Библиотека для численного моделирования косвенного нагрева гранулированных материалов индукционным методом

  • Никита Вячеславович Сизганов
  • Максим Юрьевич Хацаюк
  • Виктор Николаевич Тимофеев
  • Сергей Петрович Тимофеев
Ключевые слова: индукционный нагрев, гранулированные материалы, метод дискретных элементов, метод конечных объемов, междисциплинарное моделирование

Аннотация

Статья посвящена разработке библиотеки TempTransferFoam, предназначенной для моделирования и исследования индукционного нагрева гранулированных материалов. Библиотека предлагает уникальный набор инструментов для проведения точного и комплексного анализа процессов нагрева, что открывает новые перспективы для исследования и оптимизации технологических процессов в промышленности. Актуальность исследования обусловлена необходимостью преодолеть сложность проектирования и численного моделирования индукционных нагревательных систем, в том числе связанных с интеграцией анализа электромагнитных, тепловых и динамических процессов в гранулированных средах. Совместное использование методов дискретных элементов и конечных объемов позволяет библиотеке выполнять адаптивное уточнение сетки при моделировании электромагнитного поля, решать задачи теплопередачи в многотельных системах и моделировать динамику гранулированных материалов с высокой степенью детализации. Для решения сложных междисциплинарных задач индукционного нагрева предложена методика, позволяющая осуществить качественную передачу тепловых полей в виде граничных условий в расчет динамики среды, состоящей из гранулированных материалов. Приведен пример использования разработанной библиотеки, подтверждающий обоснованность её применения для эффективного моделирования электромагнитных и тепловых процессов в гранулированных материалах.

Биографии авторов

Никита Вячеславович Сизганов

старший преподаватель кафедры электротехники политехнического института, Сибирский федеральный университет; инженер по НИОКР, ООО «НПЦ Магнитной Гидродинамики», Красноярск, Россия; vitz1234@gmail.com

Максим Юрьевич Хацаюк

доктор техн. наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники политехнического института, Сибирский федеральный университет; директор по науке ООО «НПЦ Магнитной Гидродинамики», Красноярск, Россия; maxhac@ya.ru

Виктор Николаевич Тимофеев

доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры электротехники политехнического института, Сибирский федеральный университет; директор ООО «НПЦ Магнитной Гидродинамики», Красноярск, Россия; viktortim0807@mail.ru

Сергей Петрович Тимофеев

кандидат техн. наук, доцент кафедры электротехники политехнического института, Сибирский федеральный университет; начальник отдела экспериментальноопытного производства ООО «НПЦ Магнитной Гидродинамики», Красноярск, Россия; stimofeyev@mail.ru

