Cooling and Heating 冷却と加熱


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Cooling and Heating 冷却と加熱

概要
熱伝導ソルバーの"getting started"の例では、薄膜での簡単な定常状態と遷移状態の熱伝導を扱います。はじめに、シリコン薄膜の表面での冷却効果を確認します。次に、一番上にグラフェン層を持つ複数の層を持った薄いガラスの加熱の時間的依存性を確認します。各場合のモデル設定の詳細は、下記を参照願います。

薄膜の大気冷却
シリコン薄膜の大気による表面冷却を考察します。薄膜サイズは、縦横10ミリメートルで、厚さ10ミクロンです。 問題の対称性により3Dでなく2Dで行います(下の図参照)。熱伝導ソルバーを使用することにより、2Dシミュレーションを2つの方法で設定します。始めの場合は、2次元の薄膜の上下面に、対流性の熱境界条件を設定します。他方の場合は、表面の空気冷却の効果を設定するため、薄膜の上下に大気(流体)を設定します。

Schematic of the air cooled thin film in 3D and 2D cases

シミュレーション設定
オプション1: 対流性境界条件の使用
DEVICEで、プロジェクトファイルを開いて下さい。プロジェクトファイルを使用する代わりに、Modeling Instructionsページに従って、自分でこのプロ ジェクトファイルを作成することもできます。プロジェクトファイルは、1つの薄膜構造オブジェクトが含まれます。薄膜の長さや厚みは、仕様よりも少し大きくなっていることに 注意して下さい。この理由は、シミュレーション領域は、熱ソルバー領域として定義されるので、薄膜構造オブジェクトを大きく設定し、その内部に、シミュレーションされる薄 膜の長さと厚さを定義する熱オブジェクトの長さと厚みが使われるためです。オブジェクトの材質は、シリコンに設定します。

“Boundary Conditions” 表内で定義される、3つの熱境界条件があります。最初の境界条件(左)は、薄膜の左端を400 Kの一定の温度に設定します。冷却効果のない場合、薄膜全体は定常状態で400Kになります。大気冷却を設定するために、上下面に2つの境界条件が設定されます。これら2つの境界条件のモデルは、対流性で、対流熱伝導係数hは、の値に設定されます。

オプション2: 大気(流体)の使用
DEVICEで、プロジェクトファイルを開いて下さい。あるいは、Modeling Instructionsに従って、自分でプロジェクトファイルを作ることもで きます。このプロジェクトファイルには、薄膜と大気の2つのオブジェクトが含まれます。薄膜構造オブジェクトの長さが、仕様よりも多少大きいことに注意して下さい。この理 由は、シミュレーション領域は熱ソルバー領域として定義されるので、薄膜構造オブジェクトを大きく設定し、その内部に、シミュレーションされる薄膜の長さと厚さを定義する 熱オブジェクトの長さと厚みが使われるためです。

"Boundary Conditions"表内で定義された1つの熱境界条件(左)が存在し、薄膜の左端が400kの一定温度に設定されます。大気冷却がない場合は、薄膜の全体は定 常状態で400kになります。

大気冷却を設定するために、大気の材質を流体のAirに設定します。熱シミュレーションにおいては、流体タイプのオブジェクトは、シミュレーション領域に含めることはできませんが、固体液体境界の境界条件として使用されます。この例では、材質境界のAirとSilicon間の対流性境界条件が設定され、対流熱伝導係数hは、の一定値に設定されます。対流性境界条件が、材質間でどのように設定されるかについての詳細は、Modeling Instructionsページを参照願います。

結果と議論
オプション1: 対流性境界条件の使用
DEVICEで、プロジェクトファイルを開いて下さい。ボタンをクリックすることにより、シミュレーションを実行して下さい。シミュレーション実行が終了すると、ソルバー領域に結果が保存され、アイコンがのように変わります。ソルバー領域を右クリックし、温度分布を確認するために、“Visualize > thermal"を選択して下さい。熱データベースは、複数の結果を保持しています。
温度分布を確認するために、ヴィージャライザーの属性リストからTを選択して下さい。薄膜が非常に薄いので、視覚性を向上するために、プロット編集を開くための"show/hide chart setting” ボタンをクリックして下さい。そして、"Axis scale options"の下から、"square"オプションを選択して下さい。このオプションは、両方の軸の長 さを等しくするため、画面のアスペクト比を変えます。結果のプロットは、次のようになります。