Comsol纳米复合材料温度场计算

在食品保鲜与冷链研究中，冰箱内西瓜的温度分布与冷却效率是关键议题。利用 Comsol可精准模拟西瓜在冰箱环境中的传热过程，分析不同冷藏时间的温度变化规律。文章聚焦冰箱内西瓜的热传导特性，通过建立三维传热模型，揭示其冷却动态过程，为优化冷藏条件、延长保鲜期提供理论依据与技术参考。文｜热流Es编辑｜小苏审核｜赵佳乐西瓜西瓜是葫芦科一年生蔓生藤本植物，原产于非洲热带草原地区，现广泛栽培于全球温带至热带地区。其果实为瓠果，外皮多为绿色，带有深绿或黑色条纹，果肉通常为红色或黄色，富含汁液，种子呈黑色或白色。西瓜富含水分、维生素 C、番茄红素等营养成分，具有清热解暑、生津止渴的功效，是夏季主要的消暑水果。其品种多样，按果肉颜色可分为红肉、黄肉西瓜；按果型大小可分为大型西瓜和迷你西瓜；按种子有无可分为有籽西瓜和无籽西瓜。西瓜适应性强，喜温暖干燥气候，生长周期约 80-120 天，在我国新疆、山东、海南等地均有大规模种植。图1. 清凉西瓜物理建模西瓜三维几何模型包括包裹在外侧的西瓜皮和内部的西瓜果肉。具体物理场建模材料参数和边界条件如下所示。图2. 物理建模网格划分在Comsol中进行西瓜传热分析时，合理的网格划分是确保计算精度与效率的关键。西瓜由果肉、瓜皮等不同结构组成，且热物性存在差异，因此需采用差异化的网格划分策略。首先，在几何建模阶段明确西瓜的结构，将果肉与瓜皮分别建模，以区分二者不同的导热系数、比热容等参数。划分网格时，对瓜皮区域进行局部加密。瓜皮导热系数相对较低，是热传导的关键界面，细化网格（单元尺寸建议0.5-1cm）能更准确捕捉其温度梯度变化。而果肉区域因导热相对均匀，可使用较粗网格（单元尺寸1-2cm），以降低计算量。全局网格可先采用自由四面体网格进行初步划分，再利用 “细化” 功能对瓜皮进行二次加密。同时，为保证计算稳定性，需检查网格质量，确保最小正交质量大于 0.1，避免出现畸变单元。此外，模拟涉及瞬态传热，需根据时间步长调整网格，保证在温度快速变化阶段能够准确捕捉物理过程，实现精度与效率的平衡。图3. 网格分布结果展示采用瞬态研究方式求解计算模型48h，求解收敛曲线和不同时刻西瓜温度分布如下。图4. 收敛曲线图5. 0h西瓜温度分布图6. 1h西瓜温度分布图7. 6h西瓜温度分布图8. 12h西瓜温度分布图9. 24h西瓜温度分布图10. 48h西瓜温度分布监测点温度曲线如下，结果表明24-31h后，西瓜冷却温度处于8℃~10℃之间，此时口感最佳。图11. 监测点位置图图12. 监测点温度随时间分布曲线来源：Comsol有限元模拟