CC BY
14
2. Батура Т.В., Мурзин Ф.А. Облачные технологии: основные понятия, задачи и тенденции развития [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://swsys-web.ru/cloud-computing-basic-concepts-problems.html. (дата обращения: 11.10.2015).
3. Lane T. and Brodley C.E. (1997) Sequence Matching and Learning in Anomaly Detection for Computer Security. Proceedings of the AAAI Workshop on AI Approaches to Fraud Detection and Risk Management, AAAI Press, 43-49.
4. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Учебник Компьютерные сети. - Издательство: Питер. - С. 235.
5. Соколов Н.А. Учебное пособие по аналитической геометрии. Гл. 3.4.
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ В СИСТЕМАХ НАГРЕВА ВРАЩЕНИЕМ
© Маннанов Э.Р.*, Муратов А.АД Галунин С.А.*
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург
На основе теории индукционного нагрева разработана трехмерная конечно-элементная модель для решения электротепловой задачи при помощи программного пакета ANSYS. В статье исследуется влияние активных средств управления температурным полем в системе нагрева вращением, основная проблема и пути ее решения.
Ключевые слова численное исследование, моделирование, средства управления.
На данный момент разработка расчетно-экспериментальной методики индукционного нагрева заготовки учитывающий вращение с постоянной угловой скоростью ю в однородном магнитном поле - получения дополнительной тепловой энергии и обеспечения требуемого температурного распределения является актуальной задачей. 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 механическая энергия асинхронного электродвигателя преобразуется в тепловую. Таким образом, появляется дополнитель-
* Аспирант кафедры Электротехнологической и преобразовательной техники.
* Инженер кафедры Электротехнологической и преобразовательной техники.
" Доцент кафедры Электротехнологической и преобразовательной техники, кандидат технических наук, доцент.
ная мощность внутренних источников тепла. Поверхностный эффект вызванный вращением в однородном магнитном поле приведен [1; 2].
В рамках исследования была разработана численная 3D модель электромагнитных и тепловых процессов, учитывающая скорость вращения и все нелинейные физические свойства материалов на базе коммерческого пакета ANSYS. Геометрия исследуемой системы описана параметрами, которые могут быть легко изменены во время оптимизационного поиска. Параметры оптимизации это ширина индуктора, длина индуктора, высота индуктора, воздушный зазор, мощность питающего индуктор генератора и скорость вращения заготовки.
В основе как аналитических, так и численных методов расчета электромагнитных полей лежит система уравнений Максвелла, которая представляет собой модель электромагнитного процесса. В математической модели системы конечно-элементное решение электромагнитной задачи осуществляется с применением магнитного векторного потенциала (AX, AY, AZ). Данная формулировка является узловой и позволяет проводить анализ статических, гармонических и переходных задач и имеет три основные степени свободы [3; 4]. 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. Для решения совмещенной задачи применен трехмерный магнитный элемент SOLID97. Форма элемента тетраэдр. Для моделирования температурного распределения использовался трехмерный элемент SOLШ90. 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. Построенная модель содержит приблизительно 50000 элементов (см. рис. 1а). Индуктор представлен двумя медными пластинами. Диаметр заготовки 0,3 м, длина 0,9 м. Скорость вращения заготовки подбиралась таким образом, чтобы получить температуру 530-550 °С градусов Цельсия. Распределение источников теплоты в заготовке изображено на рис. 1 б.
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.
б) Распределение источников а) Численная 3D модель г
теплоты в заготовке
Рис. 1
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. Средства пространственного управления температурным полем делятся на активные и пассивные. К активным средствам относятся системы генерации электромагнитного поля, в которых можно изменять величину тока, частоту тока, форму и размеры вносимых источников. 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. [1; 2].
Рис. 2. Численная 3D модель
В целях исследования влияния активных средств управления было решено изменить только конструкцию индукторов. Оба индуктора имеют П-образную форму прямоугольного сечения. Система разбитая на конечно-элементную сетку представлена на рис. 2, а распределения источников теплоты и температуры в нагреваемой заготовке на рис. 3 и 4.
ля
ДС ЕШВС 5СЫЯ1СН
етр=1 1
ЯВ =1
ггег=.:ссЕ-оз гее. сну
Рис. 4. Температурное распределение в заготовке
Как видно из полученных результатов, изменение геометрии усложняет характер процесса нагрева. Энергия выделяющаяся в цилиндрической заготовке возросла сконцентрировавшись у одного из торцов заготовки и увеличилась скорость нагрева. С помощью системы П-образных индукторов получен градиентный нагрев необходимый для обработки давлением.
В заключении хотелось бы подчеркнуть, что индукционный нагрев дает возможность локализации источников тепла в заданном поверхностном слое детали, а применение пространственных средств управления тепловым полем добиваться требуемого распределения температуры [5; 6]. Это в свою очередь позволяет регулировать технологический процесс нагрева, изменяя геометрические параметры, частоту и мощность питающего индуктор генератора.
Разработанная численная 3D модель электромагнитных и тепловых процессов на базе коммерческого пакета ANSYS позволяет проводить моделирование и исследование систем нагрева цилиндрических заготовок вращением с применением пространственных средств управления тепловым полем. Модель позволяет всесторонне исследовать процесс нагрева, оценить влияние средств управления температурным полем, провести оптимизацию конструкции индукторов, режимов работы установок и значительно сократить сроки проектирования.
Список литературы:
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. 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. Устойчивость работы электротехнологической нагрузки от высокочастотного источника питания / Ю.И. Блинов, К.Ю. Блинов, С.А. Галунин, В.В. Ишин, Б.Я. Качанов, Э.Р. Маннанов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -2014. - Вып. 9. - С. 54-58.
6. Mannanov E., Galunin S., Blinov K. Numerical Optimization of Transverse Flux Induction Heating Systems / E. Mannanov, S. Galunin, K. Blinov // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2015 IEEE NW Russia. - 2015. - P. 241-244.
