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【仿真百科】什么是非等温流动？

COMSOL · 公众号 · 半导体 · 2021-03-19 17:25

正文

等温流动 vs. 非等温流动

等温，顾名思义就是温度恒定。在许多工程应用中，我们都可以假设流体的温度保持恒定，这是因为，与应用中的其他物理变化相比，温度变化幅度非常小或无关紧要。

非等温流动是指温度不恒定的流体流动。当流体温度发生变化时，其材料属性（例如密度和黏度）也会相应地改变。

在某些情况下，这些变化大到足以对流场造成实质性的影响。此外，由于流体会传递热量，因此温度场也会受到流场变化的影响。流体流动与传热之间的这种双向耦合是换热器、化学反应器，大气流动，以及组件冷却过程中普遍存在的现象。

非等温流动示例

灯泡

灯泡内通常使用氩气等惰性气体，可以通过对流带走钨丝的热量，防止其因焦耳热效应而燃烧起来。当灯丝附近的气体逐渐变热时，其密度会小于灯泡中的其余气体，并由于浮力作用而上升。

灯泡内的温度场。

由此产生的气流将热量从灯丝传递给灯泡中其他部位的气体，然后再传递到灯泡玻璃壳。在灯泡内发生的传热和流动之间的耦合现象也称为自然对流。

模型突出显示了气体在灯泡内的运动情况。

散热器

非等温流动的另一个示例阐述了铝散热器中的强制对流过程。散热器用来增加待冷却部件的表面积，表面积越大，散热效果越好。如果我们可以在紧凑的体积内巧妙地做到这一点，就能提升冷却装置的效率。

热量从散热器传递到冷却空气。

在本例中，热能通过铝散热器中的传导过程以及冷却空气的传导和对流进行传递。传热过程中的对流冷却效应可以有效防止部件过热或故障。再次强调，在仿真过程中，我们需要考虑传热对速度矢量的影响，并需要模拟非等温流动过程。

图像描述散热器周围的速度场。

什么是布辛涅斯克近似？

布辛涅斯克近似是一种近似算法，无需计算纳维-斯托克斯方程的完全可压缩公式，即可求解非等温流动中的自然对流问题。

布辛涅斯克近似曾是求解非等温流动的常用方法，特别是在早些时候，运用这种方法求解的计算成本较低，并且容易实现收敛。在密度变化不明显的情况下，由于降低了问题的非线性程度，使用这种近似也可以得到精确的结果。这种方法假设密度变化对流场没有影响，在计算时只需考虑产生浮力的情况。从实际角度来看，这种近似方法通常用来模拟室温下的液体、建筑自然通风或工业设备中的稠密气体扩散等流体流动。

虽然人们过去常使用布辛涅斯克近似对一些 CFD 求解器进行简化，但现在对这种方法的使用已经日益减少。原因在于，它只是略微降低系统的非线性，而现今的求解器和计算硬件的快速发展已经极大地降低了计算的成本。如果求解完整的纳维-斯托克斯方程所需的计算成本与采用布辛涅斯克近似时的计算成本差异过大，可能也表明布辛涅斯克近似是无效的。