基于ANSYS的管道交变电磁场仿真分析

邱培呸呸呸

摘  要  介绍了使用ANSYS软件对油田注水管道内的感应磁场进行仿真分析的方法。利用ANSYS软件的特点，通过APLD语言，建立了大量的管道及线圈有限元模型，并对各种实际工况进行分析和求解，提高了效率及准确度。通过对实际管道进行仿真，建立了管道周围的交变电磁场分布模型，同时也论证了采用ANSYS软件在实际工程中进行仿真分析的优越性。
    关键词  电磁场 有限元 仿真分析 管道


1  前言
    在油田生产中，注水管道一旦产生结垢沉积，其危害是相当大的。电磁防垢技术具有不需添加化学药剂，不需拆除管道，磁场强度可操作调节等优点。将电磁防垢技术应用于油田注水管道前景广阔。对于恒定磁场，磁场强度的大小直接影响到防垢效果，而对于交变磁场的感应磁场强度目前无法测量。本文主要利用ANSYS软件对交变电磁场进行分析，仿真管道内的磁场强度及其分布情况，从而有利于设计高效、实用的电磁防垢系统。
    ANSYS软件在实际工程中的应用非常广泛，它强大的分析功能及处理、求解功能给人们的工作学习带来极大的方便，提高产品加工质量，缩短了设计周期。本文主要是针对油田注水管道及其外部缠绕的线圈进行建模，分析线圈在管道内产生的感应电磁场。由于各种管道的工况条件不同，所缠绕线圈中电流的变化不同，如果使用物理方法进行模拟仿真，不但操作复杂而且仿真精度差。因此开发出一个基于ANSYS环境的管道系统模型，在此基础上加载线圈电流，进行求解分析，便可完成全部计算及仿真。该仿真使用APLD命令流完成从建模到求解的全部过程。
2  管道模型的建立
    建立三维有限元模型分析磁场。由于ANSYS可以针对三维静态电磁场分析，以宏模式预创建过程完备的线圈，无须考虑时间轴，因此可以选择三维静态电磁场分析某一时间点处管道内的磁场分布特性。自顶向下进行实体建模，定义柱体作为基元，利用基元直接构造几何模型。创建模型时注意管道外的线圈应为无缝隙密布排列，否则将会存在严重的漏磁现象，影响实验结果。其命令流如下所示：
    /prep7
    CYLIND,0.5,0.4,-1,1,0,360,
    CYLIND,0.4,0,-1,1,0,360,    ！建立管道圆柱模型
    FLST,2,2,6,ORDE,2  
    FITEM,2,1  
    FITEM,2,-2
    VGLUE,P51X
    RACE,0.51,0.51,0.5,150,0.02,0.6, , , '111'  ！建立线圈模型
    GPLOT  
3  网格划分
    在单元类型分配时选择管道材料的单元型为SOLID98—Scalar专用的三维单元类型。线圈的单元类型为SOURC36，它在管道模型建立时已经自动定义，无需再次说明。管道模型及其内部的注入水均为是非磁性介质，所以设置导磁率的值为1。网格划分的实质是由实体模型生成有限元模型。由于线圈为ANSYS以宏格式配备的完备激励体，无须分配单元类型和划分网格。
    如对圆柱形管道（图1）及其内部空气进行网格划分，命令流如下：
    ET,2,SOLID98,10 ！选取3维实体模型专用单元SOLID98
    MPTEMP, ！进入材料属性设置环节
    MPTEMP,1,0
    MPDATA,MURX,1,,1  ！设置导磁率为1
...
    ESIZE,0.12,0,   ！设置网格密度尺寸
    MSHAPE,1,3D    ！定义网格划分对象为3维实体
    MSHKEY,0
    CM,_Y,VOLU     ！对实体分派单元类型
    VSEL, , , ,P51X
    CM,_Y1,VOLU
    CHKMSH,'VOLU'  
    CMSEL,S,_Y
    !*
    VMESH,_Y1   ！执行实体网格划分
4  分析处理
    前处理阶段完成建模以后，便可在求解阶段获得分析结果。选取管道体中所有节点进行分析，线圈外无任何电磁载荷。对于整个模型选取节点求解过程约需要1~3分钟时间，因计算机配置不同而不同。
    后处理环节旨在将计算获得的数据库按照某种要求将部分数据提取并以表格或图形图像形式展示出来便于分析。最后便可观察磁场强度三维分布示意图，图2所示。命令流如下：
    /SOLU   ！进入求解计算环节
    ANTYPE,0
    FLST,2,20561,1,ORDE,8 ！施加求解条件约束...,  
    MAGSOLV,2, , ,0.001,25,0 ！执行求解
    FINISH  ！模型求解计算完毕
    /POST1  ！进入通用后处理环节
    /VSCALE,1,1,0   ！进入查看3维效果图模式
    ! *
    PLVECT,B, , , ,VECT,ELEM,ON,0   ！查看3维磁矢分布
    ...

图1    网格划分


图2 感应磁场三维示意图

5  结论
    综上所述，本文采用有限元分析法，计算线圈在管道内产生的感应磁场强度，并通过图形直观显示，为管道、线圈以及励磁电流的设计提供了分析手段和验证方法。随着ANSYS功能的愈加强大，它所应用的范围日益广泛，已涉及工业及科学研究的各个领域，ANSYS软件具备良好的开发环境，界面简单、操作方便适合更深层次的开发和研究。
参考文献
[1]唐兴伦等，《ANSYS工程应用教程—热与电磁学篇》北京：中国铁道出版社，2002，11 第一版
[2]黄国权，《有限元基础及ANSYS应用》北京：机械工业出版社，2004，6 第一版
[3]刘坤，《ANSYS有限元方法精解》北京：国防工业出版社，2004，8 第一版
[4]李黎明，《ANSYS有限元分析实用教程》北京：清华大学出版社，2005，1 第一版