COMSOL® 製品概要

 

伝熱モジュールで熱効果を解析

 

高度シミュレーションのための伝熱モデルソフトウェア

COMSOL Multiphysics® プラットフォームアドオンの伝熱モジュールで, 伝熱を伝導・伝達・放射によって解析します. 伝熱モジュールには熱設計と熱負荷効果を調べるための総合的な機能がついてきます. デバイスや部品, 建物全体の温度場と熱流束のモデル化が可能です. 実環境における装置や設計の行動をバーチャル環境で調べるために, ソフトウェアについてくるマルチフィジックスモデリング機能を用いて, 単一のシミュレーション環境で複数の物理的影響を簡単に組み合わせることができます.

伝熱解析のための特化機能

共役熱伝導と非等温流れ

伝熱モジュールには, 共役伝熱効果・非等温流れ効果のモデリング機能が含まれています. これらの能力は熱交換, 電子冷却, エネルギー節約などに利用できます.

層流・乱流のどちらも, 自然対流・強制対流によってモデル化できます. 圧力と粘性散逸の影響を温度分布に含むことができます. 乱流は, k-εモデル, 低レイノルズ数 k-εモデル, 代数 yPlusモデル, またはLVEL 乱流モデル等のレイノルズ平均ナビエ-ストークス方程式 (RANS) モデルを使ってモデル化できます. CFDモジュールと組み合わせて, realizable k-εモデル, k-ωモデル, せん断力輸送 (SST) モデル, v2-fモデル, Spalart-Allmaras乱流モデルも利用できます.

流体-固体インターフェースでの温度転移は, 流れモデルにより連続性, 壁面機能, 自動壁面処理を使って自動処理されます. 「重力」機能を起動して自然対流を簡単に組み入れることができます.

A nonisothermal flow modeling example of using COMSOL Multiphysics and the Heat Transfer Module. Model of two separated fluids at different temperatures flowing through a shell-and-tube heat exchanger.

薄層とシェル

薄層における伝熱のモデリングのために, 伝導モジュールには特化層モデルと多層材料技術がついており, 簡単に複雑形状を定義し, モデルの他部分に比べてジオメトリ的に小さな層内の伝熱を調べられるようになっています. この機能は薄層, シェル, 薄膜, 破損に利用できます.

個別層には, 層の熱伝導への影響が主に接線方向で層間温度差が微量な場合, 高伝導材料用の熱性薄層モデルが使われます. 逆に熱性厚層モデルはシェルの垂直方向内熱抵抗としての低伝導材料に使われます. このモデルでは二層側面間の温度差を計算することができます. 最後に, 一般的なモデルは高精密・普遍的なモデルで, 完全熱方程式を含みます. 多層材料機能は通常領域モデルにおいて類似した熱負荷をサポートします. 特に, 熱源とヒートシンクは層上または層インターフェースに定義することができ, 熱流束と表面対表面放射はシェルの両側面に定義できます.

多層材料技術を適用する場合は, 詳細な多層材料定義, 多層構造形状のファイルからまたはファイルへの読み込みや保存, 層のプレビュー機能等の前処理ツールが利用できます. 更にツールによって, 薄い多層構造における結果を,3D固体としてモデル化されたもののように可視化させることができ, 具体的にはサーフェスプロットやスライスプロット, 貫通プロットなどが利用できます. 多層材料機能は AC/DCモジュール構造力学モジュールに含まれており, 多層材料場への電磁加熱や熱拡張等のマルチフィジックスカップリングを含むことが可能になっています.

表面対表面放射

伝熱モジュールはラジオシティー法を用いて拡散面, 拡散-反射混合面, 半透明層上の表面体表面放射をモデル化します. これらは2Dジオメトリ・3Dジオメトリとして, 拡散面のモデリングの場合には2D軸対称ジオメトリとして利用できます. 表面特性は温度, 放射波長, 他のモデル内数量に左右されます. 透明特性は, スペクトル帯 (またはスペクトル帯がサポートされている任意数) ごとに定義することができます.

太陽放射と大気放射には定義済み設定が利用でき, 短波長 (太陽スペクトル帯) の表面吸収率は長波長 (大気スペクトル帯) の表面放射率とは異なる可能性もあります. 更に, 太陽放射の方向は地理的な位置と時間によって決まります.

