Comsol带电小球空间电场计算

本例演示了Comsol模拟旋转工件感应加热过程。首先搭建圆柱工件和加热线圈的几何模型，然后添加磁场-热场边界条件和材料参数，接着采用四面体网格和边界层网格划分物理模型网格，最后通过频域-瞬态计算求解了旋转工件感应加热温度场分布。投稿｜电子F430编辑｜小苏审核｜赵佳乐感应加热感应加热是一种利用电磁感应原理将电能转化为热能的技术，其核心在于通过交变电流产生的磁场在导体中感应出涡流，进而使导体自身发热。核心原理（1）电磁感应：交变电流通过感应线圈产生交变磁场。（2）涡流效应：磁场中导电材料内部会感应闭合电流。（3）焦耳热：涡流在电阻作用下转化为热能，使材料升温。显著优点（1）高效节能：热量直接在工件内部产生，热损失小。（2）精确控温：可实现局部或整体加热，精度高。（3）环保清洁：无明火和废气排放，符合环保要求。（4）快速加热：几秒内可达高温，适合自动化生产线。工作频率（1）低频(50-1000Hz)：穿透深，适合大尺寸工件。（2）中频(1-10kHz)：中等穿透，用于锻造、熔炼。（3）高频(10kHz-1MHz)：穿透浅，用于小件加热。注意事项（1）设备需良好接地，避免触电风险。（2）高温工件需使用隔热工具操作，防止烫伤。（3）高频设备需配备屏蔽装置，减少电磁辐射泄漏。（4）定期检查线圈绝缘性能，防止短路或火灾。图1.感应加热物理建模构建的旋转工件感应加热几何模型如图2所示，其中内侧长圆柱为旋转工件，短空心圆柱为加热线圈，最外侧圆柱为空气域。计算过程所需材料参数如图3所示。图2.几何模型图3.材料参数边界条件旋转域(1)圆柱工件设置旋转域；(2)旋转角速度5rad/min，初始角度0rad。磁场(1)选择空气设置流体中的安培定律域边界条件；(2)选择圆柱工件设置固体中的安培定律域边界条件；(3)选择线圈设置线圈域边界条件，线圈激励电流20A；(4)全部域设置A场规范固定。固体传热(1)选择空气设置流体域边界条件；(2)选择圆柱工件和加热线圈设置固体域边界条件；(3)外边界设置热通量散热边界，换热系数10；(4)初始温度293.15K。多物理场耦合全部域选择电磁热域边界条件。图4.物理场边界条件网格划分根据有限元法求解原理，网格剖分越精细，计算结果求解越准确。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，计算过程采用四面体网格对模型进行划分，具体网格分布如图5所示。图5.计算网格结果展示采用频域-瞬态全耦合求解器计算，得到旋转工件电磁和温度场分布如下所示。图6.磁感应强度分布图7.磁感线分布图8.温度分布图9.等温线分布图10.截点温度随时间变化曲线来源：Comsol有限元模拟