深入分析热效应
“传热模块”是 COMSOL Multiphysics®仿真平台的一款附加产品，专注于传导、对流和辐射等传热机制的分析。其中集成了一系列丰富的建模特征，为深入研究热设计和热效应提供了强大的工具，可用于模拟组件、设备外壳和建筑物内的温度场和热通量。用户可以借助软件内置的多物理场建模功能，在同一仿真环境中轻松耦合多个物理效应，对系统或设计在实际应用中的性能进行精确的虚拟评估。
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“传热模块”中的所有功能都基于三种基本传热模式：传导、对流和辐射。传导可以在任何材料中发生，并可能表现为各向同性或各向异性，材料的导热系数可能恒定不变，也可能随温度发生变化。对流则分为强制对流和自由（自然）对流两种形式，反映了传热过程中流体的运动特性。热辐射现象则可以通过表面对表面辐射或半透明介质中的辐射进行分析。
传热过程涉及诸多变化因素，需要综合考虑这些不同的传热模式；在某些情况下，甚至需要同时考虑这三种模式的相互作用。每种模式都对应一系列方程，需要同步处理以确保模型的准确性。传热模块具备强大的功能，能够模拟各种传热类型，帮助我们深入理解和预测传热现象。
强大的多物理场功能，能够对各种热源进行精确建模与仿真。
模拟固体、流体、壳体以及多层壳中的焦耳热（也称为电阻热）。
模拟在线感应加热器和金属加工应用。
模拟微波或射频在波导、组织以及其他生物应用中的加热过程。
使用比尔-朗伯定律模拟各种制造和生物医学过程中的激光加热和消融。
了解热膨胀和热应力在各种工作条件下对材料和结构的影响。
包含与固体力学模型中的接触压力相关的接触导热系数。
分析珀尔帖-塞贝克-汤姆逊效应，并提供包含碲化铋和碲化铅等常见材料的材料库。
在设计电子设备和电力系统部件时分析其热性能。
分析多孔介质中的传导和对流，以及热弥散现象。
模拟多孔介质传热，其中假设局部热非平衡，例如在孔隙中发生快速流动的情况下。
通过高效准确的仿真来分析冷却能力，以避免故障和次优设计。
分析被固体隔开的流体所携带的能量在长距离上的传递过程，在流体不发生混合的情况下实现能量交换。
使用生物热方程分析医疗应用中的肿瘤消融、皮肤探针和组织坏死等过程。
模拟空气中的热湿传递以确定饱和压力，并综合考虑蒸发过程，有效避免冷凝现象的发生。
分析木框架、窗框、多孔建筑材料以及其他建筑结构的热性能。
计算耦合的热量和质量平衡，以模拟流-固界面在多孔介质中的推进过程。
根据直接太阳辐射、反照率、行星红外通量以及航天器各部件之间的辐射传热来计算航天器的温度。
“传热模块”专为模拟传热效应而设计，能够在 COMSOL Multiphysics®平台上无缝集成，确保建模流程的连贯性和一致性。
“传热模块”包含对共轭传热和非等温流动效应进行建模仿真的专用特征，支持层流和湍流分析，并涵盖自然对流和强制对流两种模式。如需分析自然对流，只需选中重力复选框即可。此外，还可以激活压力功和黏性耗散以进一步影响温度分布。
用户可以使用 k-ε、低雷诺数 k-ε、代数 y+、L-VEL 或 Menter 剪切应力输运（SST）等多种雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型来模拟湍流。如果将本模块与CFD 模块结合使用，还可以使用 Realizable k-ε、k-ω、v2-f 和 Spalart-Allmaras 湍流模型。软件会根据流动模型自动使用连续性、壁函数或自动壁处理技术，以处理流-固界面的温度过渡问题。
“传热模块”提供了两种方法用于在传热分析中模拟相变现象。相变材料特征通过表观热容公式，分析相变焓和材料属性的动态变化，能够对体积和拓扑变化进行建模。
此外，相变界面特征根据 Stefan 能量平衡条件模拟相变，以计算不同密度的两相之间的界面速度。这种方法在处理不涉及拓扑变化的相变问题时，与变形几何相结合，展现出极高的效率。
“传热模块”为薄层传热问题提供了独立的层模型和多层材料技术，旨在研究几何尺寸远小于模型其他部分的层中的传热现象。这一功能适用于薄层、壳、薄膜以及裂隙等结构。
