ADINA电磁场分析模块

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ADINA电磁分析模块

      电磁学是科研及工程中的一个重要领域,特别是电磁效应还常常与结构力学和流体系统耦合考虑。电磁学有很多重要的应用,包括:电动马达,炉子和烤箱的加热,医疗,电磁开关,电磁泵和刹车,波导,天线,传输线,电磁铸造,金属无损检测等等。

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        上述所有的电磁现象和应用均无一例外地由麦克斯韦方程组来表征。为了实现电磁多物理场的应用,中仿ADINA研发工程师一直致力于发展ADINA新的模拟工具—中仿ADINA电磁分析模块,完美求解不同的载荷和边界条件作用下的麦克斯韦方程组。中仿ADINA电磁分析模块以其优越的模拟性能,使用户可以求解不同的电磁问题,并能将电磁效应与流体流动耦合进行分析。

       在ADINA电磁分析模块中,采用了两种明显不同的方程,即一种新的E-H公式和A-φ公式,我们通常使用的公式A-φ如下:

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        我们用有限元方法求解这两个公式。出于效率和准确度的考虑,是将这些方程在不增加新的方程的情况下进行二阶重构,而不是求解上述提到的麦克斯韦一阶方程,值得注意的是,中仿ADINA电磁分析模块提供了E-H及A-φ这两个特别的公式。因为A-φ公式为广大工程师和科学者所熟知,可以直接地使用,但也存在一定的缺陷。E-H公式则非常新颖,使用了未知的物理变量,将更加直接地耦合到流体和结构问题中去。

        首次发布的中仿ADINA电磁分析模块,能够求解以下不同类别的电磁问题:

▪静电场

▪静磁场

▪ DC电流传导

▪时谐

▪边电流

▪ AC电流传导

▪ 洛伦兹力

▪ 电磁-热耦合

▪ 波导

        当然,中仿ADINA电磁分析模块的前后处理和求解都是在中仿ADINA用户界面下完成的,下面展示了三个利用中仿ADINA电磁分析模块求解的模型。

1.尖锐材料界面问题的谐波分析

         第一个例子,展现了中仿ADINA电磁分析模块在求解尖锐材料界面时的能力,即界面相邻的材料属性差异非常大的情形。如图1所示,外层区域材料是不导电的,而内层区域材料具有很高的电导率。由于两种材料差异很大,在材料界面处电磁场会发生突变。处理该问题时,中仿ADINA电磁分析模块对每个区域都采用E-H公式求解,而不是不同的区域用不同的公式来计算,图2与3分别展示了电场和磁场强度的实部和虚部。

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图1  尖锐材料界面问题:示意图

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图2 尖锐材料界面问题:电场强度E的矢量图;实部(左)和虚部(右)

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图3 尖锐材料界面问题:磁场强度H的矢量图;实部(左)和虚部(右)

         我们同时也比较了中仿ADINA电磁分析模块的模拟值与理论值,如图4和5所示,可以看出计算结果与理论值是高度吻合的。

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图4 尖锐材料界面问题:电场强度E模拟值和理论值的比较;实部(左)和虚部(右)

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图5 尖锐材料界面问题:磁场强度H模拟值和理论值的比较;实部(左)和虚部(右)

2.管道中玻璃液的电磁诱导混合问题

电磁搅拌和混合是典型的多物理场现象。将中仿ADINA电磁分析模块的A-φ公式及ADINA CFD模块的流体公式耦合使用,即可模拟管式混合器中电磁驱动下的对流混合问题。该模型的示意图如图6所示,在该例中,两个电极放置在柱形管道的导电流体内,其时变电压所产生的洛伦兹力会驱动流体搅拌和混合,此外整个装置还处于外部的恒定磁场中。由于洛伦兹力的影响,搅拌与混合发生在垂直于流体流向的平面上。

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图6 电磁诱导混合:示意图

         管道顶部的瞬态混合过程的动态过程由下图7至9所示,入口浓度是非均匀的。下面也展示了某时刻的电磁混合情况,包括,计算的势A和φ,在垂直于流体流向的平面上的速度场,入口和出口处的质量浓度,从出口处的均匀浓度分布可看出电磁驱动下完美的混合效果。

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图7 电磁诱导混合:A(左)和φ(右)

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图8 电磁诱导混沌混合: 近入口处的速度矢量图

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图9 电磁诱导混合:入口(左)和出口(右)处的质量比

3.时谐磁场激励下带有裂缝的环形导体涡流分析

        该问题的示意图如图10所示,外部的谐波磁通作用于导体而产生涡电流。环形导体有四个等深度的裂缝,这些裂缝会改变无裂缝时的电磁场,这种检测就是电磁无损检测的基本原理。建模时,由于对称性,仅模拟整个区域的1/8。这类三维时谐涡电流问题将使用中仿ADINA电磁分析模块的E-H公式求解。图11和12展示了切面上电场和磁场强度的实部与虚部,可以看出裂缝的存在的确改变了电场和磁场的方向和大小。

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图10  环形导体涡电流: 示意图
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图11  环形导体涡电流:电场强度E矢量图;实部(左)和虚部(右)

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图12 环形导体涡电流: 磁场强度H;实部(左)和虚部(右)