双向耦合仿真技术在感应加热领域的应用

1、电磁、流体双向耦合仿真技术在感应加热领域的应用技术创新 变革未来目录ANSYS电、热耦合分析能力多物理场耦合功能感应加热的应用感应加热应用案例电弧仿真应用案例目前已有的Maxwell-Fluent耦合Maxwell与Fluent的单向和双向耦合技术都已经非常成熟， 目前在工程上主要用于热问题的研究.Maxwell将分布式损耗分布传递到Fluent中。Fluent将温度分布返回给Maxwell。Maxwell温度分布ANSYS Fluent热源分布多物理场耦合新功能Maxwell SolverStructuralThermalHarmonicStressCFD(*)MagnetostaticEd

2、dy CurrentMagneticTransientElectrostaticDC ConductionElectric Transient(*) Enable Electric Arc simulations or advanced Induction Heating simulations什么是感应加热（1）?Skin depth =感应加热(Induction Heating)就是利用外部提供的高频交流电，在目 标金属物体内部感应出电流和热量（损耗）。由于集肤效应和邻近效应，感应电流受频率、磁导率、电导率的影 响。应用：热处理、焊接、电磁炉等3D Model2D ModelModelE

3、ddy currentOhmic loss什么是感应加热（2）?电导率和磁导率都是温度相关的，所以损耗也是温度相 关的对于高精度的感应加热问题，温度的影响必须要考虑。0.00250.00500.00750.001000.00Tempe cel2000.005000.004500.004000.003500.003000.002500.00Loss (W)LossANSOFT20cel.400cel.损耗随温度变化的趋势感应加热的应用结合Maxwell和Fluent，实现金属冶炼的仿真后台调用Maxwell，并更新每个单元的电导率或磁导率出口坩埚线圈Fluent：导电液体变化Maxwell：损耗

4、感应加热的应用流体和温升仿真电磁场仿真通过UDF实现耦合结合Maxwell和Fluent，实现电弧的仿真目录ANSYS电、热耦合分析能力多物理场耦合功能感应加热的应用感应加热应用案例电弧仿真应用案例感应加热应用案例在扬声器的制作过程中，需要将一个部件(Spider)用胶水粘接到扬 声器线圈/骨架组件上。在骨架中插入金属棒，通过感应涡流的方式将其一端加热，并传递 到连接音圈的另一端加工过程的挑战是必须要将温度保持在胶水最佳固化温度一定时 间，且温度不能因为过高而损坏扬声器。Glue Joint激励线圈Induction Target Gauge模型描述采用 2D 轴对称模型进行建模在激励线圈中间

5、歇地通入高频脉动电流在目标物（Target） 中产生涡流热量传递到音圈/骨架组件上在两个观测点位置处监测温度变化，保持700s激励线圈Target音圈温度监测点仿真流程Eddy Current Solution1Eddy Current Solution2Eddy Current Solution3OhmicLossesOhmicLossesOhmicLossesSolved With temperature Dependent Electrical ConductivityTemperatureFeedback at 3sTransient Thermal0 - 1.5s3 - 4.5s4.

6、5 - 6sSolved for 700sTemperatureFeedback at 4.5sSolve till No Significant Change in Temperature MonitoredMaxwell中的设置对应三个激励工况，采用3个Maxwell 模型，分别设置的不同幅值 和频率的激励，计算损耗第一个模型中采用自动自适应网格剖分功能另外两个模型直接导入第一个模型的网格设置材料的温度特性在材料Thermal Modifier界面中，修改电导率属性Thermal Modifier输入与温度有关的公式结合输入的公式和给定的温度，自动计算体电导率并赋值每个单元的电导率都由自身

7、的参考温度决定if(Temp 22, 1, 1/(1+(0.003*(Temp-22)T = Ref * Thermal Modifier激活温度反馈右击该仿真，激活Maxwell中的温度反馈功能设定初始温度为26 C在温度场/流体场的温度结果反馈回来时，该初始值将被忽略激活温度反馈功能激活温度反馈功能，否则无法导出温度计算结果电磁场仿真结果在Target表面产生涡流（集肤深度很小）自动自适应网格剖分功能在集肤深度内生成了足够细的网格，以获 得准确的计算结果Workbench设置Maxwell project 文件导入到 Workbench在Workbench中添加Transient Ther

8、mal Analysis 模块几何模型先从Maxwell导出，再导入Transient Thermal模块建立Maxwell 与 Transient Thermal 的数据链接拖拽式操作Transient Thermal 设置Steel的热特性被设置成与温度相关表面采用Inflation meshMaxwell传递的数据准确性依赖于Thermal solver中网格密度在求解域边界上添加适当的换热系数根据位置特点设定换热系数Maxwell数据导出在设计树Imported Load中导入Maxwell损耗结果右键添加Heat Generation每个Maxwell 涡流场分析对应一个Heat G

9、eneration设置损耗的添加或删除可以通过Scale系数来设定瞬态温度场求解设定了必要的时间点来映射损耗和反馈温度在 3s 和 6s 时，从温度场返回温度分布，用于Maxwell有限元求解Maxwell计算的损耗结果再次推送到温度场总的求解时间是700sMaxwell温度反馈Transient Thermal 的温度分布映射到Maxwell的网格中Maxwell中更新每个单元的温度可以在 Maxwell 中显示温度云图温度分布Transient Thermal温度MaxwellTarget温度监测结果0100200300400500600800ExperimentalNo Feedback

10、With Feedback Iteration1With Feedback Iteration2700Time (sec)Temperature ( C)140120100806040200音圈温度监测结果0100200300400500600ExperimentalNo FeedbackWith Feedback Iteration1With Feedback Iteration2700800Time (sec)Temperature ( C)120100806040200温度分布目录ANSYS电、热耦合分析能力多物理场耦合功能感应加热的应用感应加热应用案例电弧仿真应用案例电弧仿真电弧是电器

11、设备中的常见现象高温、高压对电弧建模，设置其属性为等离子体计算电弧引起的空间磁场分布考虑电弧的位置和形状耦合流体运动和电磁场Maxwell/FLUENT 耦合仿真II非线性灭弧删ANSYS电弧仿真流程File based automated data transferUDFReads B field from MaxwellCalculates Lorentz ForceApplies Source termsFor Energy and MomentumInterpolates Electrical Conductivity to MaxwellNote: Standard Maxwell

12、Mapping feature is used for mapping Maxwell quantities to Fluent Mesh UDF is used to map Electrical conductivity from Fluent mesh to Maxwell Mesh电弧仿真流程Geometry Operations - ANSYS DESIGN MODELERMesh creation ANSYS MESHERFluid/Thermal Analysis ANSYS FLUENTElectro Magnetic Analysis ANSYS MAXWELLCouplin

13、g through User Define Function (UDF)电弧介质材料建模ARC Material behaves like Plasma A channel of conductive, high-temperature ionized gasANSYS FLUENT takes Temperature Dependent Material Properties非线性材料建模Splitter Plates inside Circuit Breaker Non-Linear BH curvesANSYS MAXWELL allows definition of Non-Linear BH curves仿真结果Anim