COMSOL Multifizikte Frost Simülasyonuna Giriş

Frost formasyon ve erimesi birçok endüstriyel ve doğal sistemlerde kritik bir rol oynayan karmaşık multifizik fenomenlerdir. Uçak mühendisliğinde, bu süreçlerin soğuk hava akışını bozabilir ve asansörü azaltabilir.In soğutma, soğutmada, soğutmada ısı transfer verimliliği ve enerji tüketimini artırır. İklim bilimi, bitki örtüsü ve nemlendirmede donatma, bu süreçlerin doğru simülasyonu, bu işlemlerin çiftleştirici bir tedavi gerektirir. COMSOL Multifiziksel modül ve inşa edilmiş multifiziksel yöntemler, yüksek çözünürlükte ve sayısal modelleme ile, yüksek çözünürlükte bir ortam sağlar.

Fiziksel Frost Formasyon ve Gerilme Prensipleri

Havadaki su buharı doğrudan soğuk bir yüzeye doğru yükselirken, sıcaklık soğuk noktanın altında olduğu gibi, o zaman buhar basıncı ve ısıya bağlıdır; genellikle yüzey ve hava akış koşullarına bağlı olarak, buhar basıncının üzerindeki buhar basıncının sıvı su üzerindeki etkisi azalır.

Akışkanlar için Equations

Hava akışı alanında, Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) denklemleri genellikle soğuk yüzeylerle doluplak ısı geçişi veya absorpsiyonel kesme yöntemi ile çözülürken, hızdaki ısı geçişi veya ısı geçişi ile ilgili olarak kullanılan bir ısı geçişi ile ilgili olarak, yüksek çözünürlükte veya ısıtılışlı ısı geçişi ile ilgili olarak kullanılır.

Faz Değişim Modeli için Frost

Soğutma (depresyon) ve buzdan sıvıya (mesel) faz değişikliği, enerji denkleminde bir hacimsel kaynak terimi kullanılarak yapılır ve buzul tabakasının zaman türevlerinde, soğuk bir büyüme ile yapılır.

COMSOL Model Adım-by-Step

Geometrik Yaratılış ve Meşrular

COMSOL'un yerleşik CAD ortamında geometriyi tanımlamak veya dış bir araçtan ithal etmek. Tipik bir model, ısı değiştirici bir fin veya kanat yüzeyinin temsil ettiği bir akış kanalın içine yerleştirilen bir akış kanalın içinde hava sahasını tanımlar. For eksenmetrik geometriler (e.g.g., bir soğutma tüpü), bu tür bir 2D eksensel kalınlıkta yapılan bir ısı geçişi için incelenebilir.

Fizik Interfaces Tanımlama

COMSOL, birleştirilebilecek özel fizik arayüzleri sağlar:

  • [FONT:0) Akışkanlarda Geçiş[[Dönetici: 1 ) - hava ve sağlam sıcaklık dağılımı için.
  • [FONT=0) Katılarda Oat Transferi[[Dönler: 1 ) - duvar veya substrat için.
  • [FONT:0) Diled Türlerin Sınırı[Dönemli: 1) Havadaki su buharı için.
  • [FONT=0]Turbulent Flow, k- ⁇ ) veya ).k- ⁇ ) - momentum taşıma için.
  • [FONT=0) Çokfiziksel darbeler[[Dönetici: 1 ) - non-isotermal akış darbesi (pseudo-coupling) ve buharlı hava dengesi ile sınır durumuyla bağlantılı özel bir “Frost Deposition” darbesi.

Bir hareket sınırı olarak don büyümesini dahil etmek için, bir tanesi etkili bir porosity ile sabitlenebilir, don tabakasının zamana bağlı kalınarak göz ardı edilir.()Deformed Me) özelliği. Alternatif olarak, basit bir şekilde, sabit bir yüzeysellik yöntemi, don tabakasının zaman bağlı kalınarak göz ardı edilebilir bir orta olarak tedavi edilebilir.

