COMSOL Multiphysics® 5.4 Release Highlights


Heat Transfer Module Updates

Heat Transfer 모듈 사용자를 위해 COMSOL Multiphysics® 버전 5.4는 표면 대 표면 복사 모델링을 위한 확산-거울반사 혼합 및 반투명 표면, 얇은 구조물에서의 열 전달, participating media 인터페이스에서의 복사 모델링을 위한 더 많은 기능을 보유하고 있습니다. 이러한 열 전달 기능들에 대해서 살펴보고자 한다면 아래의 내용들을 보시기 바랍니다.

Inflow Mixed Diffuse-Specular Reflections and Semitransparent Surfaces

광선-조사 (ray-shooting) 방법에 기반으로 한 뷰 팩터(view factor) 계산을 위한 새로운 알고리즘은 반투명 표면에서의 반사 및 전달뿐만 아니라 혼합된 확산-거울반사를 처리할 수 있습니다. 거친 표면은 확산 반사(diffuse reflection)라고 알려진 입사 방향과 무관하게 입사 광선을 모든 방향으로 무작위로 반사하는 경향을 보입니다. 마치 거울과 같은 매끄러운 표면은 거울 반사(specular refection)라고 알려진 반사각이 입사각과 동일한 반사 법칙에 따라 입사 광선을 반사하는 경향을 가집니다. 확산 반사와 거울 반사의 혼합을 처리하는 새로운 기능은 다양한 표면에 대해 사실적이고 정확한 모델을 만드는데 사용할 수 있습니다. 새 광선-조사 방법은 예를 들어 창 유리와 같이 완전히 불투명하지 않고 입사 광선의 일부만 전송하는 반투명 표면을 모델링 하는 곳에도 사용할 수 있습니다. 이 기능은 거울 반사(Specular Reflection)가 있는 표면 대 표면 복사(Surface-to-Surface Radiation) 모델에서 사용됩니다. Surface-to-Surface Radiation with Specular Reflection 예제에서 이 기능을 살펴볼 수 있습니다.

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입사 광선은 채널의 양면에서 튕겨지는 방사선 비초점 빔(beam)에 의해 유도됩니다 (왼쪽). 서로 다른 구성은 거의 이상적인 거울 표면에서 순수한 확산 표면에 이르기까지 다양한 표면 특성에 해당합니다. 높은 거울 표면의 경우 빔이 사라지기 전에 여러 번 반사되고 순수 확산 표면의 경우 즉시 감쇠됩니다. 오른쪽의 스케치는 거울 표면에 완벽하게 초점을 맞춘 빔(beam)과 유사한 경우를 나타냅니다

입사 광선은 채널의 양면에서 튕겨지는 방사선 비초점 빔(beam)에 의해 유도됩니다 (왼쪽). 서로 다른 구성은 거의 이상적인 거울 표면에서 순수한 확산 표면에 이르기까지 다양한 표면 특성에 해당합니다. 높은 거울 표면의 경우 빔이 사라지기 전에 여러 번 반사되고 순수 확산 표면의 경우 즉시 감쇠됩니다. 오른쪽의 스케치는 거울 표면에 완벽하게 초점을 맞춘 빔(beam)과 유사한 경우를 나타냅니다


Heat Transfer in Thin, Layered Structures

얇은 구조물에서의 열 전달을 위한 기능은 적층된 쉘을 모델링 할 수 있는 강력한 기능을 가지고 굉장히 확장되었습니다. 적층 구조물은 새로운 Layered Material 기능을 사용하여 정의됩니다. 이 기능은 파일로부터 적층 구조물 구성을 불러오거나 파일로 저장할 수 있으며, Layer Cross Section Preview 기능 및 Layer Stack Section Preview 기능을 포함하고 있습니다. 각 층은 재료 특성, 고유 회전, 두께 및 유한 요소 이산화 설정이 지정됩니다. 또한 각각의 얇은 층(thin layer) 사이의 계면에 별도의 계면 속성을 할당할 수 있습니다. 일괄 모델링(lumped modeling) 방법을 위한 옵션 도구는 두께 방향으로의 온도 구배가 없는(thermally thin) 또는 있는(thermally thick) 구조물의 계산 비용을 줄이기 위해 사용할 수 있습니다. 새로운 Layered Material 데이터셋을 사용하면 원래 3차원 구조물로 모델링한 것처럼 얇게 적층된 구조물에서의 결과들을 시각화 할 수 있습니다.

