FEMM 5

Теплопроводность · Плоскопараллельная

Тепловое узкое место контактной прослойки

Два медных участка длиной по 45 мм соединены прослойкой длиной 10 мм, ширина 10 мм, глубина 1 м. Только прослойка выделяет 10 Вт на метр; внешние торцы поддерживаются при 20 °C.

Цель работы — связать полевое распределение с измеряемой величиной, получить проверяемый численный результат и объяснить границы выбранной модели. Все параметры заданы непосредственно в программе. Собственная постановка содержит физический ориентир и критерии приёмки, поэтому результат можно исследовать без внешней библиотеки готовых решений.

Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.

Допущения и устройство учебной модели

Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.

Физическая и математическая постановка

Теория и контрольная модель

Малая теплопроводность тонкой прослойки способна ограничить теплоотвод даже при массивных медных деталях. Здесь тепло симметрично выходит в две стороны, а в самой прослойке температура имеет параболический профиль. Медь создаёт линейные температурные участки между прослойкой и термостатами.

Аналитическая температура центра складывается из перепада на одном медном участке при половине полной мощности и внутреннего подъёма в равномерно нагреваемой прослойке. Сравнение трёх сеток проверяет разрешение области с низкой теплопроводностью и правильное назначение источника только одному материалу.

T_c-T_a=\frac{P^{\prime}l_{Cu}}{2k_{Cu}w}+\frac{q_va^2}{8k_c}

Как читать расчёт и проверки

Программа создаёт три последовательные дискретизации. Для каждой сохраняются отдельная входная модель и собственное решение FEMM. Перед запуском решателя записанный файл закрывается и повторно открывается: проверяется именно сохранённая версия с русскими именами материалов, проводников и границ. В result.json величины records сопровождаются числом узлов и элементов, а checks содержит фактический остаток, предел и логический итог.

Для электрических моделей отдельно проверяются баланс токов на выводах и равенство суммарных джоулевых потерь и активной мощности на выводах. Для тепловых задач используются аналитический профиль, эквивалентное координатное преобразование или интегральный баланс источников и теплоотдачи. Эти проверки отвечают на разные вопросы: совпадение одной температуры или одного тока само по себе не подтверждает правильность всей постановки.

Практическое исследование

Измените теплопроводность прослойки в десять раз и сравните два вклада аналитической температуры. Объясните, почему увеличение теплопроводности медных частей может почти не изменить результат при доминировании прослойки.

Измените толщину прослойки, сначала сохраняя объёмную мощность, затем сохраняя полную мощность. Эти два опыта дают разные законы изменения температуры. В отчёте явно укажите, какая величина оставалась постоянной.

Поставьте разные температуры на внешних торцах. Симметрия исчезнет, но линейность стационарного уравнения с постоянными свойствами сохранится. Предскажите смещение наиболее горячей точки до выполнения расчёта.

Исходные данные

Два медных участка длиной по 45 мм соединены прослойкой длиной 10 мм, ширина 10 мм, глубина 1 м. Только прослойка выделяет 10 Вт на метр; внешние торцы поддерживаются при 20 °C.

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Длина прослойки10ммПринято в учебной постановке
k прослойки0,3Вт/(м К)Принято в учебной постановке
qv прослойки100000Вт/м³Принято в учебной постановке
k меди380Вт/(м К)Принято в учебной постановке
Температура торцов20°CПринято в учебной постановке

Порядок воспроизведения

  1. Скопируйте reproduce.py в отдельную рабочую папку и откройте его во встроенном редакторе Python FEMM 5. Запускайте файл целиком. Программа сама создаёт новый каталог calculated-XX рядом с файлом, поэтому повторная серия сохраняет предыдущие модели и результаты.
  2. До расчёта прочитайте параметры и единицы. После расчёта откройте последнюю входную модель и соответствующее решение. Сопоставьте назначение русских имён с физическим смыслом, определите путь тока или теплового потока и найдите величины, используемые в контрольной формуле.
  3. Сравните все три записи records и убедитесь, что каждый пункт checks имеет passed=true. Уточните различие между ошибкой аналитического сравнения, изменением по сетке, невязкой баланса и итерационным остатком. Для модели с координатным преобразованием откройте также отдельную контрольную геометрию.
  4. Выполните исследовательские варианты по одному. Перед изменением предскажите знак и примерный масштаб эффекта. В отчёте приведите выбранные параметры, контрольную формулу, таблицу сеток, независимые проверки и объяснение того, какие выводы можно переносить на реальный объект.

Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.

