共役熱伝達(固体を含む熱流体解析)

共役熱伝達(CHT)とは、固体と流体間の熱の相互関係による、双方内の温度変化を伴うプロセスを表します。2つの物理的物体間の熱エネルギーの交換は、熱伝達と呼ばれ、伝達される熱の割合は、物体間の温度差に正比例します。典型的な例として、空気の流れによる空気に囲まれた固体物体の加熱または冷却です。他の例として、固体を介した伝導、気体/流体中の自由対流および強制対流、ならびに熱放射を含みます。

共役熱伝達は、固体内の熱伝達と流体内の熱伝達との組合せに対応します。固体では、伝導が支配的であることが多く、一方、流体では、対流が通常支配的です。流体内と固体内の熱伝達を効率的に組み合わせることは、効果的な冷却器、ヒーター、または熱交換器を設計するために重要です。強制対流は、高い熱伝達率を達成する最も一般的な方法です。いくつかの用途では、対流と相転移(例えば、液体水から蒸気への相転移)とを組み合わせることによって、性能がさらに改善されます。

固体内の熱伝達および流体内の熱伝達は、大部分の用途で組み合わされます。これは、流体が固体の周りまたは固体壁の間を流れるからであり、通常、固体が流体に囲まれているからです。

伝熱形態

  • 伝導:温度勾配による熱の拡散。規定の勾配に対する伝導量の尺度は、熱伝導率です。
  • 対流:熱が移動する流体により運び去られる時。流れは、外部の影響、強制対流、または浮力、自然対流のいずれかによって引き起こされます。対流熱伝達は、密に流体と連成します。
  • 放射(輻射):(赤外線)放射に対して少なくとも部分的に透過性である媒体によって分離された、異なる温度を有する表面間の電磁波によるエネルギーの移動。放射は、燃焼プロセスなどの高温時に特に重要ですが、室温でも測定可能です。
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熱伝達モード、材料特性、流れの習性、および幾何学的構成の正確な記述は、温度場と熱伝達の分析を可能にします。

意思決定を要する代表的な設計課題:

  • 自動車ラジエータなど、全体的な熱伝達係数。
  • ガスタービン、化学反応容器、食品オーブなど、システムにおける最高/最低温度。
  • 宇宙船の壁など、熱応力に関連する温度分布。
  • エンジン冷却など、時間依存の加熱/冷却課題における温度応答、または、車が太陽下でどのくらい速く暖まるかや、フロントガラスの形状によってどのように影響されるか。
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流体と熱伝達の課題は、エネルギー方程式の対流項を介して、および物理特性が温度依存性である場合に、密に連成します。いくつかの単純な課題に対する分析方法が存在しますが、産業に関連する多くのアプリケーションを解決するためには、コンピューターによるシミュレーションに頼らなければなりません。

共役熱伝達(CHT)は、ウォータージャケットの冷却性能を向上させ、エンジン寿命を延ばすために活用されます。ガスタービン部品などの製品に対する冷却の伝搬は、複雑な熱伝達メカニズムと、このメカニズム間の相互作用に対する深い理解が必要です。当社のエンジニアは、手間をかけることなくこれらを実行することができます。臨界冷却アプリケーションは、内部冷却、外部フィルム冷却などを含む、複数の熱対策技術に依存しますが、当社のエンジニアはこのアプリケーションに対し、効率的に部品を冷却し、クーラントの使用を制限することができます。当社は、高電圧システムに対する最適な設計を検討するため、モーターとバッテリーのCHTシミュレーションに広範囲に対応します。共役熱伝達シミュレーションは、エンジンの固体およびクーラントにおける温度分布と、クーラントの速度分布および熱伝達のメカニズムに関する明確な知見を提供します。CHTシミュレーションの結果は、熱負荷として構造解析の入力条件となります。

当社は、バイク、乗用車、レーシングカー、商用車、造船、農業機器など、さまざまな分野のエンジンCHTシミュレーションに幅広い経験と知見を備えています。

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