形態係数は半立方体, レイシューティング, または直接積分領域法を使って計算されます. 計算効率のよいシミュレーションのために, 対称面や対称セクターを定義することができます. 移動フレームと組み合わせると, 表面体表面放射インターフェースは形態係数をジオメトリ形状変形として自動更新します.

 

相変化

伝熱モジュールで, 伝熱解析の相変化崩壊を簡単に考慮することができます. 相変化材料ノードには, 相変化の要因として見掛け熱容量の定式化を取り入れています. 移動メッシュ利用によるモデル量変化等の相変化と材料特性変化のエンタルピーの要因となります.

COMSOL® ソフトウェアのアプリケーションライブラリには, 二相間の前方速度を計算するための変形ジオメトリインターフェースとステファンエネルギー平衡条件を使った指導モデルも含まれています.

熱伝導・熱対流・熱放射の解析

伝熱モジュールは, シミュレーションプラットフォームの中心機能の拡張解析機能として, 三種類の伝熱を詳しく調べるのに使われます.

熱伝導

あらゆる材料で発生する伝導を記述するのに, 熱伝導が等方性か非等方性かを定義することができ, 温度 (または他のモデル変数) の定数または関数とすることが可能です.

熱対流

伝熱シミュレーションの流体移動を考慮します. 圧力, 粘度散逸, 強制対流または自由 (または自然) 対流のモデリング機能として利用できます.

熱放射

伝熱モジュールでラジオシティー法およびロスランド近似値, P1近似値または離散座標法 (DOM) を用いて表面対表面放射のモデル化ができます. P1近似値とDOMは吸収媒体や分散媒体の放射にも利用でき, 非放射性媒質における光分散等をモデル化します. またランベルト・ベールの法則を用いた吸収媒体放射における放射線のモデル化, 他形態の熱伝導と効果のカップリングも可能です.

An example of modeling conduction, convection, and radiation with COMSOL Multiphysics and the Heat Transfer Module. A model of free convection in a light bulb that also accounts for conduction and radiation.

伝熱モジュールでモデル化できるもの

伝熱が解析の主要対象であっても複雑な大型解析の一部であっても, 複数の物理的影響を一度に調べる必要がある可能性は高いでしょう. COMSOL®ソフトウェアのマルチフィジックスモデリング機能を使い, フィジックス全体に一貫したワークフローにより完全で徹底した解析が単独のシミュレーション環境で可能となります. モデリングとシミュレーションへの直感的アプローチは, アプリケーションに関連する伝熱や他の物理現象全てに使うことができます.

COMSOL Multiphysics®と伝熱モジュールで解析・シミュレーションできる事項をいくつか下記に説明します.

電磁伝導カップリングを用いて異なる電磁形態での電磁加熱をモデル化します. 伝熱モジュールはジュール加熱, 誘導加熱, マイクロ波加熱効果の解析に使われます.

これらのマルチフィジックスシミュレーション性能は, 地下ケーブルやヒューズ, インダクタ―, その他の幅広い応用の設計や調査に役立ちます.

AC/DCモジュール, RFモジュール, 光線光学モジュール, または波動光学モジュールと組み合わせると, 伝熱モジュールの電磁加熱モデリングの機能が拡張し便利になります.

An example of modeling EM heating in an inline induction heater. A magnetic field (circular slice), produced from current passing through a coil, causes a temperature rise in the four pipes in this inline induction heater model.

伝熱モジュールは多孔質媒体内伝熱をモデル化するためのロバストなインターフェースで, 固体における熱伝導・熱対流や多孔マトリクスの開気孔相に利用できます. 固体・流体材料の反復特性から自動演算した効果的な伝熱特性を定義するために異なる平均モデルを選ぶことが可能です. また, 孔内を流れる流体の複雑な経路によってできる多孔質媒体内熱分散のための定義済み機能へもアクセスできます.

CFDモジュール物質流モジュールと伝熱モジュールを組合せ, 多孔質媒体流 (ダルシーの法則か, ダルシーの法則のブリンクマン拡張) のために問題を解き伝熱モデルに組み合わせます.

局所熱非平衡のモデル化にはLTNEインターフェースを利用できます. このインターフェースでは, 孔内の流体-固体インターフェースでの伝熱のためのカップリングを考慮して, 流体と多孔マトリクス温度場に異なる方程式を適用しています.

