Численное моделирование в системах нагрева вращением

¹Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет факультет электротехники и автоматики, кафедра электротехнологической и преобразовательной техники УДК 321.313.

Численное моделирование в системах нагрева вращением Э.Р. МАННАНОВ¹, А.А. МУРАТОВ¹, С.А. ГАЛУНИН¹

В статье исследуется влияние активных средств управления температурным полем в системе нагрева вращением, основная проблема и пути ее решения. Мы провели электромагнитный и тепловой анализ при помощи программного пакета ANSYS.

Ключевые слова: численное исследование, моделирование, средства управления.

NUMERICAL SIMULATION IN HEATING SYSTEM BY ROTATION.

E. MANNANOV¹, A. MURATOV¹, S. GALUNIN¹

¹Saint-Petersburg Electrotechnical University «LETI» ,.

Faculty of Industrial Automation and Electrical Engineering,.

Department Of Electotechnology and Converter Engineering,.

197 376, Saint-Petersburg, ul. Professora Popova 5.

In this article investigates the influence of active tools to control temperature field in system of heating by rotation, the basic problem and ways of its solutions. We have performed electromagnetic and thermal analysis by using software package ANSYS.

Keywords: numerical investigation, simulation, control tools.

Разработка расчетно-экспериментальной методики индукционного нагрева с учетом вращения с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле — получения дополнительной тепловой энергии и обеспечения требуемого температурного распределения является актуальной задачей. При вращении в магнитном поле в заготовке наводится ЭДС и, таким образом, появляется дополнительная мощность внутренних источников тепла [1, 2]. Основная идея исследования может быть продемонстрирована на рисунке 1, где цилиндрическая заготовка диаметром 0,3 м и длиной 0,9 м нагревается в постоянном магнитном поле при помощи индуктора, который представлен двумя медными пластинами. Исследуемая система представлена слева и условно показано вращение заготовки в магнитном поле справа (см. Рисунок 1). Геометрия исследуемой системы описана параметрами, которые могут быть легко изменены во время оптимизационного поиска. Параметры оптимизации это ширина индуктора, длина индуктора, скорость вращения заготовки и время нагрева заготовки.

Рисунок 1. А. Геометрия исследуемой системы, Б. Вращение цилиндрической заготовки в постоянном магнитном поле В рамках исследования была создана численная модель электромагнитных и тепловых процессов на базе коммерческого пакета ANSYS. При расчете параметров электромагнитного поля задаются свойства среды. Система уравнений Максвелла представляет собой модель электромагнитного процесса. Эта модель лежит в основе как аналитических, так и численных методов расчета электромагнитных полей.

В математической модели системы конечно-элементное решение электромагнитной задачи осуществляется с применением магнитного векторного потенциала. Данная формулировка является узловой и позволяет проводить анализ статических, гармонических и переходных задач и имеет три основные степени свободы. Это дает возможность использовать уравнения связи не связанных между собой задач (в частности моделирование вращение заготовки). При этом, процессы протекающие в металлах при работе индукционной установки, описываются системой взаимосвязанных уравнений электромагнетизма и теплопроводности с нелинейными коэффициентами. Нелинейные коэффициенты связаны с зависимостью свойств металлических изделий от температуры и напряженности электромагнитного поля, чем и обусловлена связь электромагнитной и тепловой задачи.

В качестве исследуемого материала была выбрана латунь. Этот металл применяется в производстве различных мелких деталей, особенно там, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Латуни легко поддаются обработке давлением — прокатка и прессование. Нагрев перед обработкой материала способствует повышению пластичности, и, таким образом, облегчает процесс его обработки.

Для наглядности, влияния возникающего эффекта при вращении, на рисунке 2 представлены распределения магнитного поля без вращения и при вращении заготовки.

А. Б.

Рисунок 2. Распределение магнитного поля в поперечном сечении нагреваемой заготовки А. Без вращения заготовки, Б. При вращении заготовки Изменение магнитного потока, пронизывающего заготовку, вызвано вращением заготовки относительно поля возбуждения. Вращение в постоянном магнитном поле вызывает поток индуцированных токов, которые производят момент, препятствующий вращению. Практически вся энергия в заготовке преобразуется в тепловую, и, таким образом, механическая энергия асинхронного электродвигателя преобразуется в тепловую [3, 4]. Скорость вращения заготовки в постоянном магнитном поле подбиралась таким образом, чтобы получить, температуру 530−550 °С градусов Цельсия. На рисунке 3 показано распределение источников теплоты в заготовке для двухмерной задачи.

А.	Б.
Рисунок 3 Распределение источников теплоты в нагреваемой заготовке А. Без вращения заготовки, Б. При вращении заготовки.

