感应加热数值仿真及其并行加速性能测试-上海超级计算中心.PDF

66 《高性能计算发展与应用》 2014年第二期 总第四十七期 感应加热数值仿真及其并行加速性能测试  王惠 丁峻宏 李根国 上海超级计算中心 上海 201203  姜海涛 麦锡源 中国科学院上海应用物理所 上海 201800 摘要： 以内嵌金属颗粒的石墨球为研究对象，基于感应加热基本理论，建立了电磁场与温度场耦 合的有限元数学模型，利用通用多物理场分析软件ANSYS对金属石墨球的感应加热过程进行了 数值仿真，计算中考虑材料随温度变化的非线性特征，采用多场顺序耦合方法，得到了石墨球 温度随加热时间变化规律，并对不同频率和电流密度下石墨球感应加热效果进行了对比分析， 计算结果为石墨球感应加热实验的开展提供参考。同时，基于上海超算中心 “蜂鸟”高性能计 算平台，探讨了不同核心数下求解多场问题的并行效率，为该类问题的大规模并行计算以及更 好发挥并行计算优势提供参考。 关键字：感应加热，数值模拟，多物理场，并行计算 1. 前言 立了感应加热热源有限元模型，分析了高频感应加 感应加热是利用电磁感应在导体内产生涡流热 热温度场变化，并通过实验结果验证了模型的有效 效应来加热工件的电加热，该方法以其效率高，控 性。基于数值仿真方法研究多场问题在众多行业中 [1] 得到应用，但很多的应用中或没有考虑多物理场的 制精确，污染少，安全性好等优点 在工业生产中 得到广泛应用。感应加热过程是电磁感应和热传导 耦合关系，或没有考虑材料非线性特征，研究对象 过程相互作用的综合体现，电磁感应过程中所产生 相对简单，实际上采用数值仿真的方法可以求解更 的涡流功率为热传导提供所需的能量；热传导过程 为复杂的多物理场问题。 导致的工件温度分布反过来会影响工件电磁感应所 本文以内镶金属颗粒的石墨球为研究对象， 产生的涡流大小。通过现有理论很难求得感应加热 建立了电磁场与温度场耦合的有限元数学模型， 下工件的温度场分布，而基于传统的实验设计方法 基于多场顺序耦合的方法，利用通用多场分析软件 耗时费力，成本高昂，如果物理模型复杂且实验危 ANSYS对石墨球的感应加热过程进行了数值仿真， 险，无疑增加了这类问题的难度，目前针对感应加 考虑材料非线性特征，得到了石墨球温度随加热时 热器的设计以及工件的涡流效应分析大多是根据经 间变化规律，并对不同加热频率和电流密度下石墨 [2] 球感应加热效果进行了分析，本文全部计算借助上 验公式和实验进行测算 。 计算机数值模拟方法已经成为求解感应加热等 海超算中心“蜂鸟”超级计算机完成，本文最后还 复杂场问题的有效工具，1996年，K.Sadeghipour等人 就如何有效利用高性能计算资源解决多场问题进行 [3] 了探讨。 利用ANSYS软件有效地进行了钢板电磁场和温度场 分析，数值模拟的结果得到了试验的验证；陈慧琴 [4]