COMSOL Multiphysics® 5.3a Release Highlights



Heat Transfer Module Updates


Heat Transfer 모듈 사용자의 경우, COMSOL Multiphysics® 버전 5.3a는 상류 온도 및 압력을 고려한 Inflow 경계 조건, 대기 중 수분 이동 모델링을 위한 완벽한 다중 물리 연동, 흡수 매체에서의 복사 빔 모델링을 위한 새로운 인터페이스를 제공합니다.

New Boundary Condition: Inflow

새로운 Inflow 경계조건은 알려진 상류 조건과 함께 분석을 단순화하기 위해 모델에서 제외된 가상 도메인에서 유입되는 열 유입을 적용할 수 있습니다. 이전 버전에서 Temperature 경계조건을 적용한 입구에 적용된 유입 조건은 상류 현상으로부터의 온도 및 압력을 설명합니다. 또한 입구의 인접한 모서리(혹은 2D의 점)의 온도를 제한하지는 않지만, 대신 상류 조건과 일치하는 열 유속을 지정합니다. 전반적으로 이것은 보다 정확하고 사실적인 물리적 모델을 유도합니다. 어플리케이션 라이브러리의 모든 적용 가능한 모델이 이 경계조건을 이용하도록 업데이트 되었습니다.

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Moisture Flow Multiphysics Coupling

습기 이동을 관리하는 것은 전자제품 포장이나 건축 물리학을 포함한 많은 분야에서 중요합니다. COMSOL Multiphysics® 버전 5.3a는 열 전달, 습기 이동 및 유체 흐름을 모델링 하기 위한 완벽한 다중 물리 연동 기능들을 제공하여, 현실 세계에서의 열과 습기 이동을 빠르고 쉽게 모델링 할 수 있게 합니다.

이전 배포 판에 포함된 습기 모델링 기능이 확장되어, 새로운 Moisture Flow 멀티피직스 연동 노드는 이제 층류 및 난류 유동에 의한 대기 중 수분 이동을 모델링 할 수 있습니다. 이 노드는 Single-Phase Flow 인터페이스의 층류 및 난류 버전을 Moisture Transport in Air 인터페이스와 결부 시킵니다. Chemical Species Transport 분기에 있는 Moisture Flow 연동의 한 가지 이점은 난류 유동에 대한 난류 혼합 및 수분 벽 기능을 처리한다는 점입니다. Nonisothermal Flow와 Heat and Moisture 다중 물리 연동이 연계되면, 건축 자재 및 습한 공기에서 열과 습기 모델링을 위한 완전하고 포괄적인 기능들을 갖게 됩니다. 완전한 다중 물리 결합을 구현하려면, 제일 먼저 Heat and Moisture Transport 연동의 Moist Air 버전을 추가합니다. 그 다음으로, 층류 또는 난류 단상 유동 인터페이스를 추가합니다. 마지막으로, Nonisothermal Flow 및 Moisture Flow 멀티피직스 연동을 추가합니다. 각각의 다중 물리 결합을 추가 할 때 소프트웨어는 자동으로 적절한 단일 물리 인터페이스를 결합시킵니다

관련된 멀티피직스 연동에서 Heat Transfer, Single-Phase Flow, 그리고 Moisture Transport 인터페이스 표현

관련된 멀티피직스 연동에서 Heat Transfer, Single-Phase Flow, 그리고 Moisture Transport 인터페이스 표현

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Irreversible Transformation in Solids

Solid 도메인 노드 아래의 고체 열 전달에 사용할 수 있는 Irreversible Transformation 속성 기능은 열적 비가역 현상을 모델링할 수 있는 기능을 확장했습니다. 응용 프로그램에는 고체 연소 및 용융에 대한 현상학적 모델링이 포함됩니다. 이전에 명명된 Energy absorption 변환 모델은 Arrhenius kinetics로 명칭이 변경되었으며, 임의의 차수 n의 Arrhenius 동역학 방정식에 대한 다항식을 지정하는 옵션을 사용하여 반응 속도에 대한 더 많은 구성을 설정할 수 있습니다.
또한 속성 특성에는 변환 모델에 대한 새 User defined 옵션이 있습니다. 이 옵션을 사용하면 Fraction of transformation를 설정할 수 있습니다. 이 새로운 옵션은 사전 정의된 변환 모델이 사용자의 모델에 맞지 않거나, 별도의 사용자 정의 물리 또는 수학 인터페이스로 변환 비율을 얻은 경우 특히 유용합니다. 사용자 정의 옵션을 사용하면 에너지 균형에서 열의 발생이나 손실을 고려하여 엔탈피 변화를 지정하고, 변환된 상태에 대해 서로 다른 열적 특성을 정의할 수 있습니다.