새로운 기능은 쉘, 얇은 층, 박막(thin films) 및 균열 분석을 위한 기능을 포함한 모든 열 전달 인터페이스에서 사용할 수 있습니다. AC / DC 모듈과 결합하면, 새로운 다중물리 연계 기능으로 적층 구조에서의 전자기 가열 및 열전 효과 모델링이 가능합니다. Composite Materials 모듈과 결합하면 새로운 다중물리 기능을 사용하여 적층 구조에서 열팽창을 모델링 할 수 있습니다.

다음 모델들에서 이러한 기능을 확인 할 수 있습니다.

  • aluminum_extrusion_fsi
  • double_pipe_heat_exchanger
  • finned_pipe
  • electronic_enclosure_cooling
  • heating_circuit
  • parasol_and_solar_irradiation
  • shell_and_tube_heat_exchanger
  • urface_mount_package
  • vacuum_flask_llmatlab
  • disk_stack_heat_sink
  • composite_thermal_barrier (New)
  • copper_layer

발열 회로에서 다중 물리 모델은 열 전달, 전류 및 구조막 물리현상을 조합해서 얇은 적층 재료에 대한 새로운 기능을 사용하여 정의됩니다.

발열 회로에서 다중 물리 모델은 열 전달, 전류 및 구조막 물리현상을 조합해서 얇은 적층 재료에 대한 새로운 기능을 사용하여 정의됩니다.


Extended Capabilities for Radiation in Participating Media

Radiation in Participating Media 인터페이스에 탁월한 개선이 이루어졌습니다. 반투명 재료의 산란 복사 특성을 제어하는 새로운 옵션이 제공됩니다. 산란 특성은 소위 Henyey-Greenstein 위상 함수라고 불리는 것에 의해 정의됩니다. 또한 몇 가지 새로운 구적법(quadrature) 옵션을 사용할 수 있으며, 8에서 512까지 이산 좌표(discrete ordinates) 수를 제어 할 수 있으므로 정확도와 계산 속도 간의 균형을 상세하게 제어 할 수 있습니다. Radiative Cooling of a Glass Plate 모델에서 이러한 기능이 사용된 것을 볼 수 있습니다.

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Surface-to-Surface Radiation with Wavelength-Dependent Material Properties

Surface-to-Surface Radiation 인터페이스는 파장에 종속된 물질 특성을 모델링 하기 위해서 스펙트럼 밴드를 임의의 수만큼 지원합니다. 또한 다중 스펙트럼 밴드(multiple spectral band)가 사용될 때 편리성을 향상시키기 위해서 사용자 인터페이스가 재설계되었습니다. 다중 스펙트럼 밴드를 사용하여 스펙트럼 밴드 당 하나의 값을 가지는 파장 종속 함수 또는 표로부터 표면 방사율과 같은 물성을 정의할 수 있습니다. 파장에 따른 표면 특성에 대한 정확한 설명은 복사 냉각과 같은 설정에 대한 시뮬레이션의 정확도를 높입니다. 이 기능은 Sun’s Radiation Effect on Two Coolers Placed Under a Parasol 모델에서 확인 할 수 있습니다.