Электромагнитный анализ индукционной системы для нагрева заготовки вращением в постоянном магнитном поле требует построения полной трехмерной численной модели, учитывающей скорость вращения и все нелинейные физические свойства материалов, что и было следующим шагом исследования [3−5]. В целях повышения точности расчета, построение сетки конечных элементов проводилось с применением трехмерного элемента SOLID97 (узловая постановка задачи). Форма элемента шестигранник. Построенная сетка содержит приблизительно 50 000 элементов. Для моделирования температурного распределения использовался трехмерный элемент SOLID90. На внешних границах области воздуха задано нулевое значение векторного магнитного потенциала. Это значит, что на внешней границе области воздуха удаленной от источников тепла предполагается полное затухание электромагнитной волны. Численная 3D модель и соответствующее ей распределение источников теплоты (см. Рисунок 4 А. Б.).

Рисунок 4. А. Численная 3D модель, Б. Распределение источников теплоты.

Что касается пространственных средств управления температурным полем. Они делятся на активные и пассивные. К пассивным средствам относятся дополнительно вносимые в поле предметы. Это могут быть изделия различной геометрической формы и размеров. К примеру, можно использовать ферромагнитные или магнитные кольца, крышки, диски и т. п. К активным средствам относятся системы генерации электромагнитного поля, в которых можно изменять величину тока, частоту тока, форму и размеры вносимых источников.

На данный момент в мире уже существует несколько установок нагрева цилиндрических заготовок вращением в поле постоянных магнитов. Но в них не предусмотрена и не заложена возможность внедрения средств пространственного управления температурным полем.

В целях исследования изменений распределения температуры в нагреваемой заготовке, было решено изменить конструкцию исследуемой системы и провести моделирование для случая, когда в системе изменяется геометрия индуктора. Система разбитая на конечно-элементную сетку при измененной форме индуктора представлена на рисунке 5 и соответствующие распределения источников теплоты и температуры в нагреваемой заготовке (см. Рисунок 6, 7).

Рисунок 5 Численная 3D модель.

Рисунок 6. Нагрев заготовки при использовании П — образных индукторов. Рисунок 7. Нагрев заготовки при использовании П — образных индукторов. Температурное распределение в заготовке.

индукционный нагрев вращение Оба индуктора имеют П — образную форму прямоугольного сечения. Как видно из полученных результатов, изменение геометрии и использование вращения заготовки хоть и усложняет расчеты, но существенно влияет на процесс нагрева. Энергия, выделяющаяся в цилиндрической заготовке возросла, и, следовательно, увеличилась эффективность нагрева. С помощью системы П — образных индукторов получен требуемый градиентный нагрев для обработки давлением (прессование).

Хотелось бы подчеркнуть, что индукционный нагрев дает возможность локализации источников тепла в заданном поверхностном слое детали [5]. Это дает возможность регулировать технологический процесс нагрева, изменяя такие параметры процесса, как частота и мощность питающего индуктор генератора. Таким образом, можно добиться требуемой картины распределения теплового поля.

Заключение

Созданы численные модели электромагнитных и тепловых процессов на базе коммерческого пакета ANSYS, позволяющие проводить моделирование и исследование систем нагрева цилиндрических заготовок.

Разработанные модели позволяют всесторонне исследовать процесс нагрева, оценить влияние, в первую очередь активных средств управления на температурное поле в заготовке, провести оптимизацию конструкции индукторов, режимов работы установок и значительно сократить сроки проектирования.

• 1. M. Zlobina, B. Nacke, A. Nikanorov, S. Galunin. Numerical modelling of an innovative induction heating technique for aluminium extrusion process / Proc. of The 3rd international forum on strategic technologies IFOST. Novosibirsk, 2008, p 161−164.
• 2. 2. M. Zlobina, B. Nacke, A. Nikanorov. Numerical investigation of different concepts to control the temperature field at the induction heating of aluminum billets by rotation in superconductive magnets / 6th International conference on Electromagnetic processing of materials «EPM 2009»: Proc. Of Conf., Dresden (Germany), 19−23 October, 2009. / Dresden, 2009. P. 177 180.
• 3. M. Fabbri, A. Morandi, F. Negrini. Temperature Distribution in Aluminium Billets Heated by Rotation in Static Magnetic Field Produced by Superconducting Magnets // COMPEL, Vol. 24, n.1, 2005, P. 281 290.
• 4. B. Nacke, M. Zlobina, A. Nikanorov, A. Ulferts: Numerical simulation of induction heating of aluminium billets by rotation in DC magnetic field. Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources, Padua, 2007, pp. 497−504.
• 5. Царевский В. В. Конспект лекций по дисциплине: «Физические основы электронагрева», СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. — с. 90−106.