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Modeling of Thermal Contact by an Equivalent Thin Resistive Layer

열 접촉 모델에 대해 새로운 Equivalent thin resistive layer 옵션을 사용하여 열 접촉을 모델링 할 수 있습니다. 이 옵션을 사용하면 유효 열 접촉 전도도를 기반으로 열 접촉을 정의할 수 있습니다. 이는 유효 열 접촉 전도도가 열 측정으로 알려진 경우나, 다른 접촉 모델에서 필요한 표면 특성을 알 수 없는 경우에 유용합니다. 이 옵션은 레이어 전도도, 레이어 저항 또는 레이어 열 전도율과 두께를 지정하여 레이어 전도도를 정의하는 세 가지 방법을 제공합니다.

Thermal Contact 노드의 새로운 Equivalent thin resistive layer 옵션.

Thermal Contact 노드의 새로운 Equivalent thin resistive layer 옵션.


Heat Transfer Coefficients Library for Arbitrary Fluids

계수 라이브러리에서 사용할 수 있는 열 전달 계수 값들은 다양한 환경 설정에 대해 정의되며, 모델의 일부가 아닌 외부 유체 흐름으로 인해 가열 또는 냉각을 묘사하는 데 사용됩니다. 이전에는 유체 물성치의 선택이 공기, 물 또는 변압기 오일로 제한되었습니다. COMSOL Multiphysics® 버전 5.3a의 출시와 함께 열 전달 계수가 상관 관계에 의해 정의될 때, 외부 유체에 대한 두 가지 새로운 옵션 – Moist air 와 From material – 이 도입되었습니다.
Fluid 옵션이 Moist air 로 설정될 때 상관 관계를 정확하게 정의하려면 외부 상대 습도를 지정 해야 합니다. Fluid 옵션이 From material로 설정되면 Materials 노드에서 사용 가능한 물질을 선택할 수 있습니다. 그런 다음 해당 물성치 특성을 사용하여 선택한 구성에 대한 열 전달 계수를 정의합니다.

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Improved Capabilities for Heat and Moisture Transport

Latent Heat Sources

Heat and Moisture Transport 멀티피직스 연동은 Heat Transfer과 Moisture Transport 인터페이스를 결합합니다. 증발 또는 응축이 발생하면 대량의 에너지가 흡수 또는 방출 될 수 있으며, 이는 모델에 포함시키는 데 중요한 인자가 될 수 있습니다. 새로운 Evaporation 섹션에서 사용할 수 있는 Contributes to evaporation flux 확인란을 선택하여, Moisture flux 경계 노드에서 증발량과 관련 잠열을 계산할 수 있습니다.
또한, Heat and Moisture 멀티피직스 연동 인터페이스에 대한 업데이트는 Moisture Transport 인터페이스에 의해 유도된 잠열 원천에 대한 정의를 자동화합니다. 증발 또는 응축에 의해 유도되고 Wet Surface, Moist Surface 또는 Moisture Flux 노드로 정의되는 열 유속은 해당 경계의 열 전달 방정식에 추가됩니다. Include latent heat source on surfaces 확인란은 이 거동이 포함된 Heat and Moisture 노드의 새로운 Latent 부문에서 사용 할 수 있습니다.

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Moisture Transfer Coefficients

대류 열 유속과 유사하게, 습기 유속은 다수의 환경에 대해 확립된 너셀(Nusselt) 상관 관계로부터 정의 될 수 있습니다. COMSOL Multiphysics® 및 Heat Transfer 모듈의 버전 5.3a를 사용하면,열과 질량 경계층 추정을 사용하여 습기 유속을 정의 할 수 있습니다. 따라서, Heat Flux 노드에서 다른 형상과 유체 흐름 설정에 사용할 수 있는 모든 상관 관계가 이제 대류 습기 유속을 정의하기 위한 Moisture Flux 노드에서도 사용할 수 있습니다. 또한 모델에 열 전달 인터페이스가 있는 경우 수분 전달 계수 정의를 수동으로 정의하는 대신, Heat Flux 노드에 정의된 열 전달 계수에 연결(link)할 수 있습니다.