Программа встроенного Python FEMM 5
Python · reproduce.py
"""Самостоятельная лабораторная работа курса FEMM 5.
Запуск: встроенный MicroPython FEMM 5, команды FEMM доступны непосредственно.
Геометрические координаты и глубина — мм; результаты интегралов — единицы СИ.
Данные, допущения, аналитические ориентиры и ход исследования заданы в README.md.
Каждая серия записывается в новую calculated-XX; прежние результаты сохраняются.
Сохранённая модель закрывается и открывается до расчёта, включая русские имена.
"""

import os
import sys
import json
import math

script = globals().get("__file__", "") or (sys.argv[0] if sys.argv else "")
base = os.path.dirname(os.path.abspath(script)) if script else os.getcwd()
index = 1
while "calculated-%02d" % index in os.listdir(base):
    index += 1
directory = base + "/calculated-%02d" % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []


def real(value):
    if isinstance(value, (tuple, list)):
        return real(value[0])
    return complex(value).real


def check(name, value, limit):
    checks.append(
        {
            "name": name,
            "value": value,
            "limit": limit,
            "passed": math.isfinite(value) and value <= limit,
        }
    )


def polygon(prefix, points):
    for x, y in points:
        globals()[prefix + "_addnode"](x, y)
    for i, (x, y) in enumerate(points):
        x2, y2 = points[(i + 1) % len(points)]
        globals()[prefix + "_addsegment"](x, y, x2, y2)


def geometry(prefix, job, mesh):
    if job.get("polygon"):
        polygon(prefix, job["polygon"])
    for x1, y1, x2, y2 in job.get("interfaces", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
        globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
        globals()[prefix + "_addsegment"](x1, y1, x2, y2)
    for x, y, radius, name in job.get("circles", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x - radius, y)
        globals()[prefix + "_addnode"](x + radius, y)
        globals()[prefix + "_addarc"](x - radius, y, x + radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_addarc"](x + radius, y, x - radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y + radius)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y - radius)
        if prefix == "ci":
            ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
        else:
            hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
        globals()[prefix + "_clearselected"]()
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        globals()[prefix + "_addblocklabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_selectlabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_setblockprop"](name, 0, mesh, group)
        globals()[prefix + "_clearselected"]()


def current(job, mesh, stem):
    newdocument(3)
    ci_probdef("millimeters", "planar", 0, 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, sx, sy in job["materials"]:
        ci_addmaterial(name, sx, sy, 1, 1, 0, 0)
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        ci_addconductorprop(name, voltage, amperes, kind)
    geometry("ci", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("electrode_segments", []):
        ci_selectsegment(x, y)
        ci_setsegmentprop("<None>", mesh, 0, 0, 0, name)
        ci_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".fec"
    ci_saveas(path)
    ci_close()
    opendocument(path)
    ci_analyze(1)
    ci_loadsolution()
    co_smooth("off")
    terminals = {}
    terminal_power = 0
    balance = 0
    current_scale = 0
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        u, i = co_getconductorproperties(name)
        terminals[name] = {"U_V": real(u), "I_A": real(i)}
        terminal_power += real(complex(u) * complex(i).conjugate())
        balance += complex(i)
        current_scale = max(current_scale, abs(complex(i)))
    powers = {}
    power = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        if name == "<No Mesh>":
            continue
        co_groupselectblock(group)
        powers[str(group)] = real(co_blockintegral(0))
        power += powers[str(group)]
        co_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        values = co_getpointvalues(x, y)
        samples.append(
            {
                "x_mm": x,
                "y_mm": y,
                "U_V": real(values[0]),
                "J_A_m2": math.sqrt(
                    abs(complex(values[1])) ** 2 + abs(complex(values[2])) ** 2
                ),
            }
        )
    row = {
        "model": stem + ".fec",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": co_numnodes(),
        "elements": co_numelements(),
        "terminals": terminals,
        "P_W": power,
        "group_power_W": powers,
        "samples": samples,
        "current_balance_relative": abs(balance) / current_scale,
        "power_balance_relative": abs(power - terminal_power) / max(power, 1e-30),
    }
    check(stem + ": баланс токов", row["current_balance_relative"], 1e-6)
    check(stem + ": баланс мощности", row["power_balance_relative"], 1e-6)
    co_close()
    ci_close()
    return row


