[发明专利]一种基于有限公式法的感应加热磁热耦合场改进计算方法

说明书

本发明涉及一种基于有限公式法的感应加热磁热耦合场改进计算方法。在每个温度场时间步长前计算一个周期瞬态磁场，磁场计算时以上一步时间步长下温度分布折算部件各位置电导率；将磁场计算得到的涡流损耗作为下一个时间步长温度场计算时的热源，计算温度场时以上一步时间步长下温度分布折算部件各位置导热系数、比热容；由于在计算中考虑温度分布特征对电导率、导热系数、比热容的影响，且以瞬态磁场计算得到的涡流损耗作为瞬态温度场热源，实现瞬态电磁场‑温度场的耦合；通过改进有限公式电磁场、温度场数学模型，降低耦合场求解的计算量。本发明具有计算精度高、计算速度快的特点，适于推广应用。

技术领域

本发明涉及感应加热磁热耦合计算方法领域，具体是一种考虑材料导热性能、比热容、电导率随温度变化的感应加热问题磁热耦合场有限公式法改进计算方法。

背景技术

感应加热系统由于其加热位置精准、可控性强、动态响应好，受到了研究者与厂商的广泛重视。部件温度场的准确计算是感应加热系统设计、分析与控制过程中的核心环节，而感应加热部件内的温度场问题，并不是一个简单的由基本物性参数、结构参数、边界条件和热源出发的单向求解问题。事实上，其温度场与交变磁场间存在复杂耦合关系：

(1)部件内温度场问题的发热源为交变磁场感生涡流电流的欧姆损耗，温度场与瞬态磁场存在源耦合关系；

(2)由于材料电导率为温度的函数，部件内的温度分布状态影响其电导率分布，进而影响其磁场分布、涡流电流及欧姆损耗大小；

(3)材料导热系数、比热容同样受温度影响，部件温度场本身存在非线性自耦合关系。

针对上述问题，需要耦合求解感应加热系统的瞬态磁场、温度场，由于耦合关系复杂、迭代过程中需要修正物理量繁多，其求解难度高、占用计算资源庞大。

有限公式法是一种新型的数值计算方法，具有物理意义明确、控制方程组积分守恒性好的特点，近年来在电气装备电磁场、温度场数值计算中得到了较多应用。改进基于有限公式法的感应加热问题磁热耦合场数学模型，降低耦合计算量，具有重要工程与研究意义。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种考虑物性参数随温度变化的感应加热瞬态磁场-温度场耦合迭代计算方法，通过改进有限公式数学模型降低计算量，快速、准确地得到感应加热部件内的温度分布。

技术方案

一种基于有限公式法的感应加热磁热耦合场改进计算方法，其特征在于：磁场、温度场均为时步瞬态场，且两者时间步长不同；每个温度场时间步长前计算一个周期瞬态磁场；通过瞬态磁场计算得到部件内感生涡流电流与涡流损耗；以涡流损耗为热源，通过瞬态温度场计算得到部件温度分布与变化过程；瞬态磁场计算时，其部件各个位置电导率通过前一个温度场时间步长下温度分布特征修正，计算收敛后电导率与温度相协调；瞬态温度场计算时，部件各个位置的导热系数与比热容通过前一个温度场时间步长下温度分布特征修正，计算收敛后导热系数及比热容与温度相协调；计算中通过应用改进的有限公式磁场、温度场数学模型来降低迭代过程的计算量。