每当在工程环境中考虑环境空气时，温度和水分本质上都是相关的。蒸气根据温度和压力条件达到饱和点，而潜热的作用会改变温度分布。必须考虑这些现象以优化受相变影响的过程，尤其是在试图防止设备中发生凝结时。让我们看看如何使用ComsolMultiphysics®软件在空气中建模热量和水分传输。
在潮湿的空气中建模传热
加湿的空气不仅会影响人类的舒适性，而且还影响建筑物的可持续性和电子设备的运行。这使得在对周围设备周围环境空气和结构中的环境空气中进行热传递和相变时的水分的存在至关重要。
用于量化空气中水分量的标准变量是相对湿度，φ。它表达了饱和度的相对状态，是蒸气在空气中的部分压之间的比率，pv，以及在给定（通常是标准）温度下的饱和压力，p坐着（（t）：
作为第一个近似，我们可以假设蒸气的部分压力pv是同质的。然而，由于饱和压力对温度的依赖性，我们应该注意到，由于存在温度梯度，相对湿度实际上并非均匀。
典型的环境水分条件可以从列表数据（例如天气记录。这些可用于定义，例如，在求解传热方程时，空气的热力学特性：
水分依赖于密度，导热率和恒压下的热容量通过基于干空气和纯蒸汽特性的混合配方设置。
在上一篇博客文章中，我们详细介绍如何使用典型的天气数据进行comsolMultiphysics®的温度和相对湿度。
通过在了解（均匀）蒸气的部分压力的同时，只能在温度上求解上述方程式，我们已经可以识别出可能发生冷凝的区域。确实，冷凝发生在饱和状态，对应于φ= 1，其中凝结的检测取决于温度和水分之间的关系。
例如，让我们考虑在产生1 W热量的盒子中的电子设备。潮湿的空气通过位于盒子左侧和右侧的2个小缝隙流过盒子。根据计算的温度和相对湿度分布，可以评估盒子内部冷凝的风险。请注意，在此计算中，在传热模型中未考虑与冷凝相关的潜热。如下图所示，在大约3小时，大约30分钟以及4小时和30分钟后，墙壁上的凝结形成接近缝隙的墙壁。这些时间对应于周围温度低并且相对湿度高的何时在框中的不同点处。
3小时后温度分布（左）；3小时后（中心）相对湿度分布；以及冷凝指标变量的演变，ht.condind，随着时间的流逝（右）。
您可以在上一个中找到更多信息关于建模对流传热的博客文章。
使用传热模块时潮湿的空气选项体液设置窗口流体中的传热界面定义了建模域的水分依赖性热力学特性。此选项还提供了ht.condind在处理后结果以识别凝结检测时要使用的变量。
模型树和设置窗口体液具有潮湿的空气选择选项。
空气中的热和水分传输的耦合建模
在某些情况下，我们需要更精确地描述水分分布。这包括由于蒸发而在局部水分含量高的情况，而当蒸气的扩散和对流不能被忽略时。
与以前的方法相比，我们需要通过求解蒸气浓度的对流和扩散的附加传输方程来计算水分分布Cv在空中：
请注意，在这个方程式中，仍然通过蒸气浓度来解释温度依赖性Cv=φC坐着（（t）， 和C坐着（（t）作为蒸气的饱和浓度。
让我们考虑一个装满热水（80°C）的烧杯，并将其放在气流中，速度为2 m/s。由于空气的流动，蒸发是从水面发生的。蒸发会在空气水界面上产生饱和蒸气（取决于温度），在该水界面将其运输出来，并通过对流和扩散通过不饱和空气补充（请参见下图）。
20分钟后的蒸气浓度分布，具有相对湿度的轮廓线。
维持蒸发所需的能量主要是从液体水的内部能量中提取的，结果是冷却的，如下所示。该过程称为蒸发冷却。这是蒸发冷却器和冷却塔中使用的主要过程，在加热和蒸发水时，利用了水相对较大的热容量和潜在的热量。
随着时间的流逝，温度分布和流线表示流场。
在模型中，当蒸气浓度停留在饱和状态下并且刚好在液体表面上方时，就会发生蒸发。蒸发通量表示为：
在哪里k是根据应用程序的蒸发率。
通过在传热方程中添加以下热源来考虑液体中的潜热变化：
在哪里lv是水蒸发的潜热。
使用传热模块时热和水分传输接口添加了下面的屏幕截图中显示的子节点，包括：
- 热量和水分耦合节点
- 潮湿的空气中的传热界面
- 空气中的水分传输界面
- 潮湿的空气空气中的热运输功能
- 潮湿的空气空气中蒸气运输的功能
- 湿表面从液体表面蒸发的功能
- 边界热源功能，由于蒸发到传热方程，它增加了潜热源
选择的模型树和后续子节点选择潮湿的空气中的传热接口，以及设置窗口潮湿的空气特征。
定义完全耦合的蒸发冷却模拟时，潮湿的空气中的传热和空气中的水分传输接口与热量和水分多物理接口。默认情况下，这也通过在两个接口下包括前三个子节点来设置情况。进一步的子节点（例如边界热源和湿表面子节点）可以根据所模拟过程的参与条件包括在内。