Литература

1. Boateng A.A. Rotary Kilns: Transport Phenomena and Transport Processes. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2016, 360 p.
2. Лисиенко В.Г. и др. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология. М.: Теплотехник, 2004, 687 с.
3. Волков Д. А. и др. Технологии производства литой дроби из Fe-C-cплавов. – Литейное производство, 2012, № 1, с. 14–17.
4. Хацаюк М.Ю. Теория и моделирование магнитогидродинамических процессов в электротехнологических комплексах металлургического назначения: дис. … доктора техн. наук. СПб., 2020, 338 с.
5. Слухоцкий А.Е. и др. Установки индукционного нагрева. Л.: Энергоиздат, 1981, 328 с.
6. Лупи С., Форзан М., Алиферов А.И. Индукционная высокочастотная импульсная закалка стальных изделий. – Электричество, 2023, № 10, с. 48–56.
7. Демидович В.Б. Цифровое моделирование электромагнитных процессов в технологических индукционных устройствах. – Электричество, 2021, № 7, с. 26–32.
8. Baake E., Nacke B. Energy and Environmental Aspects of Induction Melting Processes. – In book: Induction Heating and Heat Treatment, 2014, pp. 548–554, DOI:10.31399/asm.hb.v04c.a0005908.
9. Demidovich V.B. Computer Simulation and Optimal Designing of Energy-Saving Technologies of the Induction Heating of Metals. – Thermal Engineering, 2012, 59 (14), pp. 1023–1034, DOI:10.1134/S0040601512140030.
10. Mickey H.S., Fairbanks D.F. Mechanics of Heat Transfer to Fluidized Beds. – AIChE Journal, 1955, DOI: 10.1002/aic.690010317.
11. Basakov A.P. The Mechanism of Heat Transfer between a Fluidized Bed and Surface. – International Chemical Engineering, 1964, 4 (2), р. 320.
12. Cook C.A., Cundy V.A. Heat Transfer between a Rotating Cylinder and a Moist Granular Bed. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 1995, 38 (3), рр. 419–432.
13. Armstrong L.M., Gu S., Luo K.H. Study of Wall-to-Bed Heat Transfer in a Bubbling Fluidised Bed Using the Kinetic Theory of Granular Flow. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53 (21-22), pp. 4949–4959, DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.05.047.
14. ANSYS Rocky DEM [Электрон. ресурс], URL: https://www.esss.co/en/ansys-simulation-software/ansys-rocky (дата обращения 12.04.2024).
15. Kloss C., Goniva C. LIGGGHTS: A New Open Source Dem Simulation Software. – 5th International Conference on Discrete Element Methods (DEM5), 2010.
16. Kozicki J., Donze F.V. YADE‐OPEN DEM: An Open‐Source Software Using a Discrete Element Method to Simulate Granular Material. – Engineering Computations, 2009, 26 (7), pp. 786–805, DOI:10.1108/02644400910985170.
17. Fonte C.B., Oliveira J.A., Almeida L.C. DEM-CFD Coupling: Mathematical Modelling and Case Studies Using ROCKY-DEM® and ANSYS Fluent®. –The 11th International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, 2015, рр. 7–9.
18. Kloss C. et al. Models, Algorithms and Validation for Opensource DEM and CFD–DEM. – Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, 2012, 12 (2-3), pp. 140–152, DOI:10.1504/PCFD.2012.047457.
19. Caulk R.A., Bruno C. An open Framework for the Simulation of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Processes in Discrete Element Systems. – 8th International Conference on Discrete Element Methods, 2019.
20. Weber N. et al. Numerical Simulation of the Tayler Instability in Liquid Metals. – New Journal of Physics, 2013, 15 (4), DOI:10.1088/1367-2630/15/4/043034.
21. Beckstein P., Galindo V., Vukčević V. Efficient Solution of 3D Electromagnetic Eddy-Current Problems within the Finite Volume Framework of OpenFOAM. – Journal of Computational Physics, 2017, 344 (11), рр. 623–646, DOI:10.1016/j.jcp.2017.05.005.
22. Busse C. et al. Numerical Modeling of an Inductively Coupled Plasma Torch Using OpenFOAM. – Computers & Fluids, 2021, vol. 216, p. 104807.
23. Khatsayuk M.Yu. et al. Numerical Simulation of Process of Electromagnetic Casting and Technology Features. – Metallurgical and Materials. Transaction B, 2023, 54 (4), pp. 1768–1783, DOI:10.1007/s11663-023-02791-8.
24. The Foam-Extend Project [Электрон. ресурс], URL: http://www.foam-extend.org (дата обращения 08.11.2023)
25. Jasak H. Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Applications to Fluid Flows, 1996.
26. Weller H.G. et al. A Tensorial Approach to Computational Continuum Mechanics Using Object-Oriented Techniques. – Computers in Physics, 1998, 12 (6), pp. 620–631, DOI:10.1063/1.168744.
27. OpenFOAM – Free Open Source CFD [Электрон. ресурс], URL: http://www.openfoam.org (дата обращения 12.04.2024).
28. Ai J. et al. Assessment of Rolling Resistance Models in Discrete Element Simulations. – Powder Technology, 2011, 206 (3), pp. 269–282, DOI:10.1016/j.powtec.2010.09.030.
29. Aruliah D.A. et al. A Method for the Forward Modelling of 3-D Electromagnetic Quasi-Static Problems. – Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, 2001, 11 (1), DOI:10.1142/S0218202501000702.
30. Guermond J.L. et al. An Interior Penalty Galerkin Method for the MHD Equations in Heterogeneous Domains. – Journal of Computational Physics, 2007, 221 (1), pp. 349–369, DOI:10.1016/j.jcp.2006.06.045.
31. Malik M., Fan E.S.-C., Bussmann M. Adaptive VOF with Curvature‐Based Refinement. – International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2007, 55(7), pp. 693–712, DOI:10.1002/fld.1490.
---
Исследование выполнено за счет гранта ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям), договор № 4125ГС1/68579.
#
1. Boateng A.A. Rotary Kilns: Transport Phenomena and Transport Processes. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2016, 360 p.
