НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o155.pdf (1384.43Кб)

УДК 535:621

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В статье исследуются тепловые и электрические процессы при нагреве металлического электрода сильноточным импульсом. Целью работы является выяснение характера влияния с нелинейностей теплофизических параметров, фазовых переходов плавления и испарения, вида краевых условий в токовом пятне. Для решения поставленной задачи сформулирована математическая модель, а также разработаны конечно-разностный метод и программы для ЭВМ, позволяющие эффективно осуществлять компьютерное моделирование тепло- и электрофизических процессов при воздействии сильноточного импульса на металлические электроды. Решение задачи Стефана находится при помощи сквозного «энтальпийного» метода. Расчет электрического поля осуществляется итерационным методом Зейделя.  Вычислительная погрешность контролируется при помощи теплового и токового баланса и сравнения с результатами решения модельных задач.
Осуществлена серия расчетов для информативного случая железа. Установлено значительное влияние нелинейностей теплофизических параметров, фазовых переходов плавления и испарения, вида краевых условий на значения температурного и электрического полей, в особенности в области токового пятна. Наличие максимума плотности тока и соответственно температуры в окрестности края токового пятна подтверждает известные предположения о причинах сваривания контактов по краям контактной площадки. Установлено, что влияние потерь на радиационное излучение и конвективное охлаждение пренебрежимо. Статья продолжает и дополняет известные исследования в области теории электрических контактов и сварочных процессов на основе детального учета свойств материала  электрода, нелинейностей и вида краевых условий задачи для температурного и электрического полей.
Результаты работы могут применяться в практике исследования и проектирования электрических аппаратов и других электротехнических устройств.
Исследование выявило потребность в совершенствовании конечно-разностного энтальпийного метода для решения задачи Стефана с целью повышения его точности, в частности при расчете фронта фазового перехода. Представляет интерес дальнейший детальный анализ тепло- и электрофизических процессов  в области температуры кипения, выяснение степени адекватности модели спокойного испарения, дополнительный учет газо-, гидро- и электродинамических факторов.

1. Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. М.: Энергия, 1973. 423 с.
2. Ульрих Т.А. Математическое моделирование процесса контактной точечной сварки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2000. 15 с.
3. Абрамов Н.Р., Кужекин И.П., Ларионов В.П. Характеристики проплавления стенок металлических объектов при воздействии на них молнии // Электричество. 1986. № 11. С. 22-27.
4. Борисенко П.А., Павлейно О.М., Павлейно М.А., Статуя А.А. Методы численного решения нелинейных нестационарных термо-электро-механических контактных задач // IX Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электро-гидродинамики жидкостей»: сб. тр. СПб., 2009. С. 287-291.
5. Павлейно О.М. Физические особенности нагрева сильноточных электрических контактов: дис. … канд. техн. наук. СПб., 2015. 148 с. Режим доступа:http://iperas.nw.ru/d_p.pdf (дата обращения 01.03.2016).
6. Weißenfels C., Wriggers P. Numerical modeling of electrical contacts // Computational Mechanics. 2010. Vol. 46, no. 2. P. 301-314. DOI: 10.1007/s00466-009-0454-8
7. Теплофизические свойства расплавов // Научная библиотека Сибирского федерального университета: сайт. Режим доступа: http://files.lib.sfu-kras.ru/ebibl/umkd/Mamina/u_lectures.pdf (дата обращения 01.03.2016).
8. Теплоемкость железа // Лаборатория крупного слитка: сайт. Режим доступа: http://steelcast.ru/iron_heat_capacity (дата обращения 01.03.2016).
9. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичные разностные схемы решения задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5, № 6. С. 11-19.
10. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.
11. Дарьин Н.А., Мажукин В.И. Математическое моделирование задачи Стефана на адаптивной сетке // Дифференциальные уравнения. 1987. Т. 23, № 7. С. 1154-1160.
12. Бреславский П.В., Мажукин В.И. Алгоритм численного решения гидродинамического варианта задачи Стефана при помощи динамически адаптирующихся сеток // Математическое моделирование. 1991. Т. 3, № 10. С. 104-115. Режим доступа: http://www.mathnet.ru/links/7acac63c3343a552568a2cf62bb95bb6/mm2286.pdf (дата обращения 01.03.2016).
13. Бучко Н.А. Энтальпийный метод численного решения задач теплопроводности в промерзающих или протаивающих грунтах // Вестник Международной академии холода. 2009. № 2. С. 25-28.