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Radiation in Absorbing-Scattering Media Interface — Light Diffusion Equation

새로운 Radiation in Absorbing-Scattering Media 인터페이스는 반투명 매질에서 복사의 전파, 흡수 및 산란 모델링에 대해서 사용할 수 있습니다. 특히 비방출성 매질에서 광 확산을 모델링하는데 매우 적합합니다. Radiation in Participating Media 인터페이스와 유사하게 복사 전달 방정식을 풀지만 방출항은 해석하지 않습니다. 따라서 두 인터페이스는 동일한 이산화 방법(P1 근사 및 이산 좌표 방법)과 산란 옵션을 공유합니다. P1 근사가 사용될 때, 해석 방정식은 광 확산 방정식으로 알려져 있습니다. Light Diffusion in Slab of Particles 모델에서 이러한 기능들이 사용된 것을 볼 수 있습니다.

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Multiphysics Couplings for Heat Transfer with Radiation

이전 버전에서는 모든 열전달 인터페이스 및 별도의 독립형 인터페이스에서 옵션으로 Surface-to-Surface Radiation과 Radiation in Participating Media 기능들을 사용할 수 있었습니다. COMSOL Multiphysics® 버전 5.4에서는 독립형 인터페이스로만 사용할 수 있으며, 새로운 다중 물리 인터페이스를 사용하여 관련 열전달 인터페이스와 결합할 수 있습니다. 이 새로운 모델링 접근법은 Model Builder에서 모델 관리를 단순화합니다.

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Refactoring of Functionalities into Subnodes

더 나은 사용자 환경을 위해 열전달 인터페이스에 여러 가지 기능의 하위 노드가 추가되었습니다. 이들은 각각의 상위 기능의 구성을 변경하는데 사용됩니다. 차후 버전에서는 다음 하위 노드가 해당 주요 기능들을 대체 할 것입니다.

  • Phase Change Material 하위 노드는 유체의 Phase Change Material 특성을 대체하고, 그 기능을 고체와 다공성 매질로 확장합니다. 그리고 상 변화를 모델링 하기 위한 명백한 열 용량 공식을 구현합니다.
  • Convectively Enhanced Conductivity 하위 기능은 Fluid 및 Moist Air 노드 아래에서 사용할 수 있으며, 너셀 수(Nuselt number)에 따른 유체 열 전도도를 향상시켜 대류 열 유속을 고려합니다.
  • Thermal Damage 하위 노드는 Biological Tissue 노드 아래에서 손상 모델을 정의 할 수 있습니다.
  • 열 전달 인터페이스에서 사용할 수 있는 Optically Thick Participating Medium 하위 노드는 높은 광학 두께를 갖는 매질에서 복사 열 전달에 대한 Rosseland 근사를 설명하고, 열 전도도를 향상시켜 복사 효과를 설명하는 데 필요한 설정을 제공합니다.


다음 모델들에서 이러한 새로운 기능을 볼 수 있습니다:

  • continuous_casting
  • cooling_solidification_metal
  • isothermal_box
  • glass_plate
  • conical_dielectric_probe
  • microwave_cancer_therapy
  • tumor_ablation

냉동화물 운송이 목적인 등온 상자에서의 온도 분포. 상 변화 물성은 Phase Change Material 하위 기능을 가진 Fluid 기능을 사용하여 모델링 됩니다.

냉동화물 운송이 목적인 등온 상자에서의 온도 분포. 상 변화 물성은 Phase Change Material 하위 기능을 가진 Fluid 기능을 사용하여 모델링 됩니다.


Heat and Moisture Flow Multiphysics Interface

Heat Transfer > Heat and Moisture Transport 아래에 일련의 새로운 Heat and Moisture Flow 다중 물리 인터페이스가 있어 층류 및 난류에 의한 공기내의 열 전달과 수분 전달 연동이 가능합니다. 서로 다른 인터페이스는 단상 유동 인터페이스의 층류 및 난류 버전을 Heat Transfer in Moist Air와 Moisture Transport in Air 인터페이스와 결합시킵니다. Heat and Moisture, Moisture Flow, Nonisothermal Flow 다중 물리 연동 노드는 난류 유동에 대한 열 및 습윤 벽 함수(wall function)들 뿐만 아니라 난류 혼합을 처리하고, 공기의 유체 유동 방정식에서 물성의 온도 및 수분 함량 의존성을 설명합니다.

