磁感应加热模拟.pdf
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磁感应加热模拟.pdf
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磁感应加热模拟磁感应加热模拟磁感应加热在日常生活和工业上都有广泛的应用。
例如:
在厨房里我们做饭用的电磁炉,就是通过电子线路板组成部分产生交变磁场,当含铁质容器放置上面时,容器表面即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流(即涡流),从而产生热能,达到加热食物的效果,热转化率可达90%;在钢铁、船舶等工业领域上广泛应用磁感应加热原理进行金属热处理,可更精确地控制热处理的表面深度,从而提升金属材料的工艺性能。
本案例将通过电磁热中的感应加热(InductionHeating)物理接口进行磁感应加热的模拟。
具体来说,利用载有高频电流(在本案例中,频率为500Hz)的载流线圈产生的时变磁场,使中心处的金属材料感应出涡流,从而使金属材料由于其内电阻损耗而生热的过程,这一过程采用频率,暂态进行模拟,从而来观察金属温度升高的过程。
磁感应加热模型如图1所示:
图1磁感应加热模型示意图通过本案列的学习,可让读者了解到以下模拟和分析的方法和技巧:
1熟悉感应加热(InductionHeating)物理接口的使用2设定轴对称几何结构3如何考虑线圈散热问题4采用频率,暂态分析,观察温度随时间的变化过程案例所用到的电磁(准静态)与热传导相关的理论知识如下:
首先,我们需要在有限空间内,由磁绝缘边界条件得到载流线圈所产生的磁场(频域)为:
21()0
(1)jAA金属电导率与温度的关系为:
001
(2)(1()TT热源与金属内热传播的方程为:
(,)(3)pTCkTQTAt其中,为材料密度,pC为热容,k为热传导系数,Q为感应热源。
在本案例中,磁感应加热线圈通入的电流较大,需要考虑散热的问题,因此,线圈采用中控设计,并且有水路散热,其散热物理方程为:
()(4)2pindMCTTdtrA案例的具体求解过程如下案例的具体求解过程如下1、建立模型选择模型导向,选择二维轴对称,选择传热模块,选择电磁热,选择感应加热(InductionHeating)物理接口,选择增加,选择研究,选择频域,暂态,选择完成。
2、定义参数选择全局定义,在下拉菜单中选择全局参数,按表1所示定义下列参数;表1全局参数设置名称表达式值描述I02e3A2000ACurrentT0293K293KRef.temperaturer01.754e-8ohm*m1e6mResistivityatT=T0a10.00391/K0.00391/KTemperaturecoefficientRc5mm0.005mCoolingchannelradiusAcpi*Rc27.854E-5m2Coolingchannelx-sectionMt1kg/min0.116667kg/sCoolingwatermassflowrateTin10degC283.15KCoolingwaterinlettemperature3、建立几何模型选择几何1,右击,选择矩形,更改尺寸与形状,宽度、高度分别改为0.2m,0.5m,位置以角为基准,z改为-0.25m,点击构建选定;选择几何1,右击,选择矩形,更改尺寸与形状,宽度、高度分别改为0.03m,0.1m,位置以角为基准,z改为-0.05m,点击构建选定;选择几何1,右击,选择矩形,更改尺寸与形状,宽度、高度分别改为5mm,50mm,位置以角为基准,r改为15mm,z改为-25mm,点击构建选定;选择几何1,右击,选择圆,半径为0.01m,位置以角为基准,r改为0.05m,点击构建选定;选择几何1,右击,选择圆,半径为Rc,位置以角为基准,r改为0.05m,点击构建选定;最后,选择形成联合体,点击构建选定,完成模型建立。
4、材料参数设置选择组件1,选择材料,右击,选择添加材料,在界面右边增加材料视图窗口下,选择基本材料,选择FR4(CircuitBoard),选择增加对象,点击激活,选择1;选择组件1,选择材料,右击,选择添加材料,在界面右边增加材料视图窗口下,选择AC/DC材料,选择铜Copper,选择增加对象,点击激活,选择2和3;展开铜Copper,选择线性电阻率,输入参考电阻率为r0,电阻率温度系数为a1,参考温度为T0;选择组件1,选择材料,右击,选择添加材料,在界面右边增加材料视图窗口下,选择基本材料,选择Water,liquid,选择增加对象,点击激活,选择4;输入热传导系数为1e3,相对介电常数为80,相对磁导率为1。
5、设置模型物理参数和边界条件选择组件1,选择磁场(mf),右击,选择安培定律,选择增加对象,点击激活,选择域2和3,在传导电流选项下,选择电导率为线性电阻率;选择组件1,选择磁场(mf),右击,选择单匝电流,选择增加对象,点击激活,选择域3,线圈电流为I0;选择组件1,选择固体传热(ht),右击,选择温度,选择增加对象,点击激活,选择边界2,7和9,输入温度为T0;选择组件1,选择固体传热(ht),右击,选择热源,选择增加对象,点击激活,选择域4,在热源选项下,选择广义源,输入Q0为:
Mt*ht.Cp*(Tin-T)/(2*pi*r*Ac)6、网格划分及求解网格采用默认设置,直接选择组件1,点击网格1,点击全部构建;选择组件1,展开研究1,选择步骤1:
频域-暂态,设定研究时间,点击范围,定义方法选择步长,开始输入为0,步长为600,停止输入为36000,点击取代,即时间设置为range(0,600,36000),设置频率为500Hz,最后右击研究1点击计算,开始求解。
7、结果与后处理经计算后,得到模型的2D磁场分布图如图2所示:
图22D磁场空间分布图得到模型的温度空间分布图如图3所示:
图3温度空间分布图观察温度随时间的变化过程选择组件1,展开结果,选择数据集,右击,选择二维截点,在点数据选项下,定义方法为坐标,输入r为0,z为0,即采集点为金属铜柱的中心;同样地,选择组件1,展开结果,选择数据集,右击,选择二维截点,在点数据选项下,定义方法为坐标,输入r为0.05,z为0,即采集点为线圈的中心;选择组件1,选择结果,右击,新增一个一维绘图组,右击一维绘图组,选择点图,在设定窗口下,选择数据集为二维截点1(CutPoint2D1);在y轴数据选项下,在替换表达式中选择固体传热=温度=温度,T,点击绘制,得到金属铜柱的中心处温度随时间变化的分布图;同样地,右击一维绘图组,选择点图,在设定窗口下,选择数据集为二维截点2(CutPoint2D2);在y轴数据选项下,在替换表达式中选择固体传热=温度=温度,T,点击绘制,得到线圈的中心处温度随时间变化的分布图,二者结果如图4所示:
图4温度随时间的变化过程从图4可以看出,线圈的中心处温度随时间变化的曲线(绿色)很快就降温到284K附近,这是由于本案例考虑了线圈散热的问题,在空心铜线圈的中心有冷却水流以避免导体升温;而金属铜柱的中心处温度随时间变化的曲线则逐渐升高,最后达到热平衡,保345K附近在。
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