在单层传热分析中，热薄层模型适用于高导热材料，其传热方向与层相切，且层两侧的温差可以忽略不计。相对而言，热厚层模型适用于导热性较低的材料，这些材料在壳的垂直方向上充当热阻，因此能够计算层两侧之间的温差。而通用模型则嵌入了完整的热方程，提供了高度精确的解决方案。
多层材料技术包含用于详细多层材料定义的预处理工具、从文件加载多层结构构型/将多层结构构型保存到文件的功能，以及层预览特征。用户可以像处理三维实体模型一样，直观地将多层薄结构中的结果可视化。多层材料功能在AC/DC 模块和结构力学模块中均有提供，允许在多层材料中考虑电磁热或热膨胀等多物理场耦合效应。此外，热连接多物理场耦合还可用于定义通过域传热接口和壳传热接口分别计算的两个温度场之间的连续性条件。
集总热系统接口支持热阻、热耗率和热质量等集总特征，能够计算热网络中的传热速率和温度分布，其中采用温度和热耗率作为因变量来求解能量守恒方程。
“传热模块”提供多个特征用于模拟漫反射表面、混合漫反射-镜面反射表面以及半透明层的表面对表面辐射现象，适用于二维、二维轴对称和三维几何。用户还可以使用注量率特征来评估表面之间以及腔体内部的辐射暴露情况。
为太阳辐射和环境辐射提供了预定义的设置，允许用户根据短波长（太阳光谱带）的表面吸收率与长波长（环境光谱带）的表面辐射率之间的差异进行调整。此外，用户还能够根据地理位置和时间变化来定义太阳辐射方向。
在角系数的计算中，用户可以选择使用半立方体方法、射线发射法或直接积分面积法；通过定义对称平面或扇区，可以显著提升仿真的计算效率。此外，通过将“表面对表面辐射”接口与动坐标系结合使用，能够在几何构型发生变形时自动更新角系数。
“传热模块”具备模拟吸收介质中的辐射束以及半透明介质中的辐射的功能，例如参与介质、吸收和散射介质中的辐射。
对于参与介质中的辐射，可以采用 Rosseland 近似、P1 近似或离散坐标法（DOM）进行高效模拟。在处理吸收和散射介质中的辐射时，可以使用 P1 近似和离散坐标法来模拟非发射介质中的光扩散等现象。最后，用户还可以使用比尔-朗伯定律模拟吸收介质中的辐射束，并与其他传热形式进行耦合分析。
在研究热湿传递的过程中，需要综合考虑多物理场模拟功能，以实现传热与建筑材料、湿空气以及吸湿性多孔介质中的水分流动和水分输送的耦合。为了研究这些复杂的相互作用，“传热模块”提供了丰富的设置选项，能够模拟空气和含湿多孔介质中的水分输送与非等温流动的耦合现象。此外，模块中还配备了多种分析工具，以研究表面上水的冷凝和蒸发过程，并提供额外的特征用于分析热湿储存、潜热效应以及水分的扩散和传递。
对于航天器的辐射载荷和温度，轨道热载荷接口提供了一系列内置特征，用于模拟绕地球运行的卫星受到的太阳和地球辐射。用户可以利用该功能来包含航天器的辐射属性、轨道和方向、轨道机动以及行星属性等关键信息。此外，该接口能够进行复杂的计算，生成直接太阳辐射、反照率、行星红外通量，以及不同航天器部件之间的辐射传热等详细结果；还可与传热接口结合使用，进一步分析航天器固体部件的热传导特性。
“传热模块”不仅支持整合用户定义的气象数据，还集成了以下三个气象数据集：ASHRAE 2013 HANDBOOK（ASHRAE Weather Data 5.0 版本）、ASHRAE 2017 HANDBOOK（ASHRAE Weather Data 6.0 版本）和 ASHRAE 2021 HANDBOOK（Weather Data Viewer 2021）。这些数据集汇集了全球约 8500 个气象站随时间变化的气候条件，详细记录了干球温度、露点温度、相对湿度、风速、绝对压力、降水量以及太阳直射和散射辐照度等测量数据，这些数据以干球温度的小时平均值和其他气候条件的月平均值为基准。
这些数据集可以作为多个特征的变量，为环境条件的精细建模提供了强有力的支持。举例来说，在热通量特征中，环境温度、环境绝对压力和风速可以用作定义传热系数的相关因素。
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