증발 식 냉각 모델은 단상 유동, Heat Transfer in Moist Air, Moisture Transport in Air 인터페이스를 결합합니다.

증발 식 냉각 모델은 단상 유동, Heat Transfer in Moist Air, Moisture Transport in Air 인터페이스를 결합합니다.


Heat Transfer in Solids and Fluids Interface

새로운 Heat Transfer in Solids and Fluids 인터페이스는 이전에 Conjugate Heat Transfer 다중 물리 인터페이스에서 전용으로 제공되었던 열 전달 인터페이스를 대체합니다. 이 인터페이스는 모든 도메인에서 기본적으로 활성화된 고체 기능과 기본적으로 선택 항목이 비어 있는 유체 기능을 가지고 있습니다. 이 설정은 열 전달 결합 모델링에 최적화되어 있습니다. 이 인터페이스는 열 전달에서 시작하여 점진적으로 모델을 작성하고, 두 번째 단계로 유동을 도입할 때 사용할 수 있습니다. 이에 대한 것은 Introduction to the Heat Transfer Module PDF 에 있는 chip_cooling 예제에서 설명되어 있습니다.

또한 다음 모델에서 이러한 기능들을 찾을 수 있습니다:

  • light_bulb
  • tin_melting_front
  • finned_pipe
  • windows_thermal_performances
  • electronic_enclosure_cooling

칩 냉각 튜토리얼 에서의 온도 윤곽. 일련의 단계에서 더 많은 기능을 추가하여 모델의 정확성이 점차 개선됩니다. 고체에서의 열 전달만을 포함하는 모델부터 시작하여 모델은 유체 흐름과 마지막으로 표면 대 표면 복사를 포함하도록 확장됩니다.

칩 냉각 튜토리얼 에서의 온도 윤곽. 일련의 단계에서 더 많은 기능을 추가하여 모델의 정확성이 점차 개선됩니다. 고체에서의 열 전달만을 포함하는 모델부터 시작하여 모델은 유체 흐름과 마지막으로 표면 대 표면 복사를 포함하도록 확장됩니다.


Perfectly Insulating Interior Walls

Thermal Insulation 기능은 내부 경계에서 사용할 수 있으며, 완벽한 단열재로 유체 도메인 사이의 얇은 재료를 모델링 하는 데 사용할 수 있습니다. 결과적으로 온도장은 이러한 경계를 가로 질러 불연속적입니다. Thermal Insulation on Internal Boundary 예제에서 이 기능을 볼 수 있습니다.

Ambient Thermal Properties

주위 환경(ambient) 속성은 Definitions 아래 Ambient Thermal Properties 노드에서 정의할 수 있습니다. 이전에 Heat Transfer 인터페이스에서 사용할 수 있었던 Ambient Settings 부분을 포함합니다. 단일 모델에서 여러 Ambient Thermal Properties 노드를 추가할 수 있습니다. 따라서 모델에 열 전달 인터페이스가 없는 경우 주변 환경 특성을 사용할 수 있습니다.

또한 표면 대 표면 인터페이스가 향상되어 선택한 기상 관측소의 날짜와 위치를 포함한 Ambient Thermal Properties을 사용하여 태양 위치를 정의 할 수 있습니다.

시간에 종속적인 주변 환경 특성을 정의하는 Ambient Thermal Properties 노드를 포함하는 모델. 그래프는 시뮬레이션이 실행된 2 일 동안의 주변 온도와 상대 습도를 보여줍니다.