An example of modeling heat transfer in porous media. Model of heat transfer in porous media as water flows through a fracture in a geothermal doublet.

熱膨張はよくあることで, 非常に高いレベルの熱応力につながることがあります. 熱応力は, 焼き嵌めやバイメタル温度センサーへの応用など有益に利用できる一方で, 負の要素にもなり得ます. 例えば, 建物においては伸縮性目地や高温や熱負荷の繰返しに対応したデバイスが必要となる場合があります.

熱膨張の効果を最適化することが優れた熱設計には必須で, そのためには場合に応じて影響を最小化・最大化することが重要です. 伝熱モジュールのマルチフィジックスカップリング機能によってこれらの現象を調べることができます.

伝熱モジュールは, 構造力学モジュールと組み合わせた場合, 共役伝熱や薄シェル内伝熱といったデバイスや部品, 装置の熱応力を解析する性能が上がります.

接触熱伝導係数に利用できるモデルがあり, これは接触圧に依存しています. また小さなギャップで分離している表面間の表面対表面放射の寄与にも利用できます. 接触圧とギャップの距離は構造力学モデルから得ることができます.

An example of modeling thermal stress using heat transfer software. A plot of the temperature distribution inducing thermal stress in a turbine stator blade.

フィジックスインターフェースと組み合わせて, 固体内電流と伝熱のために熱電効果をモデル化し, ペルチェ-ゼーベック-トムソン効果に簡単に適用できます.

テルル化ビスマスやテルル化鉛等数々の定義済み熱電材料からモデルの材料特性を設定します. また, 自分で材料特性を定義したり, AC/DCモジュールと伝熱モジュールを組合せて更に高度な電流モデリングをすることも可能です.

An example of modeling thermoelectric effects using COMSOL software. A thermoelectric cooler device. The temperature distribution is plotted in the thermoelectric legs with cones to indicate the flow of electric current throughout the device.

電子デバイスや電子チップ・電力系等の部品設計において, 伝熱モジュールは冷却能力を解析するのに利用できます. これらの応用において熱伝導や熱対流をシミュレーションし, 性能や稼働の最適化を確保します. またマイクロエレクトロニクスやコンピューターのヒートパイプ冷却もモデル化できます.

電子冷却を解析する一方で, 機能不良や不十分な設計を避けるためには効率的で精確なシミュレーションが必要です. 伝熱モジュールは冷却能力の効率的・精確な計算を可能にします. ソフトウェアについてくるヒートシンク部品と使うことで複雑なジオメトリの設定も簡単です.

A COMSOL model example of electronic cooling in a PSU. The thermal behavior of a power supply unit for a computer. The model computes the forced convection cooling of the device, whose enclosure is ventilated by an air stream entering through a grille and being extracted by a fan.

熱交換器は, 水処理や資源精製, 原子力, 食品生産や冷蔵などの様々な形で応用されています.

アプリケーションライブラリには下記にあげたタイプの熱交換器についての指導モデルが含まれています.

  • 同芯管式熱交換器
  • 二重管式熱交換器
  • 多管式熱交換器
  • 小型熱交換器
  • フィン式熱交換器

熱交換器解析には流体と固体の伝熱の組合せが係わります. 流体がエネルギーを長距離にわたって移動する一方で, 固体が流体を分離するために混ざることのないエネルギー交換が可能です. この行動を COMSOL Multiphysics®ソフトウェアで利用可能なフィジックスインターフェースに適用し, これらのデバイス内での強制対流や相変化のモデル化が可能となります.

A crossflow heat exchanger modeled with COMSOL Multiphysics and the Heat Transfer Module. A crossflow heat exchanger showing the fluid flow velocity (surface plots) as well as the temperature distribution (isosurfaces) as the fluids exchange energy.
An example of modeling heat transfer in a heat exchanger using COMSOL software. A heat exchanger showing the fluid flow velocity (arrows) as well as the temperature distribution (isosurfaces and streamlines) as the fluids exchange energy.
A double pipe heat exchanger modeled with COMSOL Multiphysics and the Heat Transfer Module. A double pipe heat exchanger showing the velocity field in the inner pipe (arrows) and the temperature distribution in the outer pipe (surfaces) as the fluids exchange energy.
A finned-pipe heat exchanger modeled with COMSOL Multiphysics and the Heat Transfer Module. A finned-pipe heat exchanger showing the fluid flow (cones) as well as the temperature distribution (surfaces) as the fluids exchange energy.

