非线性感应加热问题的全离散有限元方法
Fully Discrete Finite Element Scheme for a Nonlinear Induction Heating Problem
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收稿日期: 2021-03-30
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Received: 2021-03-30
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It studies an induction heating model described by Maxwell's equations coupled with a heat equation. In the induction heating model, it assumes a nonlinear relation between the magnetic field and the magnetic induction field, and the electric conductivity is temperature dependent. It presents a fully discrete H-based finite element scheme in time and space and discusses its solvability. Moreover, it proves the fully discrete solution converges to a weak solution of the continuous problem. Finally, theoretical results are supported by some numerical experiments.
Keywords:
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黄媛, 支越, 康彤, 王然, 张红.
Huang Yuan, Zhi Yue, Kang Tong, Wang Ran, Zhang Hong.
1 引言
电磁感应加热是一种非接触的加热导体材料的方法, 该方法常用于工业应用中, 例如金属硬化和锻造预热. 感应加热系统的基本组成包括感应线圈(电感器), 交流电源和工件(见图 1). 交变电流通过电感器会产生交变磁场, 该磁场使工件产生涡流, 从而耗散涡流的能量并产生焦耳热. 关于感应加热系统的研究, 通常依赖于一系列复杂, 昂贵且漫长的实验, 因此, 数学理论分析和数值模拟可以在设计感应加热过程中发挥重要作用.
图 1
感应加热模型由Maxwell方程和热传导方程组成. 对于线性电磁材料, 文献[1–3, 17]提出了各种数值计算方案, 文献[4, 7, 9, 10, 19–21]研究了耦合问题的适定性并给出了理论结果. 据我们所知, 很少有同时考虑非线性关系
本文的目的是对非线性感应加热问题提出全离散
2 非线性感应加热模型
下面考虑一个简化的感应加热模型.
其中
使用Biot-Savart定律可以直接计算出
这里的
引入
研究
考虑下述磁场的初始边值问题
其中
本文主要研究如何求解
由于
为了处理热传导方程中的焦耳热项, 对其引入截断函数[16]
其中
其中导热系数
通过(2.6)式中的
3 时间离散化变分公式
首先, 给出一些贯穿全文的概念和符号. 定义
定义
其中
相应的內积和范数为
应用上述定义, (2.6)和(2.7)式的变分形式为
下面, 基于向后欧拉法, 给出(3.1)–(3.2)式的时间离散格式. 设
时间离散格式为: 对于
定理3.1 令(2.2), (2.3), (2.8)式均满足, 设
证 定义算子
为了在时间步
由于上式右端已知, 算子
接下来给出唯一性. 设
因此, 可以得到
显然, 由Lax-Milgram定理可知, 线性问题(3.4)具有唯一的解.
此外, 构造时间上的分片常数插值和分片线性函数插值, 对于任意的
在文献[16]中证明了下述定理, 该定理给出了时间离散格式(3.3)–(3.4)解
定理3.2 令(2.2)–(2.5), (2.8)式均满足, 设
4 全离散有限元解耦格式
本节将给出(3.1)–(3.2)式的全离散有限元格式. 设
其中
其中
其中
令
全离散有限元格式如下: 给定
在下面的定理中, 将证明离散问题(4.3)的可解性. 使用Lax-Milgram定理, 容易得到(4.4)式解是存在唯一的.
定理4.1 令定理3.1的假设条件均满足. 对
证 在每个时间步上需要求解
其中
根据文献[18, 引理18.2], 我们得出结论, 在集合
下面, 讨论(4.5)式解的唯一性. 设
取
因此, 可以得到
下面的两个引理将给出
引理4.1 假设
证 (ⅰ) 在(4.4)中取
对(4.6)式左端第二项处理(参考文献[6, 引理5, (ⅰ)]), 有
由于
整理上述估计, 应用Gronwall不等式, 能够得到(ⅰ).
(ⅱ) 由上述(ⅰ)和
(ⅲ) 对于任意的
证毕.
类似于引理4.1中(ⅲ)的证明, 在时间离散格式(3.4)中, 能够推导出
得到
假设函数
因此
于是
这里需要注意的是, 对偶空间中的估计对于离散场是无效的, 因为变分形式的试探函数仅在
有
使用引理4.1 (ⅲ) 得到
引理4.2 令(2.2)–(2.4)及(4.7)式的假设均满足, 设
证 (ⅰ) 在(4.3)式中取
结合(2.3)式, 对上式左端第一项估计,
对左端第二项估计, 由引理4.1中的(ⅲ)和(4.7)式, 易得
利用矢量场
整理上述估计, 应用Gronwall不等式, 得到
(ⅱ) 在(4.3)式中取
对于上式左端第一项, 由(2.3)和(2.4)式可以得到
对于左端第二项, 有
使用Cauchy不等式, 结合假设条件
因此, 有
证毕.
5 离散格式解的收敛性
本节的目的是证明当
不失一般性, 设
其中,
定理5.1 令引理4.1–4.2的假设均满足. 设
证 (ⅰ) 由引理4.1可知
因此, 根据
利用函数
所以
(ⅱ) 根据投影算子(4.1)的定义, 有
(ⅲ) 利用引理4.2得到
因此, 可以得到一个子列
(ⅳ) 利用矢量场的Lipschitz连续性和引理4.2中的稳定性估计, 得到
故存在一个子列和
根据矢量场
(5.4)式可以分解成四项
因此
对其余各项取极限
返回到(5.4)式, 有
由于
令
由于
对于任意的
(ⅴ) 对于任意的
显然在
接下来, 需要讨论如下不等式
根据本定理中的(ⅰ), (ⅱ), 应用Lebesgue控制定理, 有(参考文献[16, 定理1 (ⅹⅲ)])
及
对于固定的时间步长
整理(5.5)–(5.8)式, 有
故在
下面的定理表明, 当固定时间步长
定理5.2 令定理5.1的假设均满足. 对于任意的
证 首先证明
对上式取极限
当
接下来, 为了证明
利用定理5.1和Lebesgue控制收敛定理, 注意到函数
对(5.11)式取极限, 有
当
证毕.
6 数值实验
本节将给出非线性感应加热问题的数值实验.
实验6.1 本次实验的目的是在固定时间步长下, 检验当网格尺寸
选取满足条件的非线性函数
其中磁场
选取源场为
将时间
为了表明文中格式解的收敛性, 计算
图 2
实验6.2 实验模型见图 1. 本次实验将给出一些数值模拟, 演示当改变电流频率
交流电源为
通过线圈的交流电源产生一个通过工件的交变磁场
图 3
图 4
图 5
图 6
图 7
图 8
数值模拟结果表明, 涡流的大小随着与工件表面距离的增大而减小. 当电流频率
7 结论
本文研究了非线性Maxwell方程与热传导方程耦合的全离散有限元解耦格式. 证明了全离散格式解的存在唯一性. 同时也证明了全离散格式的解收敛于连续耦合问题的解. 通过两组数值实验来支持文中的理论结果, 实验结果表明, 理论结果与感应加热模型的实际研究结果一致.
参考文献
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