시간에 종속적인 주변 환경 특성을 정의하는 Ambient Thermal Properties 노드를 포함하는 모델. 그래프는 시뮬레이션이 실행된 2 일 동안의 주변 온도와 상대 습도를 보여줍니다.


Default Solver Settings

열 전달을 위한 기본 솔버 설정에 많은 개선이 이루어 졌습니다. 비 등온 유동이 강한 모델의 경우 기본 멀티그리드(multigrid) 전처리 설정이 경우에 따라 계산 속도가 향상된 보다 강건한 설정으로 업데이트되었습니다. 또한, Local Thermal Non-Equilibrium을 포함하는 모델은 더 좋고 빠른 수렴과 함께 결합된 두 온도장 변수를 풀 수 있습니다. 따라서 Nonisothermal Flow 연동 기능이 있는 모든 모델이 업데이트되었습니다.



Improved Default Plots for Temperature Discontinuities

Thermal Contact 또는 Thermal Insulation 기능이 내부 경계에서 활성화 된 경우, 3차원 모델의 Temperature 결과에 기본적으로 추가 표면 결과가 생성됩니다. 이것은 양쪽 각 경계 면에 서로 다른 온도를 표시합니다.

두 개의 다른 각도에서 본 온도분포입니다. 온도가 중앙 경계를 가로 질러 불연속이기 때문에, 온도는 양면에 다른 값을 나타냅니다.

두 개의 다른 각도에서 본 온도분포입니다. 온도가 중앙 경계를 가로 질러 불연속이기 때문에, 온도는 양면에 다른 값을 나타냅니다.

New Tutorial Models

COMSOL Multiphysics® 버전 5.4는 몇 가지 새로운 튜토리얼 모델을 제공합니다.


Isothermal Box

냉동화물 운송이 목적인 등온 상자에서의 온도 분포. 상 변화 물성은 Phase Change Material 하위 기능을 가진 Fluid 기능을 사용하여 모델링 됩니다.

냉동화물 운송이 목적인 등온 상자에서의 온도 분포. 상 변화 물성은 Phase Change Material 하위 기능을 가진 Fluid 기능을 사용하여 모델링 됩니다.

Action on Structures Exposed to Fire — Thermal Stress in a Beam

비선형 물질 특성을 가지고 온도 구배에 노출된 빔의 열 응력. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교 됩니다.

비선형 물질 특성을 가지고 온도 구배에 노출된 빔의 열 응력. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교 됩니다.


Action on Structures Exposed to Fire — Cooling Process

대류 냉각 과정으로 인한 온도변화. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.

대류 냉각 과정으로 인한 온도변화. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.

Action on Structures Exposed to Fire — Heating Process

온도에 따른 열 전도도를 이용한 대류 및 복사에 의한 가열 공정의 온도 분포. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.

온도에 따른 열 전도도를 이용한 대류 및 복사에 의한 가열 공정의 온도 분포. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.


Action on Structures Exposed to Fire — Heat Transfer in Multiple Layers

충진재가 있는 중공 강 부분을 통해 열 전달 영향을 받은 열 속성이 서로 다른 여러 적층에서의 온도 분포. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.

충진재가 있는 중공 강 부분을 통해 열 전달 영향을 받은 열 속성이 서로 다른 여러 적층에서의 온도 분포. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.

Action on Structures Exposed to Fire — Thermal Elongation

규정된 열 변형 기능 사용하여 열 팽창으로 인한 총 변위. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.

규정된 열 변형 기능 사용하여 열 팽창으로 인한 총 변위. 결과는 유럽 표준 DIN EN 1991-1-2의 기준 값과 비교됩니다.


Heating Circuit

적층 쉘(layered shells) 기술을 사용하여 모델링한 12V 전위 강하가 있는 저항 층에서의 열 발생.

적층 쉘(layered shells) 기술을 사용하여 모델링한 12V 전위 강하가 있는 저항 층에서의 열 발생.