温度管理は, 建築設計者が温度・湿度変化を建造物部材に考慮する必要があるため, 極めて重要です. 伝熱モジュールを使って木枠や窓枠, 多孔質材料やその他の建造物部材の温度管理分析ができます. 加えて, 建造物表面の水分凝縮・水分蒸発の分析に利用できるツールもあります.

伝熱モジュールには, 熱・湿度貯蔵, 潜熱効果, 水分の拡散や対流伝達などの特化機能があります. 対流・拡散のシミュレーション, 空気中の熱伝達や水分伝達のための渦基盤乱流混合も可能です.

A heat transfer model for analyzing thermal management in building materials. The temperature distribution (surfaces and isosurfaces) and the heat flux (arrows) throughout a building structure with separating two floors from an external environment.

伝熱モデリングによって, 腫瘍焼灼や皮膚プローブ, 組織壊死などの医療応用におけるプロセスを分析できます. 伝熱モジュールの特定機能を人体組織の熱効果シミュレーションに利用できます.

COMSOL®ソフトウェアで生体熱方程式を求解し, 血液特性, 血液還流速度, 代謝熱源を通じた組織への熱効果を考慮に入れることができます. マイクロ波加熱, 抵抗加熱,放射加熱, 化学反応による加熱などによる効果を簡単に解析に入れることも可能です.

An example of modeling bioheating in the COMSOL Multiphysics simulation software. A conical dielectric probe used for skin cancer diagnosis is analyzed for radiation characteristics and temperature variations of the skin tissue.

蒸発冷却は, 乾燥, 蒸発, 建築物理学や食品加工といった分野での応用に関わるプロセスです.

伝熱モジュールには, 非等温流と組み合わせ, これらの効果を調べるための空気中の水分伝達モデリング設定がついてきます. フィジックスインターフェースによって飽和圧力が決定され, 蒸発冷却中の表面蒸発を説明し,その温度における熱蒸発効果をモデル化します.

An example of modeling evaporative cooling with the Heat Transfer Module. A glass of hot water exposed to a dry air stream at room temperature is modeled to analyze the evaporative cooling process.

シミュレーションアプリケーションでの効率良い伝熱解析

周りの人々のために同じシミュレーションを何度も繰り返す必要がなくなったら, 新しいプロジェクトの開発にどれほど時間とエネルギーを費やすことができるようになるでしょう. COMSOL Multiphysics®のビルトインアプリケーションビルダーで, モデルのインプットを制限しアウトプットを制御することでワークフローを更に簡素化したシミュレーションアプリを作ることができ, チームメンバーが独自の解析をできるようになります.

アプリケーションによって発熱率やオペレーション条件, 材料やジオメトリ特性等の設計条件変更が簡単になり, シミュレーション全体を調整せずに何度でもテストをすることができます. テストが素早く実行できるだけでなく, チームメンバーにアプリを配布することで各自が自由自在に解析できるようになり, 仕事の効率が上がり他のプロジェクトに割く時間ができます.

シンプルなプロセス

  1. 伝熱モデルをシンプルなユーザーインターフェース (アプリ) に変換
  2. ユーザー用インプット・アウトプットを選択しニーズに応じてアプリケーションをカスタマイズ化
  3. COMSOL Server™COMSOL Compiler™製品を使ってチームメンバーへのアクセスを許可
  4. サポート不要でチームによる独自の設計解析が可能

シミュレーションアプリを作成・利用することで, チームや組織, クラスルームや顧客などのシミュレーション能力がアップします.

The Forced Air Cooling with Heat Sink demo app, created with the Application Builder in COMSOL Multiphysics. Test different heat sink configurations with an app. Change the base geometry, fin geometry, box dimensions, and operating conditions; inspect the temperature and velocity fields; and monitor the dissipated power and pressure loss with numerical results.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

"COMSOL へコンタクト" ボタンを押し, あなたの連絡先詳細と特別なコメントや質問があればそれを記入して, 送信していただくだけで済みます. 1営業日以内に我々のセールス担当者から返事が届きます.

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