2. Lisienko V.G. et al. Vrashchayushchiesya pechi: teplotekhnika, upravlenie i ekologiya (Rotary Kilns: Heat Engineering, Management and Ecology). M.: Teplotekhnik, 2004, 687 p.
3. Volkov D.А. et al. Liteynoe proizvodstvo – in Russ. (Foundry Production), 2012, No. 1, pp. 14–17.
4. Khatsayuk M.Yu. Teoriya i modelirovanie magnitogidrodina-micheskih protsessov v elektrotekhnologicheskih kompleksah metallur-gicheskogo naznacheniya: dis. … doktora tekhn. nauk (Theory and Modeling of Magnetohydrodynamic Processes in Electrotechnological Complexes of Metallurgical Purpose: dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). SPb., 2020, 338 p.
5. Sluhotskiy A.E. et al. Ustanovki induktsionnogo nagreva (Induction Heating Installations). L.: Energoizdat, 1981, 328 p.
6. Lupi S., Forzan М., Aliferov А.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 10, pp. 48–56.
7. Demidovich V.B. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 7, pp. 26–32.
8. Baake E., Nacke B. Energy and Environmental Aspects of Induction Melting Processes. – In book: Induction Heating and Heat Treatment, 2014, pp. 548–554, DOI:10.31399/asm.hb.v04c.a0005908.
9. Demidovich V.B. Computer Simulation and Optimal Designing of Energy-Saving Technologies of the Induction Heating of Metals. – Thermal Engineering, 2012, 59 (14), pp. 1023–1034, DOI:10.1134/S0040601512140030.
10. Mickey H.S., Fairbanks D.F. Mechanics of Heat Transfer to Fluidized Beds. – AIChE Journal, 1955, DOI: 10.1002/aic.690010317.
11. Basakov A.P. The Mechanism of Heat Transfer between a Fluidized Bed and Surface. – International Chemical Engineering, 1964, 4 (2), р. 320.
12. Cook C.A., Cundy V.A. Heat Transfer between a Rotating Cylinder and a Moist Granular Bed. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 1995, 38 (3), рр. 419–432.
13. Armstrong L.M., Gu S., Luo K.H. Study of Wall-to-Bed Heat Transfer in a Bubbling Fluidised Bed Using the Kinetic Theory of Granular Flow. – International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53 (21-22), pp. 4949–4959, DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.05.047.
14. ANSYS Rocky DEM [Electron. resource], URL: https://www.esss.co/en/ansys-simulation-software/ansys-rocky (Date of appeal 12.04.2024).
15. Kloss C., Goniva C. LIGGGHTS: A New Open Source Dem Simulation Software. – 5th International Conference on Discrete Element Methods (DEM5), 2010.
16. Kozicki J., Donze F.V. YADE‐OPEN DEM: An Open‐Source Software Using a Discrete Element Method to Simulate Granular Material. – Engineering Computations, 2009, 26 (7), pp. 786–805, DOI:10.1108/02644400910985170.
17. Fonte C.B., Oliveira J.A., Almeida L.C. DEM-CFD Coupling: Mathematical Modelling and Case Studies Using ROCKY-DEM® and ANSYS Fluent®. –The 11th International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, 2015, рр. 7–9.
18. Kloss C. et al. Models, Algorithms and Validation for Opensource DEM and CFD–DEM. – Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, 2012, 12 (2-3), pp. 140–152, DOI:10.1504/PCFD.2012.047457.
19. Caulk R.A., Bruno C. An open Framework for the Simulation of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Processes in Discrete Element Systems. – 8th International Conference on Discrete Element Methods, 2019.
20. Weber N. et al. Numerical Simulation of the Tayler Instability in Liquid Metals. – New Journal of Physics, 2013, 15 (4), DOI:10.1088/1367-2630/15/4/043034.
21. Beckstein P., Galindo V., Vukčević V. Efficient Solution of 3D Electromagnetic Eddy-Current Problems within the Finite Volume Framework of OpenFOAM. – Journal of Computational Physics, 2017, 344 (11), рр. 623–646, DOI:10.1016/j.jcp.2017.05.005.
22. Busse C. et al. Numerical Modeling of an Inductively Coupled Plasma Torch Using OpenFOAM. – Computers & Fluids, 2021, vol. 216, p. 104807.
23. Khatsayuk M.Yu. et al. Numerical Simulation of Process of Electromagnetic Casting and Technology Features. – Metallurgical and Materials. Transaction B, 2023, 54 (4), pp. 1768–1783, DOI:10.1007/s11663-023-02791-8.
24. The Foam-Extend Project [Electron. resource], URL: http://www.foam-extend.org (Date of appeal 08.11.2023)
25. Jasak H. Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Applications to Fluid Flows, 1996.
26. Weller H.G. et al. A Tensorial Approach to Computational Continuum Mechanics Using Object-Oriented Techniques. – Computers in Physics, 1998, 12 (6), pp. 620–631, DOI:10.1063/1.168744.
27. OpenFOAM – Free Open Source CFD [Electron. resource], URL: http://www.openfoam.org (Date of appeal 12.04.2024).
28. Ai J. et al. Assessment of Rolling Resistance Models in Discrete Element Simulations. – Powder Technology, 2011, 206 (3), pp. 269–282, DOI:10.1016/j.powtec.2010.09.030.
29. Aruliah D.A. et al. A Method for the Forward Modelling of 3-D Electromagnetic Quasi-Static Problems. – Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, 2001, 11 (1), DOI:10.1142/S0218202501000702.
30. Guermond J.L. et al. An Interior Penalty Galerkin Method for the MHD Equations in Heterogeneous Domains. – Journal of Computational Physics, 2007, 221 (1), pp. 349–369, DOI:10.1016/j.jcp.2006.06.045.
31. Malik M., Fan E.S.-C., Bussmann M. Adaptive VOF with Curvature‐Based Refinement. – International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2007, 55(7), pp. 693–712, DOI:10.1002/fld.1490
---
The study was financially supported by the Grant of the Federal State Budgetary Institution Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology (Foundation for Innovation Assistance), agreement No. 4125GS1/68579
Опубликован
2024-05-30
Раздел
Статьи