[发明专利]电磁场-流场-温度场耦合计算中的异型网格映射方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种网格映射方法，尤其是一种电磁场-流场-温度场耦合计算中的异型网格映射方法。

背景技术

多物理场耦合系统中最突出的矛盾是各物理场对网格离散的不同特征要求和网格间的数据映射。传统的处理方法分为两种，在分别进行各物理场求解时，若根据各自特征方式离散，建立不同的有限元模型，耦合时则无法直接一一对应地读取单元或节点计算结果，通常采用平均载荷加载方式，然而尤其是对于时域瞬态多物理场耦合问题的实时求解（特别是含有媒质运动、流体流动等），这种加载方式显然无法满足工程设计需要；而若建立统一的有限元模型，则必须同时兼顾各物理场对网格形状和精度的要求，导致网格数量极大增加，对计算机硬件的要求更为苛刻。

对于多物理场分析的弱耦合方法，在分别进行各物理场求解时，若根据各自特征方式离散，建立不同的有限元模型，耦合时则无法直接一一对应地读取单元或节点计算结果(如图1所示)，通常采用平均载荷加载方式，然而尤其是对于时域瞬态多物理场耦合问题的实时求解（特别是含有媒质运动、流体流动等），这种加载方式显然无法满足工程设计需要；而若建立统一的有限元模型，则必须同时兼顾各物理场对网格形状和精度的要求，导致网格数量极大增加，对计算机硬件的要求更为苛刻。要更好地实现多物理场耦合分析的弱耦合求解，首先必须解决耦合计算中的网格数据映射问题，鉴于目前传统的处理方法难以满足计算精度及计算效率的要求，多物理场耦合计算网格映射急需突破传统的方法，寻求新的理论及方法的指导。

不匹配网格的数据传递(Data Transfer between Non-matching Meshes)是电磁场数值计算中的重要问题，它允许将求解域分解为多个子域，在各区域以最适合子域特征的方式离散，而在各区域交界面上，边界节点不要求逐点匹配（如图2所示），网格数据在交界面上实现映射。近年来，国内外研究者对不匹配网格的数据传递的研究取得了一些成果：

(1)1996年由德国Fraunhofer研究院SCAI中心提出，主要应用于航空航天领域飞机设计中流固耦合计算的不同区域不匹配网格间的数据传递；

(2)2004年美国伊利诺斯大学的Xiangmin Jiao和Michael T.Heath对流固耦合问题中的不匹配网格映射从数值方法上提出了新的思路，其中包括逐点内外插值法、面积加权平均法，Mortar元法等；

(3)2006年德国弗里德里希·亚历山大埃尔兰根纽伦堡大学的Faisal Ahmed在硕士论文中提出了解决流固耦合问题中的不匹配网格数据映射的数值方法；

(4)2008年日本物理化学研究所的Yoshifumi Okamoto将不匹配网格的映射应用到电机的电磁-热耦合分析中；

(5)2011年武汉大学刘守豹博士在处理运动导体涡流场数值计算时采用的Mortar元法也可以解决边界节点不匹配问题；

(6)2011年全球最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS在最新的版本中推出了适用于电磁场、流场、温度场耦合计算中各场之间异型网格映射的功能。

不匹配网格的数据传递方法和原理为多物理场耦合数值计算中异型网格映射提供了一种新的思路，可以推广到全模型的网格映射。因此，需要面向电磁装置的温升分析，探索出适用于多物理场耦合计算的异型网格映射新理论与方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁场-流场-温度场耦合计算中的异型网格映射方法，提出异型网格映射方法来处理耦合场分析中整体模型的不一致网格间数据传递问题，解决不同物理场对网格剖分精度以及形状不同需求的问题，可实现不同物理场采用不同类型网格之间的数据传递，大大减少了网格数量，提高了计算时间及精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电磁场-流场-温度场耦合计算中的异型网格映射方法，该方法包括以下步骤：

1）建立流场-温度场计算模型，将模型离散为四边形有限元网格；

2）按逆时针顺序读取各模型离散单元的节点坐标值；

3）再次建立研究对象在电磁场计算中的几何模型，根据电磁场理论中磁场分布特点，将模型离散为三角形有限元网格，进行电磁场数值计算；

4）将功率损耗映射到温度场中的各单元；

5）将映射后的总功率与电磁场计算结果中导体总功率进行对比，得到映射修正系数；

6）将修正后的各单元功率损耗密度作为载荷加载到温度场中进行求解计算，得到温度结果；

从而得到温度场中各单元功率损耗。