CN111460713B - 基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分析法 - Google Patents

基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分析法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分析法；对LOCA条件下的包壳材料进行热场分析；通过前处理软件SOLIDWORKS，将被研究物体进行3D建模，并将建好的模型导入到多物理场耦合软件COMSOL中；对感应加热线圈进行电磁特性分析，得出电磁场的分布规律云图，并将其转化为热源，耦合到固体传热模块中去，进而得出被研究物体的表面和中心处的温升；本发明目的是研究在不同温度升高情况下，金属体内温度分布情况，并和实验进行对比，最终实现用仿真分析的方法去替代实验测试。

Description

基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分 析法
技术领域
本发明涉及到特殊样品的温度测量领域，特别是一种基于有限元分析的包壳材料在电磁感应加热下的温度分析方法。
背景技术
安全壳作为保护反应堆安全的重要部件，研究其在LOCA事故中的温度分布对维护反应堆的安全性至关重要，为了减少对外部环境的放射性释放，必须在事故期间保证安全壳结构的完整性，即在LOCA条件下安全壳所承受的最高压力和温度应均低于设计值。其中，锆合金因其优异的辐照、力学和抗腐蚀性能，已经广泛被应用于安全壳材料当中。然而对锆合金在LOCA条件下服役的相关实验研究受限于实验条件的限制而未能得到充分研究，因此需要运用模拟仿真的方法对合金内部温度场的分布进行计算。
发明内容
本发明是为了解决上述的问题，设计了一种基于有限元分析的在LOCA条件下获取样品温升的方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分析法。该方法包含如下几个步骤：
步骤一：根据锆合金包壳的具体尺寸，以及周围加热装置的尺寸及线圈的位置排布，在SolidWorks中建立实体3D模型；
步骤二：将3D模型导入到多物理场耦合软件COMSOL中去，在软件中形成几何实体。定义好各种材料的电磁特性及热特征参数。对输入的几何体进行网格剖分，包括选择单元类型，设置网格尺寸，测试网格精度，做好所有的前处理工作；
步骤三：选择磁场和传热场作为计算物理场。选用麦克斯韦方程组分析和研究电磁场的规律
Figure GDA0003490987580000021
Figure GDA0003490987580000022
Figure GDA0003490987580000023
Figure GDA0003490987580000024
步骤四：为了简化电磁场计算问题，需要定义两个参数(矢量磁势和标量电势)把电场和磁场的变量分离开计算，分别得到一个独立的电场和磁场的偏微分方程；
Figure GDA0003490987580000025
Figure GDA0003490987580000026
步骤五：建立材料属性和场量之间的本构方程；
Figure GDA0003490987580000027
Figure GDA0003490987580000028
Figure GDA0003490987580000029
步骤六：定义线圈的属性，包括线圈匝数，横截面积，输入电流大小和方向等；
步骤七：设置电磁场求解边界条件；
步骤八：设置能量守恒方程求解温度场；
Figure GDA00034909875800000210
Figure GDA00034909875800000211
其中ρ0，Cp，k分别代表物质的密度，比热容和热导率，热源项也包含了自身的产热，对外的热传导以及辐射散热三个部分；
步骤九：添加电磁热源，表达式如下：
Figure GDA00034909875800000212
其中ρs金属材料电阻率，
Figure GDA00034909875800000213
为感应电流面密度，通过这种耦合关系，我们可以把电磁场和温度场耦合起来。
步骤十：设置边界条件，金属的两个侧边采用热通量边界条件，金属上表面设置表面对环境辐射边界条件，其余边界为绝热边界。
步骤十一：求解器设置，磁场采用线圈几何特性求解，电磁场和传热场耦合采用频域-瞬态求解器进行求解。
步骤十二：绘制加热金属的整体温度分布云图，采集探测点的表面的温升数据并绘制线图。
步骤十三：与实验结果进行对比，验证仿真结果的精确性，从而成为代替实验测试的方法。
与现有技术比，本发明具有如下优势：利用本发明的技术方案，基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分析法，能解决现有的在LOCA条件下，传感器探头无法贴近被测物体表面，红外法无法测量被测对象的真实温度的局限。通过有限元仿真计算分析，有效地缩短了表面温升的测量时间，大大地提高了工作效率。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明所述的有限元分析法的流程示意图。
图2是本发明所述的整体三维模型。
图3是本发明所述的电流激励曲线。
图4是本发明所述的样品温度分布云图。
图5是本发明所述的样品表面温升曲线。
图6是本发明所述的仿真温升曲线与实际测量曲线的对比。
图中标识：10-温度检测点；20-线圈；30-被加热金属。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1所示，该方法包含如下几个步骤：
步骤一：根据锆合金包壳的具体尺寸，以及周围加热装置的尺寸及线圈的位置排布，在SolidWorks中建立实体3D模型，3D模型的结构特征为被加热金属设置于线圈中心处；
步骤二：将3D模型导入到多物理场耦合软件COMSOL中去，在软件中形成几何实体，如图2所示。
定义好材料的电磁特性及热特征参数，如下表所示：
SG1 4.1*0.01 0.041 电阻率参数
SG2 1/0.017241*SG1[MS/m] 2.3781E6 S/m 金属电导率
A1 22.6[W/(m*K)] 22.6W/(m·K) 金属导热系数
A3 6.49[g/cm^3] 6490kg/m3 金属密度
k2 A2/(A3*k1) 277.13J/(kg·K) 金属热容(转换后)