Malzeme Özellikleri

Doğru malzeme verileri önemlidir. Hava için, yoğunluk ideal gaz kanununu takip eder, termal iletkenlik ve vizoloji sıcaklık bağımlıdır (daha fazla yerleşik ifadeler). Havadaki su buharı, amplif formülünden alınabilir (örneğin, Cusler veya Perry'nin El Kitabı). Donmuş tabakaları için, 50 ila 300 kg / 2 mm arasında ısıtılır.

Sınır ve İlk Koşullar

Standart doning simülasyonu için:

  • [FONT=0)Inlet: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: 0,5 m / soğutma için tipik), sıcaklık (örneğin, 10°C) ve göreceli nem (50-% 90).
  • [FONT:0)Outlet: sıfır-gauge baskı veya dış akış koşulu.
  • [FONT:0) Yüzeyi karıştırıyor: [Dönemli: [Dönemli: 0,4 ° C, soğuk bir plaka için) veya bir enerji dengesine çiftleşen bir ısıya ayarlanıyor. Duvardaki buhar konsantrasyonu o duvar sıcaklığında buzun üzerine bir değere ayarlanıyor (bir işlev veya göz atın masası).
  • [FONT:0)Initial conditions:[Dönemli koşullar:[Dönemli) Tüm akış domaini ısı ve nem, sıfır buz kütleli kesir. Simülasyon zaman bağımlıdır; tipik runtimes saatleri fiziksel zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman ayırarak saatlerine kadar.

Simulating Frost Formation: Numerical Workflow

Model inşa edildiğinde, zaman bağımlı bir çalışma çalıştırın. COMSOL'un çözücü serisi otomatik olarak fiziği yeniden birleştirir - ilk çözüm akışı (belki veya geçici) sonra ölçek denklemleri - ancak güçlü bir şekilde çiftleştirilmiş bir yaklaşım daha istikrarlı olabilir.

  • Zaman işlevi olarak Frost kalınlığı (Hazırda arayüzü veya buz kütle kesir alanı)
  • Yüzey ısı geçişi katsayısı ( sıcaklık farkı ile bölünmüş duvardaki toplam ısı flux'tan alıntı).
  • Birim alanı başına toplam don kütle.
  • Duvarın yakınında sıcaklık ve hız profilleri.

Bir don formasyon modelinin temel öngörüleri, yüksek buhar difüzyon oranları nedeniyle ilk hızlı büyüme süresi (mass-transfer-dominated) takip edilen buz tabakasının yüzeydeki düzlemdeki düzlemdeki düzlemdeki hava sahasının görselleştirilmesi veya grafiklerin kullanılmasının yanı sıra, soğuk-tozun uzaysal dağılımını da tahmin edebilir.

FrostEnergy ve Defrost Çevrimleri Modelleme

Mekanik simülasyonlar ters bir aşama değişikliği gerektirir: buz tabakası sıvı suya geçiş yapar, o zaman akış veya buharlı sistemlerle birlikte takip edilebilir, ancak birçok mühendislik uygulaması için basitleştirilmiş bir ısıtılabilir.[Dönemli bir ısı geçişi için)

ısı geçişi için ısı geçişi gerekir.

Defrost döngüsü optimizasyonu, ısıtma süresini parametrelendirmek ve tükenme süresi ile yapılabilir ve COMSOL'nin optimizasyon modülünü tam don kaldırılması sağlarken enerji kullanımını en aza indirmek için kullanabilir. Örneğin, aşırı ısıtma enerjisine karşı terk edilen enerji cezası incelenebilir.

Geçerlilik ve En İyi Uygulamalar

Deneysel verilere karşı don modellerinin geçerliliği önemlidir. Yayınlanmış kriterler Liu ve Jacobi (2013)'in don büyümesi zorlanmış konveksiyon ve Padhmanaban tarafından yapılan çalışmalar ve Sherif (2000) don özellikleri için yapılır.

  • Frost kalınlığı vs. zaman
  • Frost yüzey ısı sıcaklığı
  • Genel olarak ısı transfer kat azalır çünkü donmuş

Kullanıcılar, soğuk iletkenlik ve yoğunluk için belirli sıcaklık ve nem aralıklarına karşı ampirik korelasyonlar için amplitüd korelasyonlar geliştirmeli ve belirsizliği ölçmeye yardımcı olur. Medeni inceleme çalışmaları, düşük seviyeli bir modele sahip olmalıdır (örneğin, x+ ~1. Mismatch, erroneous ısı ve kütle transfer tahminlerine yol açabilir.