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Radiative Beam in Absorbing Media Interface with Beer-Lambert Law

레이저 광선과 같은 특정 방향으로만 전파되는 집중된 전자기 복사는 부분적으로 투명한 물질로 침투하면서 점진적으로 흡수되어 물질 자체에 에너지를 축적합니다. 굴절된 복사 빔의 흡수를 위한 고전적이고 효율적인 계산 모델은 베르-람베르트 법칙(Beer-Lambert law)입니다. 새로운 Radiative Beam in Absorbing Media 물리 인터페이스는 관련 이미지에서 볼 수 있듯이 흡수 매질 속성과 다중 입사 광선에 대한 옵션을 정의하는 기능을 제공합니다. 이 공식은 축적되는 열의 길이 척도가 어떤 간섭 패턴보다 훨씬 더 큰 값을 가지는 한, 일정한 광원뿐만 아니라 일정하지 않은 광원에서도 유효합니다. 또한, 열을 생성하는 모든 방사 강도를 흡수하는 불투명 벽을 지정하거나 경계에서 에너지를 축적하지 않고, 복사 강도를 나가게 하는 투명 경계를 정의할 수 있습니다.

흡수 매체의 벌크에서 서로 교차하는 다른 전파 방향을 갖는 두 개의 입사 광선을 갖는 Radiative Beam in Absorbing Media 인터페이스를 포함한 모델.

흡수 매체의 벌크에서 서로 교차하는 다른 전파 방향을 갖는 두 개의 입사 광선을 갖는 Radiative Beam in Absorbing Media 인터페이스를 포함한 모델.


Time-Dependent Climate Data Improvements

최신 버전의 ASHRAE 기후 데이터베이스인 Weather Data Viewer 버전 6.0은 이제 Heat Transfer 인터페이스의 Ambient Settings 부분에서 주변 변수를 정의하는 데 사용할 수 있습니다. 미국 난방 냉난방 기술자 협회(ASHRAE)의 ASHRAE 2017 핸드북에 나와 있는 월간 및 시간 별 평균 측정치는 전 세계 약 8000 개의 기상 관측소에서 사용할 수 있습니다. 또한 주변 환경 설정 부분이 더 쉽게 탐색하고 기상 관측소 목록을 검색 할 수 있도록 개선되었습니다(관련 이미지 참조).

Heat Transfer 인터페이스의 Ambient Settings 부분에서 주변 변수 정의에 대한 새로운 Climate data (ASHRAE 2017) 옵션

Heat Transfer 인터페이스의 Ambient Settings 부분에서 주변 변수 정의에 대한 새로운 Climate data (ASHRAE 2017) 옵션


Heat Transfer in Shape Memory Alloys

형상기억합금의 변형은 온도와 매우 관련이 깊습니다. 구조의 변화가 발생(Austenite ↔ Martensite)하면 에너지를 흡수하거나 배출하면서 합금의 열적 정보의 변화가 발생합니다. 열전달 인터페이스에서 Shape Memory Alloy 설정은 마텐사이트와 오스테나이트의 부피 변화율을 설명합니다. 유효 열적 재료 정보는 각 상에서 열적 재료 정보로 정의합니다. Shape Memory Alloy 설정은 Nonlinear Structural Materials Module에 포함됩니다. 형상기억합금을 모델에 포함하고자 한다면 Heat Transfer 인터페이스에서 Heat transfer in alloys 기능을 활성화 해주어야 합니다. Shape Memory Alloy기능은 Domain 경계 설정에서 제공합니다.

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Shell Version of the Geometry Parts for Heat Sinks

얇은 쉘 에서의 열 전달 모델링은 모델의 계산 비용을 줄이기 위한 중요하고 유용한 도구입니다. 이 사실을 인지하여, Heat Transfer 모듈의 Part Library는 핀, 직선 핀 또는 경계선이 서로 다른 차원의 핀이 있는 방열 판 전용의 다른 매개 변수화된 형상 부품의 쉘 버전을 포함하도록 업데이트되었습니다. 이 새로운 구성은 계산 비용을 줄이기 위해 표면으로 표현함으로써 얇은 구조물의 두께를 격자화 하는 것을 피할 수 있는 형상에 맞게 맞춤화되었습니다. 열 전달을 위한 Thin Layer 기능과 유체 흐름을 위한 Interior Wall 기능이 이러한 쉘 경계에서 사용될 수 있습니다.

