FEMM 5

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.

q_vH=h(T_b-T_a)+\varepsilon\sigma_{SB}(T_t^4-T_a^4)

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.

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
qv100000Вт/м³Принято в учебной постановке
k меди380Вт/(м К)Принято в учебной постановке
Коэффициент излучения0,81Принято в учебной постановке
h10Вт/(м² К)Принято в учебной постановке
Окружение20°CПринято в учебной постановке

Порядок воспроизведения

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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
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", []) + 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

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 «Конвекция и нелинейное излучение нагреваемой шины». Нативный препроцессор FEMM 5.
Рабочая область модели «Конвекция и нелинейное излучение нагреваемой шины». Нативный препроцессор FEMM 5. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Конвекция и нелинейное излучение нагреваемой шины». Температура T, К, шины с радиационным охлаждением. Для почти равномерного поля использована шкала отображения 293,15–373,15 К; её пределы не являются экстремумами решения. Изотермы скрыты.
Сохранённое решение «Конвекция и нелинейное излучение нагреваемой шины». Температура T, К, шины с радиационным охлаждением. Для почти равномерного поля использована шкала отображения 293,15–373,15 К; её пределы не являются экстремумами решения. Изотермы скрыты. Открыть 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.

Результаты расчётов и производные итоги
Средняя температура области, КСуммарный отвод тепла, ВтЭлементовУзловТепловыделение, ВтКонвективный тепловой поток, ВтКонтрольные точкиЛучистый тепловой поток, ВтМодельМасштаб сетки, мм
1 полей; полные данные JSON1001879103610061,633 точек; полные данные JSON38,37model-01.feh2
1 полей; полные данные JSON1002776153310061,633 точек; полные данные JSON38,37model-02.feh1
1 полей; полные данные JSON10010110533810061,633 точек; полные данные JSON38,37model-03.feh0,5
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
Нелинейный тепловой баланс, сетка 13,737 × 10⁻⁶0,002Выполнен
Независимое нелинейное 1D решение, К211,9 × 10⁻⁶0,05Выполнен
Нелинейный тепловой баланс, сетка 23,733 × 10⁻⁶0,002Выполнен
Независимое нелинейное 1D решение, К200,8 × 10⁻⁶0,05Выполнен
Нелинейный тепловой баланс, сетка 33,658 × 10⁻⁶0,002Выполнен
Независимое нелинейное 1D решение, К203,9 × 10⁻⁶0,05Выполнен
Сходимость температуры, К43,67 × 10⁻⁶0,02Выполнен

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