آموزش نرمافزار COMSOL Multiphysics برای مدلسازی انتقال حرارت
COMSOL Multiphysics یکی از قدرتمندترین نرمافزارهای شبیهسازی چندفیزیکی است که ماژول Heat Transfer in Solids and Fluids آن، امکان مدلسازی دقیق تمام مکانیزمهای انتقال حرارت (هدایتی، جابجایی و تشعشعی) را فراهم میکند. در ادامه یک آموزش گامبهگام و کاربردی برای شروع کار با ماژول انتقال حرارت ارائه میشود.
گام ۱: نصب و راهاندازی
- آخرین نسخه COMSOL (در حال حاضر ۶.۲ یا ۶.۳ در سال ۱۴۰۴) را از سایت رسمی دانلود و نصب کنید.
- حتماً ماژول Heat Transfer را در زمان نصب انتخاب کنید.
گام ۲: ایجاد پروژه جدید
- COMSOL را باز کنید → New → Model Wizard
- فضای ابعاد را انتخاب کنید: 3D، 2D Axisymmetric یا 2D
- در بخش Physics این مسیر را دنبال کنید: Heat Transfer → Heat Transfer in Solids and Fluids (ht)
- نوع مطالعه (Study) را انتخاب کنید:
- Stationary → حالت پایدار
- Time Dependent → حالت گذرا
گام ۳: ترسیم یا وارد کردن هندسه
- Geometry
- میتوانید با ابزارهای داخلی COMSOL (Block, Cylinder, Union, Difference و …) هندسه بسازید.
- یا فایل CAD (STEP, IGES) و یا مش آماده وارد کنید.
گام ۴: تعریف مواد و خواص حرارتی
Materials
- از کتابخانه داخلی COMSOL ماده مورد نظر را انتخاب کنید (مثلاً Copper, Aluminum, Water, Air).
- خواص مهم برای انتقال حرارت:
- Density (ρ)
- Heat capacity at constant pressure (Cp)
- Thermal conductivity (k)
- برای سیالات: Dynamic viscosity (μ) و Coefficient of thermal expansion (β) در جابجایی طبیعی
گام ۵: اعمال فیزیک انتقال حرارت
Heat Transfer in Solids and Fluids مهمترین گرهها (Node) و تنظیمات:
- Heat Transfer in Solids → فقط برای جامدات
- Heat Transfer in Fluids → برای سیالات
- اگر هم جامد و هم سیال دارید، هر دو فعال میشوند.
ویژگیهای مهم:
- Heat Flux → شار حرارتی ورودی/خروجی (W/m²)
- Temperature → دمای ثابت روی مرز
- Convective Heat Flux → جابجایی اجباری با ضریب h
- Surface-to-Surface Radiation → تشعشع بین سطوح (ε و T∞ لازم است)
- Heat Source → منبع حرارتی حجمی (W/m³) یا خطی (W/m)
- Thermoelectric Effect → اگر اثر پلتیه یا سیبک دارید
گام ۶: انواع جابجایی (Convection)
- Forced Convection: خودتان ضریب h را وارد کنید یا از Correlations استفاده کنید.
- Natural Convection: گزینه Non-Isothermal Flow (NITF) را فعال کنید تا COMSOL خودش میدان سرعت را با معادلات بوسینسک حل کند.
گام ۷: مشبندی (Mesh)
- برای مسائل انتقال حرارت، مش ریزتر در نزدیکی دیوارهها (Boundary Layer Mesh) بسیار مهم است.
- Physics-controlled mesh → معمولاً گزینه Normal یا Finer کافی است.
- در مسائل جابجایی طبیعی یا تشعشع، مش Fine یا Extra Fine بهتر است.
گام ۸: تنظیمات مطالعه (Study)
- Stationary: فقط یک بار حل میشود.
- Time Dependent: بازه زمانی و گام زمانی را مشخص کنید (مثلاً از ۰ تا ۱۰۰۰ ثانیه با گام ۱۰ ثانیه).
- اگر هم هدایت و هم جابجایی طبیعی دارید، حتماً گزینه Include gravity را تیک بزنید.
گام ۹: حل (Compute)
دکمه Compute (F8) را بزنید. زمان حل بسته به پیچیدگی از چند ثانیه تا چند ساعت متغیر است.
گام ۱۰: پسپردازش و نتایج (Results)
مهمترین نمودارها و پلاتها:
- Surface Plot → توزیع دما روی سطح
- Slice Plot → برشهای داخلی
- Isothermal Contours → خطوط همدما
- Arrow Surface → بردارهای شار حرارتی
- Streamline → خطوط جریان سیال در جابجایی
- Surface-to-Surface Radiation → شار تشعشعی خالص
برای استخراج عدد:
- Derived Values → Global Evaluation → Average temperature, Total heat flux, Heat transfer rate (W)
مثال عملی ساده: خنککاری یک چیپ الکترونیکی
هندسه: یک بلوک آلومینیومی ۵۰×۵۰×۱۰ میلیمتر که روی آن یک منبع حرارتی ۱۰×۱۰ میلیمتر با توان ۲۰ وات قرار دارد. هوا با دمای ۲۵ درجه اطراف آن جریان دارد.
مراحل سریع:
- 3D → Heat Transfer in Solids and Fluids + Non-Isothermal Flow
- بلوک آلومینیوم + منبع حرارتی کوچک
- ماده بلوک: Aluminum، محیط: Air
- روی سطح بالایی منبع حرارتی: Heat Source → ۲۰ W (W) در حجم کوچک
- تمام سطوح خارجی بلوک: Heat Flux → h = ۱۰ W/m²·K, T∞ = 298 K
- مش Fine + Boundary Layer در سطوح
- Study → Stationary
- Compute → حداکثر دما حدود ۸۵–۸۵ درجه به دست میآید.
نکات طلایی برای کاربران فارسیزبان
- زبان رابط COMSOL را میتوانید به English نگه دارید چون آموزشهای فارسی بسیار کم است.
- ویدئوهای یوتیوب با کلیدواژههای زیر بسیار مفیدند:
- “COMSOL heat transfer tutorial”
- “COMSOL conjugate heat transfer”
- “COMSOL radiation tutorial”
- گروههای تلگرامی و کانالهای ایرانی COMSOL بسیار فعال هستند (جستجو: کامسول ایران).
- برای لایسنس دانشجویی یا آزمایشی به سایت COMSOL ایران یا نمایندگیهای دانشگاهی مراجعه کنید.
جمعبندی
COMSOL به دلیل قابلیت کوپل کردن انتقال حرارت با جریان سیال، تغییر شکل جامد، الکترومغناطیس و … یکی از بهترین ابزارها برای مهندسان مکانیک، هوافضا، انرژی و الکترونیک است. با تمرین چند مثال ساده (لوله انتقال حرارت، هیتسینک، محفظه تشعشعی، جابجایی طبیعی در محفظه بسته) در کمتر از یک ماه میتوانید به سطح متوسط برسید.
موفق باشید!