히트 판 부품에서 생성 된 모서리를 가진 3D 핀(왼쪽) 또는 쉘 핀(오른쪽) 방열 판.

히트 판 부품에서 생성 된 모서리를 가진 3D 핀(왼쪽) 또는 쉘 핀(오른쪽) 방열 판.


New and Improved Electromagnetic Heating Multiphysics Coupling

새로운 Electromagnetic Heating 멀티피직스 연동 노드는 전자기 및 열전달 물리 인터페이스를 결합하는 모델의 설정을 단순화합니다. Electromagnetic Heat Source, Boundary Electromagnetic Heat Source 및 Temperature Coupling 노드를 통합하여 동일한 기능을 가진 단일 노드로 대체합니다. 이 노드로 열 전달 방정식에서 표면 전자기 열원에 대해서는 경계 부분을, 체적 전자기 열원에 대해서는 도메인을 선택할 수 있습니다. 또한, 열 전달 인터페이스에 의해 계산된 온도를 전자기 인터페이스에 전달합니다. 온도 결합은 자동으로 되며, Domain Selection 및 Boundary Selection 부분(관련 이미지에 표시됨)을 사용하면 결합이 활성화된 대상을 제어할 수 있습니다. 이 기능은 줄 가열, 유도 가열, 마이크로파 가열 또는 레이저 가열과 같은 전자기 가열을 모델링하는 데 사용됩니다. 유도, 마이크로 웨이브 또는 레이저 가열에는 추가 모듈이 필요합니다.

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Thermoelectric Effect Multiphysics Coupling

새로운 Thermoelectric Effect 멀티피직스 연동 노드는 열 전달 방정식에서 체적 및 표면 열전 열원을 모두 고려합니다. 또한, 이것은 도메인 및 경계상의 온도 차이로 인한 열전 효과의 기여도를 전류 밀도에 추가합니다. 펠티에(Peltier), 제벡(Seebeck) 또는 톰슨(Thomson) 효과 모델링을 위한 Thermoelectric Effect 및 Boundary Thermoelectric Effect 노드를 대체합니다. Thermoelectric Effect 멀티피직스 연동 기능은 새로운 Electromagnetic Heating 멀티피직스 연동 노드와 함께 열전 효과 다중 물리 인터페이스의 기본 특징입니다.

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Buoyancy-Induced Turbulence

부력은 유체에 체적력을 부여함으로써 자연스럽게 불안정성을 야기할 수 있습니다. 결국, 이러한 불안정성으로 유동은 복잡해지고 난류가 시작됩니다. CFD 모듈의 부력 모델링에 사용되는 Gravity 기능에는 해당 확인란을 선택하여 부력으로 인한 난류를 계산하는 옵션이 포합됩니다. 난류 유동에 대한 이러한 기여는 Nonisothermal Flow 멀티피직스 연동 또는 사용자 정의에 의한 난류 슈미트(Schmidt) 수로부터 자동으로 정의될 수 있습니다.

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Inlet Boundary Condition for Fully Developed Turbulent Flow

완전 발달된 난류 유동에 대한 Inet 경계조건은 입구 단면이 일정한 길이에서 유동이 완전 발달되었다고 가정할 때, 입구 단면에서의 속도 프로파일과 난류 변수값을 제공합니다. 이전 버전의 COMSOL® 소프트웨어에서는 횡단면 속도 프로파일을 적절하게 추정하기 위해 채널의 형상이 매우 긴 입구 단면을 모델링 해야만 하였습니다. 새로운 경계조건은 추가 형상이 필요 없이 매우 정확한 입구 프로파일을 제공함으로 계산 리소스가 감소합니다.

별 모양의 단면을 갖는 노즐의 입구는 완전 발달된 난류 유입 조건을 사용하여 모델링 됩니다.

별 모양의 단면을 갖는 노즐의 입구는 완전 발달된 난류 유입 조건을 사용하여 모델링 됩니다.


