Comsol 求解热传导方程

关键词：相变传热；多孔介质；仿真模拟[相变传热‌是指物质在相变过程中所吸收或释放的热量。]相变是物质由一种物态转变为另一种物态的过程，包括液态向固态的凝固、气态向液态的凝结、固态向气态的升华以及液态向气态的汽化等。‌热流Es|供稿小苏|编辑赵佳乐|审核多孔介质相变传热多孔介质[多孔介质是由多相物质所占据的共同空间，也是多相物质共存的一种组合体]，没有固体骨架的那部分空间叫做孔隙，由液体或气体或气液两相共同占有，相对于其中一相来说，其他相都弥散在其中，并以固相为固体骨架，构成空隙空间的某些空洞相互连通。多孔介质内的流体以渗流方式运动，研究渗流力学涉及的多孔介质的物理-力学性质的理论就成为渗流力学的基本组成部分。多孔介质的主要物理特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。多孔介质内的微小空隙可能是互相连通的，也可能是部分连通、部分不连通的。图1a.多孔介质材料相变传热‌相变传热的特征主要包括工质比体积变化较大和汽化潜热‌。在相变过程中，工质的体积会经历显著的变化，这种变化是由于物质状态从液态变为气态或从气态变为液态时，体积的巨大差异所导致的。此外，相变传热还伴随着汽化潜热的释放或吸收，这是相变材料在状态变化时吸收或释放的大量热量。相变传热在许多领域有广泛应用，特别是在建筑隔热和电子散热中。在建筑领域，相变材料可以通过吸收和释放热量来调节室内温度，减少空调和供暖的需求。在电子设备中，相变材料用于散热片，帮助管理高温，保护电子元件不受过热损害。‌‌图1b.相变传热应用设备物理场建模多孔介质三维模型如图2所示。计算过程需设置多孔介质材料的孔隙率、导热系数、比热容和密度，为保证结果准确性，材料参数从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。图2.几何模型图3.材料参数物理场边界条件多孔介质传热边界条件（1）多孔介质设置多孔基体和流体材料；（2）流体材料设置相变材料，设置相变潜热、相变指示器以及相变前后冰与水的材料参数；（3）多孔介质初始温度263.15K；（4）左侧边界设置温度边界，温度数值取283.15K；（5）其余边界设置热绝缘。图4.物理场边界条件根据有限元法求解原理，网格剖分越精细，计算结果求解越准确。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，计算过程采用四面体网格对多孔介质模型进行划分，具体网格分布如图5所示。图5.计算网格结果展示采用瞬态全耦合求解器进行求解，通过计算得到不同时刻（0min、30min、60min、90min、120min）多孔介质温度、等温线及相变特性分布，所选截线温度和相变特性分布如下图所示。图6.不同时刻多孔介质温度分布图7.不同时刻多孔介质等温线分布图8.不同时刻多孔介质相指示器分布图9.不同时刻所选截线温度分布图10.不同时刻所选截线相指示器分布来源：Comsol有限元模拟