مدل‌سازی انتقال حرارت در کامسول
مدل‌سازی انتقال حرارت (Heat Transfer) در نرم‌افزار COMSOL یکی از پرکاربردترین و بنیادی‌ترین حوزه‌هاست که برای تحلیل رفتار حرارتی سیستم‌ها در ابعاد و شرایط مختلف به کار می‌رود. این قابلیت هم به‌صورت مستقل و هم در ترکیب با سایر پدیده‌های فیزیکی (مانند مکانیک جامدات یا جریان سیال) قابل استفاده است.
انواع انتقال حرارت قابل شبیه‌سازی در COMSOL
۱. رسانش حرارتی (Conduction)
انتقال گرما از طریق مواد جامد، مایعات یا گازها در اثر اختلاف دما. معادله پایه، معادله رسانش فوریه است. این مدل برای تحلیل قطعات فلزی، عایق‌ها، بردهای الکترونیکی، و اجزای مکانیکی کاربرد دارد.
۲. جابه‌جایی حرارتی (Convection)
انتقال گرما از طریق جریان سیال، که ممکن است به‌صورت طبیعی (در اثر تفاوت چگالی و دما) یا اجباری (مثلاً با فن یا پمپ) اتفاق بیفتد. COMSOL امکان ترکیب انتقال حرارت با مدل‌های جریان سیال را برای تحلیل دقیق این نوع جابه‌جایی فراهم می‌کند.
۳. تابش حرارتی (Radiation)
انتقال گرما از طریق امواج الکترومغناطیسی، بدون نیاز به محیط مادی. مدل‌های تابش سطح به سطح (surface-to-surface) و محیط به سطح (ambient radiation) در کامسول پشتیبانی می‌شوند. این بخش برای سیستم‌های با دمای بالا یا خلأ مهم است.
۴. انتقال حرارت در محیط‌های متخلخل
در این حالت، ترکیبی از رسانش در جامد و جابه‌جایی در سیال داخل تخلخل‌ها شبیه‌سازی می‌شود. بسیار مناسب برای مدل‌سازی فیلترها، عایق‌های متخلخل یا بسترهای کاتالیستی.
۵. انتقال حرارت گذرا (Transient Heat Transfer)
تحلیل تغییرات زمانی دما در سیستم‌ها، به‌ویژه در فرآیندهای حرارتی که در طول زمان گرم یا سرد می‌شوند (مثل خاموش یا روشن شدن دستگاه‌ها یا حرارت‌دهی کنترل‌شده).
مراحل مدل‌سازی انتقال حرارت در COMSOL
۱. ایجاد یا وارد کردن هندسه
شکل فیزیکی سیستم حرارتی موردنظر تعریف می‌شود.
۲. تعریف خواص مواد
مواردی مانند ضریب هدایت حرارتی، ظرفیت گرمایی ویژه، چگالی، یا وابستگی به دما وارد می‌شوند.
۳. انتخاب نوع فیزیک Heat Transfer
بر اساس نیاز، یکی از محیط‌های "Heat Transfer in Solids", "Fluids", "Multiphysics" یا "Porous Media" انتخاب می‌شود.
-
اعمال شرایط مرزی حرارتی
شامل دمای ثابت، شار حرارتی، تابش، انتقال حرارت جابه‌جایی، و عایق حرارتی. -
شبکه‌بندی (Meshing)
برای حل عددی دقیق، نواحی مدل مش‌بندی شده و به سلول‌های کوچکتر تقسیم می‌شوند. -
تنظیم حل‌گر و اجرای حل عددی
مدل در حالت پایا (Steady-State) یا گذرا (Time-Dependent) حل می‌شود. -
نمایش و تحلیل نتایج
نتایج شامل توزیع دما، نرخ انتقال حرارت، گرادیان دمایی، و نمودارهای زمانی استخراج و تحلیل می‌شوند.
مدل‌های چندفیزیکی (Multiphysics)
-
Heat Transfer + Solid Mechanics: تحلیل تنش‌های حرارتی در قطعات مکانیکی
-
Heat Transfer + CFD: بررسی خنک‌سازی یا گرم شدن در اثر جریان سیال
-
Heat Transfer + AC/DC: مدل‌سازی گرمایش ژولی در سیستم‌های الکتریکی
-
Heat Transfer + Chemical Reactions: بررسی گرمای تولید یا مصرف‌شده در واکنش‌های شیمیایی
کاربردهای رایج
-
طراحی سیستم‌های خنک‌کننده یا گرم‌کننده صنعتی
-
تحلیل عملکرد حرارتی در قطعات الکترونیکی
-
بررسی ایمنی حرارتی در تجهیزات مکانیکی
-
شبیه‌سازی فرآیندهای پخت، خشک‌کردن، انجماد
-
مدل‌سازی عایق‌های حرارتی و تبادل‌کننده‌های حرارت
جمع‌بندی
مدل‌سازی انتقال حرارت در COMSOL به‌واسطه محیط کاربرپسند و توانایی بالای ترکیب با دیگر پدیده‌ها، برای تحلیل دقیق شرایط حرارتی در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی بسیار کاربردی است. این ماژول به کاربران این امکان را می‌دهد تا از شبیه‌سازی‌های ساده یک‌بعدی تا مدل‌های پیچیده سه‌بعدی و چندفیزیکی را با دقت بالا پیاده‌سازی کنند.
