואת שיניים צריך לכוון אי הוודאות של עובי קפוא של (FLT:0 30), בעוד מודל זעזוע נמוך-תגובה (כמו k- ⁇ ) דורש y+1 Mis יכול להוביל לחום ותחזיות המוניות.

שיקולים מתקדמים: Turbulence, Coupling, and Computational Demand

האינטראקציה בין הכפור לזעזוע היא כפולה: גסות הכפור משנה את המבנים הסוערים ליד הקיר, ואת האינדיות הסוערות משפרות את התחבורה vapor. כמה דגמים מתקדמים משלבים פונקציה גסה לתוך טיפול קיר הסוער, הגדלת החוספס פני השטח כמו מצטבר. COMSOL מאפשר פונקציות מוגדרות למשתמש עבור הגובה כתפקוד של כתפקוד של כפונק או צפיפות, אשר יכול להיות להוסיף זמן לזרם של הקיר.

פתרון מלא של זרימה, חום, לחות תחבורה עם חזית הכפור נעים יכול להיות כבד חישובי. עבור זמנים פיזיים ארוכים (למשל, שעות של צמיחה קפוא), זמן הסתגלות עם סובלנות של 0.001 מומלץ למשתמשים לנצל את הפזורה יעילה של COMSOL, בעוד שמנה יכול לקחת יותר זמן של סימולציה או יותר זמן של 3D שעות ביממה (כלומר, מודלים גדולים 3D, coarse me על unfross) יכול לקחת מודל 2D) רק 2D) עם 3 שעות רצופות של זמן קצר לאחר מכן, רק 3D) עם 3D שעות ביממה אחת של 3D.

יישומים ורלוונטיות תעשייתית

מערכות למניעת הזדקנות

פרוסט שונה מקרח בוהק או rime, אבל היווצרותו על כנפיים במהלך פעולות קרקע יכול להשפיע על ביצועי Takeoff. מודלים של COMSOL לעזור לתכנן מערכות אלקטרו-צדדיות נגד דחיסה על ידי חיזוי הכוח הנדרש כדי לשמור על פני השטח מעל נקודת הכפור. פרדוקס מחקרים על פריסת חום מחזור חובה ניתן לבצע באותה מודל, כולל ההשפעה של התכה התכה ומים לרוץ.

מקררים ותפקוד של משאבת חום

ב-evaporator סלילים של משאבות חום מקור אוויר, הצטברות הכפור מפחיתה את זרימת האוויר ואת העברת החום, המוביל להידרדרות ביצועים. מהנדסים להשתמש ב- COMSOL כדי לקבוע קריטריונים של טיהור אופטימלי המבוסס על עובי קפוא נמדד או ירידה בלחץ.מודל יכול גם לחקור ציפויים משטחים חדשים (hydrophilic או hydrophobic) שמשנים קצבה וצמיחה.

מערכות בנייה יעילות אנרגיה

פרוסט על אוורור חום התאוששות (HRVs) באקלים קר מעכב את פעולת סימולציה.סימבונים בתכנון אסטרטגיות עקפות או טרום חימום כי ממזערים את הצטבר תוך שמירה על נוחות.מודלים של אנרגיה בני זוג יכול להיות פשוט באמצעות סמן משותף עם כלים כמו תוספת אנרגיה (באמצעות ממשק חיצוני).

Wind Turbine Ice Protection

פרוסט ו- rime קרח על להבים טורבינות להפחית את התפוקה ואת חוסר איזון. מודלים של Multiphysics הכוללים רוטציה להב (באמצעות ממשקי מכונות רוטטים) ועומסי רוח סטוצ'סטיים יכולים לדמות הצטברות בתנאים אטמוספריים שונים.מודלים אלה תומכים בפיתוח של מערכות דה-שינג פעיל, כגון חימום או רטט קולי, מאומתים בסביבה COMSOL.

אתגרים ודרכים מחקר מתפתחות

למרות הכוח של COMSOL, מודלים נוכחיים רבים עדיין מאתגרים בשל המורכבות של ניונקיה בקנה מידה מיקרו ואת הטבע הסטוצ'י של צמיחה גבישית הכפור. מודלים רבים הנוכחיים מסתמכים על קורלציות אמפיריות אשר מאומתות רק בטווחים צרים פרמטרים.מחקר עתידי עובר לעבר סימולציה מספרית ישירה (DTL) של אינטראקציות הקפאת מצעים ו היווצרות גבישי, אם כי אלה הם יקרים עבור בעיות מעבדה אחרות של תפקוד גרורתי עם יכולת משולבת.

מסקנה

(ההתמכה של מודלים של COMSOL CFD מספקת מהנדסים עם מסגרת חזקה ללמוד אינטראקציות רב-פיסיקה שקשה לשכפל בניסויים.על ידי הקמת בקפידה את הגיאומטריה, ממשקי הפיזיקה, ונכסים חומריים, משתמשים יכולים להשיג מידע זמני ומרחבי מפורט על מגזרי לחות קפואים, העברת חום ועיוות נגד נתונים ניסיוניים נותר צעד קריטי כדי להבטיח סימולציה עם המשך של משאבים חישוביים ואסטרטגיות הפעלה מחדש של חומרים: