无论何时将一个加热或冷却的零件暴露在空气中，热量就会通过对流在零件和空气间相互传递。空气的流动既可以通过风扇强制形成，也可以由空气温度变化引起的自然浮力变化形成。今天，我们来看看在 COMSOL Multiphysics® 软件中模拟各类对流传热的几种不同方法。
简单的开始:传热系数
我们先来看一个母线板焦耳热模型，如下图所示。这是 COMSOL Multiphysics软件中的一个入门案例，如果你还没有模拟过这个示例，我们建议您通过
COMSOL Multiphysics 产品简介
，来学习如何建立这个模型。
流经金属母线板的电流(箭头图)产生电阻热，致使母线板温度升高(彩色表面图)。
在这个示例中，我们模拟了流经母线的电流。电流会产生电阻热，进而导致母线板温度升高。假设热量只传递到周围的空气中，忽略通过螺栓的热传导和热辐射。该示例最初还假设没有任何强制空气流过母线板。因此，热量是通过自然对流传递到空气中的。
随着零件中的热量传递到空气中，周围的空气开始变热。随着空气越来越热，其密度降低，从而导致热空气升至周围较冷的空气上方。这些自然对流气流使零件到周围空气的热传递速率增加，气流取决于温度变化、零件及其周围环境的几何形状。当然，对流也可以发生在任何其他气体或液体中，例如水或变压器油，但这篇文章我们将主要讨论空气中的对流。
首先，我们可以将周围的空域分为两类：内部或外部。内部是指零件周围有一个有限大小的空腔（例如电气接线盒），空气被合理地控制在其中，尽管它可能有已知的进气口和通向外部空间的出气口。然后，我们假设空腔外部以及进气口和出气口处的热边界条件是已知的；另一方面，外部意味着物体被无限大体积的空气所包围。最后，我们假设远离物体的空气温度是一个已知的恒定值。
恒定传热系数的设置。
文章开始的母线板示例中假设自然对流传递到外部空气空间。这是使用以下热流边界条件建模的:
其中，外部空气温度为 Text= 25℃ ，
是传热系数。
这个单值传热系数代表了气流中所有局部变化的近似值和平均值。即使对于这个简单的系统，任何介于 
之间的值都可能是一个合适的传热系数，我们应该尝试边界情况并比较结果。
如果我们知道有一个风扇向这个结构上吹空气，由于更快的气流，我们使用一个传热系数 
来表示增强的热传递。
如果周围的流体是水之类的液体，那么自由和强制传热系数的范围就要宽得多。对于液体中的自然对流 ，
是典型的范围。对于强制对流，范围甚至更广:
。
显然，为自然对流或强制对流输入单值传热系数是一种过于简化的做法，那么我们为什么要这样做呢？第一，实现简单，容易比较最好和最坏的情况。第二，边界条件可以使用 COMSOL Multiphysics 软件的基础模块施加。尽管如此，但其实 COMSOL 的传热模块和 CFD 模块也可以模拟更复杂的情况，接下来让我们看看。
使用对流换热关联式
对流换热关联式 是为常见的几何结构建立的一个经验关系。当使用传热模块或CFD模块时，这些相关性由热通量边界条件提供，如下图所示。
使用外部自然对流关联式的垂直壁热通量边界条件。
使用这些关联式要求我们输入零件的特征尺寸。例如，对于母线板模型，我们使用外部自然对流、垂直壁相关性并选择 10 厘米的壁高来模拟母线板垂直面的自然对流热通量。还需要指定外部空气温度和压力。这些值可以从 ASHRAE 数据库中加载，我们在
之前的文章“如何模拟房屋内的温度变化”
中描述了这个过程，欢迎查阅。
下表显示了 COMSOL 中所有可用的关联式的示意图，它们通过获取表面几何形状的相关信息，使用
努塞尔数相关
性来计算传热系数。例如，对于水平对齐的母线板面，我们使用水平平板，上侧和水平平板，下侧关联式。
使用强制对流关联式时，还必须输入空气速度。这些对流关联式的优点是能更准确地反映实际情况，因为它们是基于公认的实验数据确定的。使用这些关联式会产生非线性边界条件，但这通常只会导致比使用恒定传热系数时花费稍微多一点的计算时间。缺点是，它们仅适用于零件几何结构合理的经验关系。
COMSOL 中可用的对流关联式边界条件。
请注意，所有上述对流关联式，即使是那些被分为内部的域，都假设存在无限的外部流体储层，例如周围空域。从表面带走的热量在不改变温度的情况下进入周围的空气空间，并且进入的环境空气的温度是已知的。然而，如果我们在一个完全封闭的容器中处理对流，这些关联式都不合适，我们必须选择另一种不同的建模方法。
利用增强的热导率近似模拟封闭空间中的自然对流
考虑一个矩形的充气腔。如果这个空腔的一个侧边的垂直面被加热，另一侧垂直面被冷却，那么空气将会有规律地循环。同样，如果从空腔下方加热，从上方冷却，也会有空气循环。上述两种情况的模拟结果如下图所示，这些图像是通过求解温度分布和气流获得的。
垂直和水平排列的两个矩形空腔中的自然对流。
自然对流的求解相当复杂，可查看文章：
使用 COMSOL 模拟自然对流的不同方法
。因此，我们希望找到一个更简单的替代方案。在传热模块中，可以选择使用当量对流热导率特征。使用这个功能时，空气的有效热导率根据水平和垂直矩形空腔的关联式而增加，如下图所示。
对流特征和设置的等效电导率。
我们仍然使用传热接口中的流体域特征对空气域进行显式建模，但不计算空气流场并且忽略速度项。热导率根据经验相关系数增加，该系数取决于腔体尺寸和整个空腔的温度变化。我们必须输入腔体的尺寸，但软件可以自动确定和更新整个腔体的温差。
采用当量对流热导率的垂直和水平矩形空腔内的温度分布。没有计算自然对流气流。相反，空气的热导率增加了。
这种在完全封闭的空腔中近似模拟自然对流的方法需要我们对空气域进行网格划分，并求解空气中的温度场，但这通常只会增加很小的计算成本。这种方法的缺点是它不适用于非矩形的几何形状。
用等温域近似模拟封闭空间中的强制对流
接下来，让我们考虑一个完全密封的空间，但该空间内有一个主动混合空气的风扇或鼓风机。我们可以合理地假设混合良好的空气在整个空腔中处于恒温状态。在这种情况下，使用等温域特征，在传热模块的设置窗口中选择等温域选项即可。
与使用等温域接口相关的设置。
混合良好的空气区域可以使用等温域特征显式建模。在这个模型中，整个域的温度是恒定值。空气的温度是根据通过边界进入和离开域的热量平衡来计算的。等温域边界可以设置为以下选项之一:
在所有这些边界条件选项中，对流热通量最适合封闭空腔内混合良好的空气。
使用等温域特征时的典型模拟结果。混合良好的空气域是恒温的，并且通过特定的传热系数向周围的固体域传热。
添加流动接口直接模拟气流
计算量最大的方法，也是最通用的方法，是添加流动接口直接模拟气流。我们可以模拟强制对流和自然对流，也可以模拟内部或外部流动。这种类型的建模可以通过传热模块或 CFD 模块来完成。
计算封闭空间内的空气流量和温度的例子。
如果你已经完成了 COMSOL Multiphysics 产品简介上的母线板建模，那么你已经求解了一个内部强制对流模型的例子。你可以在本文末尾提到的资源中了解更多关于添加流动接口直接模拟气流的内容。
什么时候可以完全忽略自然对流？
什么时候空气中的自然对流可以被忽略？如何对这些情况进行建模？我们将通过回答这个问题来结束今天的话题。当空腔的尺寸很小时，例如零件之间的间隙很小或薄管，就有可能遇到黏性阻尼超过浮力的情况。这种黏性力与浮力的平衡由
无量纲瑞利数
表征。是否会发生自然对流很大程度上取决于边界条件和几何尺寸。一个很好的经验法则是，对于小于 1mm 的尺寸，可能不会有任何自然对流，一旦空腔的尺寸大于 1cm，可能会产生自然对流。
那么，我们如何模拟通过这些小间隙的热传递呢？如果没有空气流动，我们可以将这些充满空气的区域可以简单地模拟为没有对流项的固体或流体，这一点在我们参数化
窗户和玻璃窗热性能
教程中进行了描述，感兴趣的读者可以看看。在任何微小尺度的封闭结构中，将空气模拟成固体也是合适的。
如果这些薄间隙与正在分析的系统的其他尺寸相比非常小，我们可以通过薄层边界条件中的热厚近似层模拟。这种边界条件会根据指定的厚度和热导率，在内部边界上引入温度梯度。
薄层边界条件可以模拟零件之间的很薄的空气间隙。
使用COMSOL Multiphysics 软件基础模块时，我们可以使用前面两种方法。使用传热模块时，对于薄层条件，还有其他选项可以考虑更一般的多层边界，这些边界可以由几层材料组成。
结束语
在结束上述讨论之前，我们来快速地回答一些关于辐射传热问题。虽然这篇文章没有讨论辐射，但工程师在建模时必须始终考虑它。暴露在环境条件下的表面会向周围辐射热量，并被太阳加热。太阳辐射加热的幅度很大——大约每平方米 1000 瓦，这不应该被忽视。关于模拟辐射到环境中的热传递的详细内容，请阅读
我们之前的文章：什么是表面发射率？对传热计算有哪些影响？
。
此外，还会有内表面之间
辐射传热
。表面之间的辐射热通量是温差四次方的函数。请记住，在 20℃ 和 50℃ 时，两个表面之间的辐射热传递最多为每平方米 200 瓦，但在 20℃ 和 125℃ 时，会上升到每平方米 1000 瓦。为了正确计算表面与表面之间的辐射热传递，使用传热模块
计算角系数
也很重要。
今天我们介绍了几种模拟对流的方法。首先，介绍了使用恒定对流传热系数的最简单方法。然后，讨论了使用经验对流相关边界条件，以及如何使用域和等温域特征内的有效热导率，这个方法的计算精度更高但计算成本较高。
计算成本最高的方法是什么？显然是最通用的直接计算流场。
此外，我们还谈到了什么时候完全忽略自然对流是合适的，以及如何模拟这种情况。现在，你应该学会了如何使用 COMSOL 模拟自然对流和强制对流了吧，并对权衡使用不同的方法有了更深入的理解。祝您建模愉快！
本文内容来自 COMSOL 博客
当前暂无评论，小编等你评论哦！