Comsol-电磁炉电-热-流耦合计算
电磁炉电-热-流耦合
针对电磁炉电磁感应加热过程中电磁场、温度场与流场之间的强非线性耦合效应，进行了一项电磁炉加热系统的多物理场耦合数值模拟研究。研究基于麦克斯韦方程组构建的磁场控制方程，结合焦耳热效应与涡流损耗原理，建立电磁炉电磁-热耦合模型，揭示交变磁场作用下导磁锅体内部涡流分布与瞬态温升的变化规律。在此基础上，引入流体动力学控制方程，考虑流体流动散热过程，构建电磁炉电-热-流三场全耦合数学模型，精确模拟加热过程中电磁炉内流体介质的温度场分布与流体力学特性。
基于Comsol有限元模拟，建立电磁炉系统的电-热-流多物理场耦合模型，综合考虑电磁感应、热传导与流体流动过程，展示电磁炉加热过程中多场耦合的物理场变化规律，为电磁炉设计与能效提升提供坚实的理论支持。
电磁炉简介
电磁炉又称为电磁灶，1957年第一台家用电磁炉诞生于德国。1972年，美国开始生产电磁炉，20世纪80年代初电磁炉在欧美及日本开始热销。
图1 | 电磁炉照片
电磁炉系利用线圈盘在控制电路的作用下产生低频之交变磁场，经过导磁性锅具产生大量密集涡流，兼有感应电流转化为热量来加热食物，能源效率特高。使用铁质、特殊不锈钢或铁烤珐琅之平底锅具，且其锅底直径以12~26厘米为宜。电磁炉附有温度控制器，可防过热，省电又安全。
物理场建模分析
选择专业的数值计算软件COMSOLMultiphysics，可以模拟所有可用的偏微分方程(PED)描述的物理方程，可以联立求解任何耦合的多物理场问题。而且在求解此类耦合问题时，还可以通过其自身的高性能求解器，建立有针对性网格结构，可以在保证计算精度的前提下降低计算代价，提高计算速度。
采用Comsol软件进行电磁炉电-热-流耦合的建模分析有以下步骤：
(1)选择分析问题所需要的磁-热-流双三耦合模块，它会根据所分析的问题自动选择所需要的固体传热模块、流场模块和电磁场模块进行组合。
(2)选择所要建立的几何模型的类型，并针对电磁炉建立二维轴对称模型。
(3)根据所建立的几何模型，针对不同的物理场采用不同的网格进行划分，
提高其计算效率和计算的收敛性。
(4)定义仿真模拟的基本参数值，针对不同的物理场模块定义不同的函数作
用在工件上，从材料库中选择材料属性定义主域和各个分析子域的属性参数。
(5)给各个不同的物理场施加不同的工作载荷，设置相对应的初始条件和边
界条件。
(6)根据多物理场分析模型，判断耦合变量，其收敛步1是否存在交叉，交叉则耦合良好。
(7)选择研究方式为暂态，设置求解变量，进行求解。
(8)对输出结果进行分析。
物理场建模过程
电磁炉感应加热实体模型主要包括三部分，即散热管道流体、感应线圈和外围空气。这三部分的材料物理属性各不相同，均通过查阅相关参考论文得到。
图2 | 几何模型
Comsol软件其边界条件有自身的特点。在模拟感应加热和散热方面，边界条件的设定可分为平面感应电流向量位能的电磁场边界设定、广义传热的温度场边界设定以及流场边界设定三大部分，在这三部分中需分别定义一般物理常数边界和求解域边界。磁场设置线圈电流激励；温度场耦合电磁损耗热源、通过热传导和热对流进行换热；流场则设置散热流体流入和流出边界。
图3 | 物理场边界条件
Comsol软件中，网格划分功能较为智能，通常采用一键式自动网格划分方式，如果对于计算精度有较高要求只需选定区域细化网格即可，细化网格也是软件自动完成。受涡流分布的集肤效应影响，如果采用感应加热进行管道加热，需对集肤深度层处的网格进行细化处理。加热过程中线圈集肤深度在1毫米左右，而接近87%的热量在该层内产生，为确保计算精度，必须细化集肤深度层的网格。
图4 | 网格分布
采用频域-暂态研究方法进行计算，得到1MHz高频条件下8h后电磁炉的相关特性如下所示。
图5 | 磁场分布
图6 | 温度场分布
图7 | 速度场分布
图8 | 探针点的温度随时间变化曲线
文 案丨电子F430
编 辑丨小苏
校 对丨小苏
审 核丨赵佳乐
