电磁炉加热水分析—电磁 热 结构耦合分析

ANSYS耦合场分析在电磁炉加热碗水中的经典应用：全面的温度、结构及电磁热流耦合计算

引言

ANSYS作为业界领先的多物理场耦合分析软件，其强大的耦合分析能力在电磁炉加热仿真中展现出独特优势。该实例聚焦于电磁炉作为加热设备的原理及耦合场分析技术，以加热一碗水为例，详细探讨了多物理场分析在电磁热流耦合计算中的应用及技术细节。请注意，本分析基于假设数据，实际应用中应根据产品性能参数及推荐程序调整。

实例介绍与模型构建


电磁炉加热原理：

电磁炉借助于电磁感应原理进行加热，其主要工作原理包括：交变电流通过金属外壳（通常以陶瓷板形式）下方的环绕线圈产生静态磁场；此静态磁场穿过铁质锅底，激发锅底材料中的PWM（脉冲宽度调制）涡流，由此产生的涡流电流通过锅底热量传递以加热食品。

模型构建：

本分析采用ANSYS Workbench作为平台，构建了一个包含底板线圈、陶瓷板、铁质碗及半碗水的耦合场分析模型。模型通过四个对称部分被分割，以简化网格划分和加速计算过程。

分析流程与模块选择：




在Workbench中，选择Magnetostatic、瞬态热分析和结构分析模块，分别对应磁场分析、热传递分析及结构响应分析。采用耦合场分析流程结合模型的电磁、热、结构特征，实现三者之间的集成计算。

电磁场分析：

底板线圈电流密度被模拟成输入电流，仿真模型考虑到当前击穿和频率响应特性。通过电流密度设置加载电流密度，并进行谐波分析以模拟高频电流在碗底产生的涡流。

1. 磁场计算：使用ANSYS Magnetostatic模块计算静磁场分布和电流密度。设置分析参数（如单位类型和解决频率）以计算涡电流特性。

2. 涡流效应分析：结果显示在碗底产生的涡流密度地图，展示高频电磁场与碗底材料之间的相互作用。

瞬态热分析：

1. 热分析设置：加载ANSYS Transient Thermal模块，连接磁场分析的网格模型进行热分析。关键参数包括分析时间、步数和散热系数，模拟热传递过程。

2. 功率计算与温度响应：获取热生成功率，计算加热过程中的最大温度和温度随时间的变化曲线。结果显示加热过程中碗底和整体的温度分布变化（图10至图12）。

结构分析：

1. 仿真边界条件：集成结构分析模块structural，以结构响应分析模拟受热后的材料力学响应。通过读取热分析的温度结果，计算碗的膨胀变形量和应力分布。

使用ANSYS的自带工具进行材料性质的输入，计算模拟过程中碗的结构响应，如在加热过程中的膨胀和应力变化（图13至图15）。

多物理场计算的集成与优势：

通过Workbench平台实现耦合分析，支持电磁感应加热模型中电磁场、热效应和结构响应之间的全面联结，使分析更为精准。这种方法不仅揭示了电磁炉加热过程中复杂的物理机理，同时也提供了优化产品设计所需的关键数据。多物理场仿真能够实现模型和网格的共享，优化计算过程，减少实验需求，提高分析准确度，并加速产品开发周期。