Теплопроводность · Плоскопараллельная
Конвекция и нелинейное излучение нагреваемой шины
Шина 100 × 10 мм, расчётная длина 1 м, равномерное тепловыделение 10⁵ Вт/м³. Нижняя сторона охлаждается конвекцией h=10 Вт/(м² К), верхняя излучает в среду 20 °C с коэффициентом 0.8; торцы изолированы.
Работа связывает полевое распределение с измеряемой электротехнической величиной. Все исходные данные заданы в программе; принятые идеализации сформулированы до расчёта. Основной результат проверяется независимой формулой или балансом, а чувствительность к геометрии исследуется отдельными вариантами.
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 физическая постановка
Излучение зависит от четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому тепловая задача становится нелинейной даже при постоянной теплопроводности. Разность четвёртых степеней необходимо вычислять в кельвинах. Подстановка градусов Цельсия в закон Стефана—Больцмана физически неверна.
В данной работе конвекция и излучение назначены разным сторонам. Такая постановка позволяет проверить оба нативных граничных условия FEMM без неявного предположения о поддержке их суммы на одном ребре. Температура зависит только от поперечной координаты, поскольку все условия постоянны вдоль ширины.
Независимый расчёт выражает верхнюю температуру через нижнюю из параболического решения теплопроводности и решает одно нелинейное уравнение энергетического баланса делением пополам. Нативный FEMM решает исходную полевую задачу. Отдельно суммируются конвективный поток и радиационный поток; их сумма должна совпасть с заданными 100 Вт.
Как читать расчёт
Программа строит три сетки, сохраняет каждую модель, закрывает её и повторно открывает перед решением. Поэтому проверка относится к точному записанному файлу с русскими именами материалов, проводников и граничных условий. Результаты каждой серии находятся в новой папке calculated-XX рядом с программой; предыдущая серия не перезаписывается.
В result.json массив records содержит расчётные величины и параметры сетки, checks — фактические отклонения, допустимые пределы и логический результат. Проверяйте все критерии одновременно. Совпадение одной точки с ориентиром не заменяет проверки баланса и изменения результата по сетке. Для итерационной обратной связи отдельно контролируется сходимость итераций; она не является оценкой пространственной погрешности.
Практическое исследование
Сравните результат с ε=0 и с ε=1. Оцените долю излучения в общей мощности и объясните, почему нельзя заранее заменить его постоянным коэффициентом теплоотдачи на широком диапазоне температур.
Измените температуру окружения, сохранив мощность. Отдельно сравните абсолютную температуру и перегрев относительно среды. Для излучения одинаковый перегрев при разной фоновой температуре не означает одинаковый поток.
Постройте зависимость мощности от температуры нижней стороны по аналитическому балансу. Найдите пересечение с заданной мощностью и сопоставьте его с нативным решением на трёх сетках.
Исходные данные
Шина 100 × 10 мм, расчётная длина 1 м, равномерное тепловыделение 10⁵ Вт/м³. Нижняя сторона охлаждается конвекцией h=10 Вт/(м² К), верхняя излучает в среду 20 °C с коэффициентом 0.8; торцы изолированы.
| Параметр | Значение | Единица | Происхождение |
|---|---|---|---|
| qv | 100000 | Вт/м³ | Принято в учебной постановке |
| k меди | 380 | Вт/(м К) | Принято в учебной постановке |
| Коэффициент излучения | 0,8 | 1 | Принято в учебной постановке |
| h | 10 | Вт/(м² К) | Принято в учебной постановке |
| Окружение | 20 | °C | Принято в учебной постановке |
Порядок воспроизведения
- Скопируйте reproduce.py в отдельную рабочую папку и откройте встроенным редактором Python FEMM 5. Проверьте заданные параметры и единицы, затем выполните программу целиком. Внешний модуль pyFEMM для этой программы не используется.
- Откройте модель и решение окончательной сетки. Сопоставьте материалы, проводники и границы с теорией. Для осесимметричной задачи найдите ось вращения и объясните, какие поверхности образуются при вращении каждой линии поперечного рисунка.
- Составьте таблицу трёх сеток и приведите независимый расчёт по формуле. Для серии из нескольких геометрий сравнивайте только результаты одной и той же сетки, затем отдельно исследуйте её уточнение. Укажите абсолютные и относительные ошибки с единицами.
- Выполните предложенные варианты по одному. До запуска предскажите знак и примерный масштаб эффекта. В отчёте объясните, какие величины действительно определяет модель, какие параметры остаются предположениями и что пришлось бы уточнить для реального изделия.