关于如何建模空气中的热量和水分传输的关闭评论
现在，我们已经审查了Comsol®软件功能，该功能致力于潮湿空气中的热量和水分传输的建模。根据应用的不同，您可能只需要求解传热并使用温度预测来检测冷凝水，或者您可能需要通过以耦合方式计算温度和水分分布来进一步发展。此外，您可以考虑潜在的热效果或无视它们。comsol多物理（以及传热模块）提供了定义各种应用程序的相应模型的工具。
请继续关注即将发布的博客文章，其中涵盖了如何在建筑材料和多孔媒体中建模热量和水分传输。
编者注：您可以在此处阅读此博客系列的后续文章：“如何使用comsol®在多孔介质中建模热和水分传输“。
自己尝试
- 在此博客文章中查看特征的教程模型：
评论（9）
奥马尔·阿尔玛穆德（Omar Almahmoud）
2017年7月22日我找不到空气物理学中的水分转移。Comsol中真的存在吗？
李 - 李
2018年6月5日感谢您的好应用。正如您提到的，“ K”是蒸发率，具体取决于应用程序。我发现“ K”显着影响蒸发量和热量。您能否分享如何或在哪里找到有关蒸发率的详细信息。谢谢你。
PS：在Comsol的示例中，“ K”总是设置为常数。但是，由于水池和气体之间的温度差异很小，因此“ K”应随着时间而变化。
克莱尔·鲍斯特（Claire Bost）
2018年6月6日你好，
为了定义k在温度的功能中，可以使用Hertz-Knudsen方程。它基于动力学理论，以表达平面界面上的质量通量。
可以为K用户输入设置此表达式。
关于k的设置为恒定值，我没有任何建议。也许从Hertz-Knudsen方程式开始，然后进行一些近似值可以提供如此价值？
Mehdi Amiri
2018年6月6日感谢您的博客文章！
关于平板上的凝结，我可以参考任何COMSOL模型吗？我有兴趣建模在冷平面上凝结的水层厚度的演变。
关于K及其与温度变化的问题，一种可能的方法是通过LEWIS数（LE）将K与传热系数（H）联系起来。通过通过Chilton -Colburn类比，可以使用刘易斯数（LE）从传热系数（H）估算传播系数（K）。
克莱尔·鲍斯特（Claire Bost）
2018年6月7日你好，
感谢您对Chilton -Colburn类比的意见。实际上，由于在水分通量边界条件下版本5.3a以来，实现了这种类比。对于一组不同的流量（自然/强制对流）和几何条件，您可以根据Nusselt数量获得对流传热系数，并应用该类比来计算水分转移系数。
没有Comsol模型来解决平板上的冷凝。本文中介绍的“水的蒸发冷却”模型将是最接近的例子。
Phong Huynh
2018年9月6日非常感谢你。
奥马尔·拉维（Omar al-Rawi）
2018年10月1日你好，
谢谢您的博客文章。
确实，我对这个模型有两次混乱。您能否清楚地解释在COMSOL 5.3和5.3a上建模此应用程序有什么区别？
我注意到，您没有像5.3版本那样使用“稀释物种的运输”，而是使用“空气中的水分传输”。这两个物理界面有什么区别？
而且，如果我试图确定液体的蒸发率，我无法使用以后的接口吗？
问候，
奥马尔
克莱尔·鲍斯特（Claire Bost）
2018年10月2日嗨，奥马尔，
空气界面中的水分传输专门设计用于空气中的水蒸气。潮湿的空气结构域节点（空气界面中的水分传输）解决了由传输性能域点求解的特定情况的传输方程（稀释的物种界面的传输），仅考虑一个特定。特别是，扩散系数D在界面中预设。在考虑建筑材料中的水分传输时，可以在空气界面的水分传输中添加建筑材料节点的某些域，而单个变量相对湿度PHI可以在空气和建筑材料中对水分进行建模。
对于此示例，您还可以使用稀释物种界面的运输。
在水分传输界面中，潮湿的表面和潮湿的表面边界条件使指定蒸发率成为可能。也可以通过使用水分通量条件来解释蒸发，通过指定一些对流的水分通量，并在蒸发中解释它。可变MT.G_EVAP可访问蒸发通量。
最好的祝福，
克莱尔
艾伦·科利尔（Alan Collier）
2019年7月5日嗨，克莱尔，
我正在建模在不同温度下在水池或盐溶液池上方平衡封闭气氛需要多少时间，而您的帖子有很大帮助！我有一个问题：
由于我的系统已关闭和静态，因此水蒸气运输仅由扩散驱动，我知道扩散常数随温度而变化很大。
在上述对奥马尔的评论中，您指出的是扩散系数是预设的。这是否包括温度术语，还是可以将一个温度术语合并到模型中？
非常感谢，
艾伦