New Tutorial Model: Buoyancy Flow in Air

새로운 공기 부력 유동(Buoyancy Flow in Air) 튜토리얼 모델은 공기로 채워진 두 개의 수직 평판으로 묶인 공동에서 정상 상태 자유 대류를 해석합니다. 두 평판은 서로 다른 온도로 유지되어 공기 영역에서 부력 흐름을 유도합니다. 작동 조건은 유동 영역이 층류로 정의합니다. 이 모델에는 2D와 3D의 두 가지 구성 요소가 포함되어있어, 모델에 자연 대류를 포함할 수 있는 기본 사항들을 제공합니다.
이 모델은 기존의 물에서 부력 흐름과 유사한 방식으로 제작되었습니다. 두 모델의 주요 차이점은 이상 기체 법칙을 사용하여 모델화된 공기 밀도는 온도와 압력에 의존한다는 것입니다.

두 수직 벽면의 온도 차가 10K 일 때 부력에 의해 유도되는 온도 분포(등온선) 및 속도 장(화살표)

두 수직 벽면의 온도 차가 10K 일 때 부력에 의해 유도되는 온도 분포(등온선) 및 속도 장(화살표)

Application Library path:

Heat_Transfer_Module/Tutorials_Forced_and_Natural_Convection/buoyancy_air

New Tutorial Model: Laminar Nonisothermal Flow in a Circular Tube

이 새로운 검증 예제 모델은 2차원 축대칭 형상을 사용하여 원형 튜브에서 속도, 압력 및 온도 분포를 계산합니다. 작동 조건은 층류에 해당합니다. 이 비 등온 유동 상태는 잘 해석되었으며, 유체와 벽 사이의 열 유속은 실험적으로 측정되었습니다. 관련 그림은 발표된 너셀 수를 기반으로 한 것과 시뮬레이션에서 추론된 열 전달 계수의 비교를 보여줍니다. 시뮬레이션 결과는 실험 측정과 잘 일치합니다.

온도에 대한 수치 해(적색)와 너셀 수(녹색과 파란색)의 상관 관계로부터 구한 열 전달 계수 비교

온도에 대한 수치 해(적색)와 너셀 수(녹색과 파란색)의 상관 관계로부터 구한 열 전달 계수 비교

Application Library path:

Heat_Transfer_Module/Verification_Examples/circular_tube_nitf_laminar

New Tutorial Model: Turbulent Nonisothermal Flow over a Flat Plate

이 새로운 검증 예제 모델은 평판에 대한 속도, 압력 및 온도 분포를 계산합니다. 유동이 난류이고 완전히 발달했을 때 평판의 고온 영역에 도달합니다. 공기 유동과 평판 사이의 열 전달 계수는 실험적으로 측정되었으며, 다른 너셀 수를 기반으로 한 상관 관계를 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과는 게시된 데이터와 잘 일치합니다.

온도 수치 해(실선)와 너셀 수(점선)의 상관 관계에서 얻은 열 전달 계수 비교

온도 수치 해(실선)와 너셀 수(점선)의 상관 관계에서 얻은 열 전달 계수 비교

Application Library path:

Heat_Transfer_Module/Verification_Examples/flat_plate_nitf_turbulent

New Tutorial Model: Dynamic Wall Heat Exchanger

발표된 논문에서 영감을 얻은 동적 벽 열 교환기(Dynamic Wall Heat Exchanger) 예제 모델은 진동하는 파동 모양의 변형 벽을 사용한 덕분에 성능이 향상된 소형 열 교환기를 보여줍니다. 벽 진동은 유체 내에서의 혼합을 유도하고 열 경계층의 형성을 감소시킵니다. 또한, 파동 형태의 변형은 연동 펌핑과 유사한 펌핑 효과를 유도하여 압력 손실을 완화시킵니다. 이 모델에는 벽과 채널 변형을 처리하기 위해 Conjugate Heat Transfer 멀티피직스 연동과 이동 격자 기능이 포함됩니다. 열 교환기를 지나면서 변하는 압력 강하와 전체 열 전달 계수는 정적 및 동적 열 교환기에 대해 계산됩니다.

동적 열 교환기 채널의 온도 분포

동적 열 교환기 채널의 온도 분포

Application Library path:

Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/Dynamic_wall_heat_exchanger