 |
معرفی
این مدل آموزشی ساده گرمایش مقاومتی – همچنین به عنوان گرمایش ژول شناخته می شود – یک محرک حرارتی دو بازوی داغ را شبیه سازی می کند. این مدل پدیده‌های فیزیک را تنها در یک جهت واحد جفت می‌کند. با این حال، همانطور که در زیر توضیح داده شد، می توانید به راحتی آن را برای شبیه سازی یک جفت دو طرفه بین جریان الکتریکی و گرمایش محرک تغییر دهید.
تعریف مدل
شکل 1 قطعات و ابعاد محرک و همچنین موقعیت آن را در بالای سطح زیرلایه نشان می دهد.
شکل 1: میکرو محرک حرارتی.
داده های مادی
این مدل از خواص مواد ذکر شده در جدول 1 برای معادلات مدل گرمایش ژول استفاده می کند. فرض ثابت بودن خواص مواد به این معنی است که جفت شدن بین پدیده های فیزیک تنها یک راه است: جریان الکتریکی از طریق محرک ماده را گرم می کند، اما خود جریان تحت تأثیر افزایش دما قرار نمی گیرد. با استفاده از ماده ای که رسانایی الکتریکی آن وابسته به دما است، می توانید آن را به یک جفت دو طرفه تبدیل کنید.
ویژگی | نام | ارزش |
رسانایی الکتریکی | پ | 5·10 4 S/M |
نفوذپذیری نسبی | ε r | 4.5 |
رسانایی گرمایی | ک | 40 W/(m·K) |
تراکم | r | 2300 کیلوگرم بر متر مکعب |
ظرفیت گرمایی در فشار ثابت | ج ص | 600 J/(kg·K) |
شرایط مرزی
یک پتانسیل الکتریکی بین پایه های لنگر بازوهای داغ اعمال می شود. لنگر بازوی سرد و تمام سطوح دیگر عایق الکتریکی هستند.
شکل 2: شرایط مرزی الکتریکی.
دمای پایه سه لنگر و سه فرورفتگی به دمای ثابت زیرلایه ثابت است. از آنجایی که سازه ساندویچ شده است، تمام مرزهای دیگر از طریق رسانایی از طریق لایه های نازک هوا با محیط اطراف تعامل گرمایی دارند.
ضریب انتقال حرارت توسط هدایت حرارتی هوا تقسیم بر فاصله تا سطوح اطراف برای سیستم داده می شود. این تمرین از ضرایب انتقال حرارت متفاوتی برای سطوح بالایی محرک و سایر سطوح استفاده می کند.
شکل 3: شرایط مرزی انتقال حرارت.
نتایج
شکل 4 توزیع دما را در سطح محرک نشان می دهد. نمودار خطی در شکل 5 اطلاعات دقیق تری در مورد دما در امتداد یک لبه منفرد رو به صفحه زیرلایه ارائه می دهد.
شکل 4: توزیع دما روی سطح محرک.
شکل 5: دما در امتداد طولانی ترین لبه محرک رو به زیرلایه.
مسیر کتابخانه برنامه: COMSOL_Multiphysics/Multiphysics/thermal_actuator_jh
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، انتقال حرارت > گرمایش الکترومغناطیسی > گرمایش ژول را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
محرک حرارتی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Component 1 (comp1) کلیک راست کرده و Rename را انتخاب کنید . |
2 | در کادر محاوره‌ای Rename Component ، Thermal Actuator را در قسمت متن برچسب جدید تایپ کنید . |
3 | روی OK کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
htc_s | 0.04 [W/(m*K)]/2[um] | 20000 W/(m²·K) | ضریب انتقال حرارت |
htc_us | 0.04 [W/(m*K)]/100[um] | 400 W/(m²·K) | ضریب انتقال حرارت، سطح بالایی |
DV | 5 [V] | 5 V | ولتاژ اعمال شده |
هندسه 1
واردات 1 (imp1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید . |
3 |  روی Browse کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل thermal_actuator.mphbin دوبار کلیک کنید . |
5 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
6 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
تعاریف
تماس با بستر
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Substrate Contact را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Input Entities را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرزهای 10، 30، 50، 70، 76 و 82 را انتخاب کنید. |
مواد
مواد 1 (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Thermal Actuator (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
به طور پیش فرض، اولین متریالی که تعریف می کنید برای همه دامنه ها اعمال می شود.