对输入的几何体进行网格剖分，采用网格最大单元大小为0.01m，最小单元大小为1e-4m，完整网格包含487663个域单元、15427个边界元和552个边单元。
步骤三：选择磁场和传热场作为计算物理场。选用麦克斯韦方程组分析和研究电磁场的规律；
Figure GDA0003490987580000041
Figure GDA0003490987580000042
Figure GDA0003490987580000043
Figure GDA0003490987580000044
步骤四：为了简化电磁场计算问题，需要定义两个参数(矢量磁势和标量电势)把电场和磁场的变量分离开计算，分别得到一个独立的电场和磁场的偏微分方程；
Figure GDA0003490987580000045
Figure GDA0003490987580000046
步骤五：建立材料属性和场量之间的本构方程；
Figure GDA0003490987580000051
Figure GDA0003490987580000052
Figure GDA0003490987580000053
步骤六：定义线圈的属性，线圈匝数为3，横截面积为1e-6m2，输入的电流大小随时间的变化如图3所示，则求得的电流密度为：
Figure GDA0003490987580000054
步骤七：设置电磁场求解边界条件。除了线圈的输入边界条件，其余的边界条件均为磁绝缘：
Figure GDA0003490987580000055
步骤八：设置能量守恒方程求解温度场；
Figure GDA0003490987580000056
Figure GDA0003490987580000057
其中ρ0，Cp，k分别代表物质的密度，比热容和热导率，热源项也包含了自身的产热，对外的热传导以及辐射散热三个部分。
步骤九：添加电磁热源，表达式如下：
Figure GDA0003490987580000058
其中ρs金属材料电阻率，
Figure GDA0003490987580000059
为感应电流面密度，通过这种耦合关系，我们可以把电磁场和温度场耦合起来。
步骤十：设置边界条件，金属的两个侧边采用热通量边界条件，金属上表面设置表面对环境辐射边界条件，其余边界为绝热边界。
步骤十一：求解器设置，磁场采用线圈几何特性求解，电磁场和传热场耦合采用频域-瞬态求解器进行求解。
步骤十二：采用金属体初始温度300摄氏度，以300摄氏度每分钟的速度上升到500摄氏度，再以600度每分钟的速度上升到800摄氏度，再以300度每分钟的速度上升到1000摄氏度，再以600度每分钟的速度上升到1200摄氏度。相应云图及温升曲线如图4，图5所示。
步骤十三：与实验结果进行对比，如图6所示，结果显示仿真与实验的误差在3％以内，计算结果非常可靠，具备了周期短，易操作，准确性高的条件，说明该方法完全可以用来替代实验测试。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于包壳材料在电磁感应加热条件下的温度分布有限元分析法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：根据锆合金包壳的具体尺寸，以及周围加热装置的尺寸及线圈的位置排布，建立实体3D模型；
步骤二：将3D模型导入到多物理场耦合软件COMSOL中去，在软件中形成几何实体；定义好锆合金材料的电磁特性及热特征参数；对输入的几何体进行网格剖分，包括选择单元类型，设置网格尺寸，测试网格精度，做好所有的前处理工作；
步骤三：选择磁场和传热场作为计算物理场，选用麦克斯韦方程组分析和研究电磁场的规律：
Figure FDA0003490987570000011
Figure FDA0003490987570000012
Figure FDA0003490987570000013
Figure FDA0003490987570000014
其中
Figure FDA0003490987570000015
——磁场强度矢量(A/m)
Figure FDA0003490987570000016
——电流密度矢量(A/m2)
Figure FDA0003490987570000017
——电通密度矢量(C/m2)
Figure FDA0003490987570000018
——电场强度矢量(V/m)
Figure FDA0003490987570000019
——磁感应强度矢量(T)
ρ——电荷体密度(C/m3)；
步骤四：为了简化电磁场计算问题，需要定义两个参数的分别为：矢量磁势和标量电势，把电场和磁场的变量分离开计算，分别得到一个独立的电场和磁场的偏微分方程；
Figure FDA00034909875700000110
Figure FDA00034909875700000111
步骤五：建立材料属性和场量之间的本构方程；
Figure FDA0003490987570000021
Figure FDA0003490987570000022
Figure FDA0003490987570000023
步骤六：定义线圈的属性，包括线圈匝数、横截面积、输入电流大小和方向；
步骤七：设置电磁场求解边界条件；
步骤八：设置能量守恒方程求解温度场；
Figure FDA0003490987570000024
Figure FDA0003490987570000025
其中ρ0，Cp，k分别代表物质的密度，比热容和热导率，热源项也包含了自身的产热，对外的热传导以及辐射散热三个部分；
步骤九：添加电磁热源，表达式如下：
Figure FDA0003490987570000026
其中ρs金属材料电阻率，
Figure FDA0003490987570000027
为感应电流面密度，通过这种耦合关系，将电磁场和温度场耦合起来；
步骤十：设置边界条件，金属的两个侧边采用热通量边界条件，金属上表面设置表面对环境辐射边界条件，其余边界为绝热边界；
步骤十一：求解器设置，磁场采用线圈几何特性求解，电磁场和传热场耦合采用频域-瞬态求解器进行求解；
步骤十二：绘制加热金属的整体温度分布云图，采集探测点的表面的温升数据并绘制线图；
步骤十三：与实验结果进行对比，验证仿真结果的精确性，从而成为代替实验测试的方法。
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