def heat(job, mesh, stem):
    newdocument(2)
    hi_probdef("millimeters", "planar", 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, kx, ky, q in job["materials"]:
        hi_addmaterial(name, kx, ky, q, 0)
    for name, kind, temp, ambient, h in job["boundaries"]:
        hi_addboundprop(name, kind, temp, 0, ambient, h, 0)
    geometry("hi", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("boundary_segments", []):
        hi_selectsegment(x, y)
        hi_setsegmentprop(name, mesh, 0, 0, 0, "<None>")
        hi_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".feh"
    hi_saveas(path)
    hi_close()
    opendocument(path)
    hi_analyze(1)
    hi_loadsolution()
    ho_smooth("off")
    averages = {}
    generated = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        ho_groupselectblock(group)
        averages[str(group)] = real(ho_blockintegral(0))
        volume = real(ho_blockintegral(2))
        q = [m[3] for m in job["materials"] if m[0] == name][0]
        generated += q * volume
        ho_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        samples.append({"x_mm": x, "y_mm": y, "T_K": real(ho_getpointvalues(x, y)[0])})
    convection = 0
    for x1, y1, x2, y2, ambient, h in job.get("convection_edges", []):
        count = 200
        total = 0
        for n in range(count + 1):
            t = real(
                ho_getpointvalues(
                    x1 + (x2 - x1) * n / count, y1 + (y2 - y1) * n / count
                )[0]
            )
            total += (0.5 if n in (0, count) else 1) * (t - ambient)
        length = math.sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2) * 0.001
        convection += total / count * length * job["depth"] * 0.001 * h
    row = {
        "model": stem + ".feh",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": ho_numnodes(),
        "elements": ho_numelements(),
        "samples": samples,
        "group_average_K": averages,
        "generated_W": generated,
        "convection_W": convection,
    }
    if job.get("convection_edges"):
        check(
            stem + ": баланс конвективного теплоотвода",
            abs(convection - generated) / max(generated, 1e-30),
            0.005,
        )
    ho_close()
    hi_close()
    return row


JOB = json.loads(
    '{"polygon": [[0, 0], [100, 0], [100, 10], [0, 10]], "interfaces": [[45, 0, 45, 10], [55, 0, 55, 10]], "depth": 1000, "materials": [["Медный теплоотвод", 380, 380, 0], ["Тепловая прослойка", 0.3, 0.3, 100000.0]], "blocks": [[20, 5, "Медный теплоотвод", 1], [50, 5, "Тепловая прослойка", 2], [80, 5, "Медный теплоотвод", 3]], "boundaries": [["Термостат", 0, 293.15, 0, 0]], "boundary_segments": [[0, 5, "Термостат"], [100, 5, "Термостат"]], "samples": [[50, 5], [45, 5], [55, 5]]}'
)
reference = 293.15 + 5 * 0.045 / (380 * 0.01) + 1e5 * 0.01**2 / (8 * 0.3)
for level, mesh in enumerate((0.75, 0.375, 0.1875)):
    row = heat(JOB, mesh, "model-%02d" % (level + 1))
    records.append(row)
    check(
        "Температура центра прослойки, сетка %d" % (level + 1),
        abs(row["samples"][0]["T_K"] - reference),
        0.03,
    )
check(
    "Сходимость температуры, К",
    abs(records[-1]["samples"][0]["T_K"] - records[-2]["samples"][0]["T_K"]),
    0.03,
)
check(
    "Симметрия температур граней прослойки, К",
    abs(records[-1]["samples"][1]["T_K"] - records[-1]["samples"][2]["T_K"]),
    1e-5,
)

result = {
    "runtime": "FEMM 5; embedded MicroPython",
    "records": records,
    "checks": checks,
    "passed": all(item["passed"] for item in checks),
}
with open(directory + "/result.json", "w") as output:
    json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result["passed"]

Картина рассчитанного поля

Температура, К: model-03.anh
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 model-03.anh. Абсолютная температура по сохранённым узловым значениям. Показана расчётная область. Контуры деталей взяты из той же модели. Области вне сохранённых треугольников не заполняются. Это научный график сохранённых данных. Нажмите на карту, чтобы открыть её отдельно и увеличить.

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Рабочая область модели «Тепловое узкое место контактной прослойки». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Тепловое узкое место контактной прослойки». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Тепловое узкое место контактной прослойки». Температура T, К, в контактной прослойке между медными теплоотводами. Изотермы скрыты для читаемости узкой нагретой области.
Сохранённое решение «Тепловое узкое место контактной прослойки». Температура T, К, в контактной прослойке между медными теплоотводами. Изотермы скрыты для читаемости узкой нагретой области. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 3. Выполнено проверок: 5. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
ЭлементовМасштаб сетки, ммМодельКонтрольные точкиСредняя температура области, КТепловыделение, ВтУзловКонвективный тепловой поток, Вт
43630,75model-01.feh3 точек; полные данные JSON3 полей; полные данные JSON1023610
165090,375model-02.feh3 точек; полные данные JSON3 полей; полные данные JSON1085820
661500,1875model-03.feh3 точек; полные данные JSON3 полей; полные данные JSON10337130
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
Температура центра прослойки, сетка 10,021040,03Выполнен
Температура центра прослойки, сетка 20,0034330,03Выполнен
Температура центра прослойки, сетка 3956,5 × 10⁻⁶0,03Выполнен
Сходимость температуры, К0,0024770,03Выполнен
Симметрия температур граней прослойки, К774,4 × 10⁻⁹1e-05Выполнен

Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.

Модели, решения и программа

Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.

Полные численные результаты

Границы применимости