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
رسانایی الکتریکی | sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0 | 5e4 | S/m | پایه ای |
گذر نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 4.5 | 1 | پایه ای |
رسانایی گرمایی | k_iso ; kii = k_iso، kij = 0 | 40 | W/(m·K) | پایه ای |
تراکم | rho | 2.3e3 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ظرفیت گرمایی در فشار ثابت | Cp | 600 | J/(kg·K) | پایه ای |
جریان های الکتریکی (EC)
زمین 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Thermal Actuator (comp1) روی Electric Currents (ec) کلیک راست کرده و Ground را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 10 را انتخاب کنید. |
پتانسیل الکتریکی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 30 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، قسمت Electric Potential را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی V 0 ، DV را تایپ کنید . |
انتقال حرارت در جامدات (HT)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Thermal Actuator (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات (ht) کلیک کنید .
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
این شرط مرزی برای همه مرزها به جز مرز سطح بالایی و آنهایی که با زیرلایه تماس دارند اعمال می شود. یک شرط دما در مرزهای substrate_contact این شرایط شار حرارتی را لغو می کند ، بنابراین شما به صراحت نیازی به حذف این مرزها ندارید. در مقابل، از آنجایی که شرط مرزی شار حرارتی افزودنی است، باید مرز سطح بالایی را به صراحت از انتخاب حذف کنید. این انتخاب را به صورت زیر اجرا کنید:
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
4 | در پنجره Graphics ، روی سطح بالایی کلیک کنید و سپس کلیک راست کنید تا از قسمت انتخابی حذف شود. |
یک شار حرارتی همرفتی برای مدلسازی شار حرارتی از طریق یک لایه هوای نازک استفاده می‌شود. ضریب انتقال حرارت، htc_s به عنوان نسبت هدایت حرارتی هوا به ضخامت شکاف تعریف می شود.
5 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن h ، htc_s را تایپ کنید . |
شار حرارتی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
یک شار حرارتی همرفتی برای مدلسازی شار حرارتی از طریق یک لایه هوای نازک استفاده می‌شود. ضریب انتقال حرارت، htc_us به عنوان نسبت هدایت حرارتی هوا به ضخامت شکاف تعریف می شود.
3 | در پنجره تنظیمات Heat Flux ، بخش Heat Flux را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، htc_us را تایپ کنید . |
دما 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Temperature را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از فهرست انتخاب ، Substrate Contact را انتخاب کنید . |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در زیر Thermal Actuator (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از لیست اندازه عنصر ، Fine را انتخاب کنید . |
مثلثی رایگان 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Boundary کلیک کنید و Free Triangular را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Free Triangular ، بخش Boundary Selection را پیدا کنید . |
3 | از فهرست انتخاب ، Substrate Contact را انتخاب کنید . |
4 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، عدد 3 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در پنجره تنظیمات برای Free Triangular ، روی  Build Selected کلیک کنید . |
جارو 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Swept کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .  |
مطالعه 1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
پتانسیل الکتریکی (EC)
اولین گروه نمودار پیش فرض توزیع پتانسیل الکتریکی را نشان می دهد.
دما (ht)
دومین گروه نمودار پیش فرض توزیع دما را روی سطح نشان می دهد ( شکل 4 را ببینید ).
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
با دنبال کردن مراحل زیر ، نمودار شکل 5 را دوباره تولید کنید :
گروه طرح 1 بعدی 5
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .
Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .نمودار خطی 1
1 | روی 1D Plot Group 5 کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط Edge 52 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Thermal Actuator (comp1)>Heat Transfer in Solids>Temperature>T – Temperature – K را انتخاب کنید . |
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش x-Axis Data کلیک کنید . از منو، Thermal Actuator (comp1)>Geometry>Coordinate>x – x-coordinate را انتخاب کنید . |
5 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست واحد ، میکرومتر را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار 1D Plot Group 5 ، روی  Plot کلیک کنید . |