Gelişmiş düşünceler: Turbulence, Coupling ve C ⁇ Talepleri

Don ve çalkantı arasındaki etkileşim iki yönlüdür: Don kabalık, yakın duvarların türbülan yapısı ve çalkantılı eddiesler buhar taşımalarını artırır. Bazı gelişmiş modeller akış duvarı tedavisine eklenebilir, yüzey kabalığını artırır. COMSOL, kullanıcı tanımlı fonksiyonlarını soğuk yoğunluk veya zaman fonksiyonu olarak sınıflandırır, bu da akış arabirimlerinin duvarı sınır koşullarına eklenebilir.

Tamamen akış, ısı ve hareketle nem taşımacılığı çözümü, çok sayıda inlet koşullarını değerlendirmek için hesaplamalı olarak ağır olabilir. uzun fiziksel zamanlarda (örneğin, don büyümesi), yüzeyin yakınında uygun olmayan bir zaman için, COMSOL'nin verimli parametrik süpürücüklerin sadece 30 dakika boyunca bir iş gücü veya daha fazla iş gücü ile 3D arası bir araya gelmesi önerilir.

Uygulamalar ve Endüstri İlişkisi

Havacılık karşıtı Uçak AntiIcing Systems

Frost, glaze veya rime buzundan farklı, ancak zemin operasyonları sırasında kanatlar üzerindeki formasyonları, don erime ve su runoff etkisi dahil olmak üzere aynı modelde yapılabilir. COMSOL modelleri, yüksek çözünürlükte yüzeylere sahip olmak için gerekli olan gücü tahmin ederek elektro-termal anti-iking sistemleri tasarlamaya yardımcı olur.

Soğutma ve ısı pompası Performansı

Hava kaynaklı ısı pompalarının buharlı konveyörleri, don birikimi hava akışını ve ısı transferini azaltır, performans bozulmasına yol açar. Mühendisler, ölçülen don kalınlığı veya basınç düşüşüne dayanan en iyi başlangıç kriterlerini belirleyebilirler. Model aynı zamanda yeni yüzey kaplamalarını da keşfedebilirler (hidrasyon veya hidrobik veya hidrobik)

Enerji-Efficient Building Systems

Sıcak kurtarma ventilatörler (HRV) soğuk iklimlerde çalışır. Hesaplamalar, rahatlık devam ederken don inşaatını en aza indirme veya preset stratejileri tasarlamaya yardımcı olur. Çift binalı enerji modelleri COMSOL ko-simülasyonunu EnerjiPlus gibi araçlarla basitleştirebilir.

Rüzgar Türbini Buz Koruma

Frost ve rime buzları, güç çıktısını azaltır ve dengesizliklere neden olur.SOL ortamında bıçak rotasyonu (dönüşümlü makine arayüzleri) ve stochastic rüzgar yükleri donuygun bir koşullardan dolayı donatabilir. Bu modeller aktif de-ikleştirici sistemlerin gelişimini destekler, çünkü dirençli ısıtma veya ultrasonik titreşimler, COMSOL ortamında doğrulanır.

Meydanlar ve Gelişen Araştırma Yolları

COMSOL'un gücüne rağmen, don modelleme, mikro ölçekli nükleksiyonun karmaşıklığı ve nükleus kristal büyümenin stoksal doğası nedeniyle zorlu kalır. Birçok mevcut model, sadece dar parametre aralıklarında doğrulanan deneysel korelasyonlara güvenir. Örneğin, bu tür karma ürünlerle eğitilmiş bir sinirsel ağla geçişine doğru hareket eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Deneylerde ve fiziksel altlarda yapılan ilerlemeler için doğrulanmış olan sayısal sistemler ve uzaysal bilgileri kullanarak, normal büyüme, ısı transferleri ve enerji sektörleri hakkında bilgi edinirler.[değiştir | kaynağı değiştir]