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
"""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", []) + job.get("segments", []):
globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
globals()[prefix + "_addsegment"](x1, y1, x2, y2)
for x1, y1, x2, y2, angle, name in job.get("arcs", []):
globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
globals()[prefix + "_addarc"](x1, y1, x2, y2, angle, 1)
cx, cy = job.get("arc_center", (0, 0))
mx = (x1 + x2) / 2 - cx
my = (y1 + y2) / 2 - cy
radius = math.sqrt((x1 - cx) ** 2 + (y1 - cy) ** 2)
factor = radius / math.sqrt(mx * mx + my * my)
globals()[prefix + "_selectarcsegment"](cx + mx * factor, cy + my * factor)
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, 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
* job.get("block_mesh_multipliers", {}).get(
str(group), job.get("mesh_multipliers", {}).get(name, 1)
),
group,
)
globals()[prefix + "_clearselected"]()
def current(job, mesh, stem):
newdocument(3)
ci_probdef("millimeters", job.get("type", "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", job.get("type", "planar"), 1e-10, job["depth"], 30)
for name, kx, ky, q in job["materials"]:
hi_addmaterial(name, kx, ky, q, 0)
for boundary in job["boundaries"]:
name, kind, temp, ambient, h = boundary[:5]
beta = boundary[5] if len(boundary) > 5 else 0
hi_addboundprop(name, kind, temp, 0, ambient, h, beta)
geometry("hi", job, mesh)
for x, y, name in job.get("boundary_segments", []):
hi_selectsegment(x, y)
hi_setsegmentprop(name, job.get("boundary_mesh", 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") and not job.get("skip_convection_balance"):
check(
stem + ": баланс конвективного теплоотвода",
abs(convection - generated) / max(generated, 1e-30),
0.005,
)
ho_close()
hi_close()
return row
JOB = {
"polygon": [[0, 0], [100, 0], [100, 10], [0, 10]],
"depth": 1000,
"materials": [["Нагреваемая медь", 380, 380, 100000.0]],
"blocks": [[50, 5, "Нагреваемая медь", 1]],
"boundaries": [
["Конвекция снизу", 2, 0, 293.15, 10],
["Излучение сверху", 3, 0, 293.15, 0, 0.8],
],
"boundary_segments": [[50, 0, "Конвекция снизу"], [50, 10, "Излучение сверху"]],
"convection_edges": [[0, 0, 100, 0, 293.15, 10]],
"skip_convection_balance": True,
"samples": [[50, 0], [50, 5], [50, 10]],
}
sigma_sb = 5.670374419e-8
def top_from_bottom(bottom):
return bottom + 10 * (bottom - 293.15) * 0.01 / 380 - 1e5 * 0.01**2 / (2 * 380)
lo = 293.15
hi = 393.15
for iteration in range(80):
middle = (lo + hi) / 2
top = top_from_bottom(middle)
balance = 10 * (middle - 293.15) + 0.8 * sigma_sb * (top**4 - 293.15**4) - 1000
if balance > 0:
hi = middle
else:
lo = middle
reference = (lo + hi) / 2
for level, mesh in enumerate((2, 1, 0.5)):
row = heat(JOB, mesh, "model-%02d" % (level + 1))
bottom, center, top = [p["T_K"] for p in row["samples"]]
radiation = 0.8 * sigma_sb * (top**4 - 293.15**4) * 0.1
row["radiation_W"] = radiation
row["total_outflow_W"] = row["convection_W"] + radiation
check(
"Нелинейный тепловой баланс, сетка %d" % (level + 1),
abs(row["total_outflow_W"] / row["generated_W"] - 1),
0.002,
)
check("Независимое нелинейное 1D решение, К", abs(bottom - reference), 0.05)
records.append(row)
check(
"Сходимость температуры, К",
abs(records[-1]["samples"][1]["T_K"] - records[-2]["samples"][1]["T_K"]),
0.02,
)
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
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.
Результаты и численные проверки
Сохранено решений FEMM: 3. Выполнено проверок: 7. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.
| Средняя температура области, К | Суммарный отвод тепла, Вт | Элементов | Узлов | Тепловыделение, Вт | Конвективный тепловой поток, Вт | Контрольные точки | Лучистый тепловой поток, Вт | Модель | Масштаб сетки, мм |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 полей; полные данные JSON | 100 | 1879 | 1036 | 100 | 61,63 | 3 точек; полные данные JSON | 38,37 | model-01.feh | 2 |
| 1 полей; полные данные JSON | 100 | 2776 | 1533 | 100 | 61,63 | 3 точек; полные данные JSON | 38,37 | model-02.feh | 1 |
| 1 полей; полные данные JSON | 100 | 10110 | 5338 | 100 | 61,63 | 3 точек; полные данные JSON | 38,37 | model-03.feh | 0,5 |
| Критерий | Получено | Допуск или ожидаемое значение | Итог |
|---|---|---|---|
| Нелинейный тепловой баланс, сетка 1 | 3,737 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| Независимое нелинейное 1D решение, К | 211,9 × 10⁻⁶ | 0,05 | Выполнен |
| Нелинейный тепловой баланс, сетка 2 | 3,733 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| Независимое нелинейное 1D решение, К | 200,8 × 10⁻⁶ | 0,05 | Выполнен |
| Нелинейный тепловой баланс, сетка 3 | 3,658 × 10⁻⁶ | 0,002 | Выполнен |
| Независимое нелинейное 1D решение, К | 203,9 × 10⁻⁶ | 0,05 | Выполнен |
| Сходимость температуры, К | 43,67 × 10⁻⁶ | 0,02 | Выполнен |
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.
- Файл результатов: README.md8213 байт
- Тепловое решение: model-01.anh85903 байт
- Тепловая модель: model-01.feh1249 байт
- Тепловое решение: model-02.anh129454 байт
- Тепловая модель: model-02.feh1249 байт
- Тепловое решение: model-03.anh484878 байт
- Тепловая модель: model-03.feh1255 байт
- Программа встроенного Python: reproduce.py11244 байт
- Файл результатов: verification.json912 байт
Границы применимости
- Радиационный обмен описан постоянным эффективным коэффициентом и однородной средой. Не учитываются взаимное затенение, спектральные свойства и конвекция на излучающей стороне.
- Проверка относится к данной учебной постановке и решателю FEMM 5.0 06Oct2026. Снимки интерфейса выполняются отдельным согласованным проходом.