Difference between revisions of "Kapacitás számítása"

Revision as of 20:40, 28 January 2020 (view source) Marcsa (talk | contribs) (→‎A vizsgált elrendezés) ← Older edit		Revision as of 20:41, 28 January 2020 (view source) Marcsa (talk | contribs) (→‎A szimulációval kapott eredmények) Newer edit →
Line 47:		Line 47:
	== A szimulációval kapott eredmények ==		== A szimulációval kapott eredmények ==
	[[File:CapacitorCalculation AdaptiveMeshing.gif|250px|thumb|right|alt=A háló adaptív finomítása a lokális hiba alapján (ANSYS Maxwell). | A háló adaptív finomítása a lokális hiba alapján. <span style="font-size:80%; color:blue;">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>]]		[[File:CapacitorCalculation AdaptiveMeshing.gif|250px|thumb|right|alt=A háló adaptív finomítása a lokális hiba alapján (ANSYS Maxwell). | A háló adaptív finomítása a lokális hiba alapján. <span style="font-size:80%; color:blue;">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>]]
		+
		+	Az előbb megadott parciális differenciálegyenlet és peremfeltételekkel előálló feladat megoldásával a következő táblázatban összefoglalt eredmények születtek a kapacitás értékére. A Matlab PDE Toolbox megoldása az előadásból (Gyimóthy Szabolcstól) származik. Gyakorlatilag a négy szoftver azonos megoldásra vezetett. Ilyen szempontból sokkal érdekesebb a végeselemek száma. Mindegyik esetben lineáris háromszög elemekkel lett felbontva a vizsgált tartomány.
		+
		+	{| class="wikitable" align=center style="text-align: center; width: 700px; height: 100px;"
		+	|+ A vizsgált elrendezés kapacitása.
		+	!
		+	! Matlab PDE Toolbox
		+	! ONELAB
		+	! ANSYS Maxwell
		+	! FEMM
		+	|-
		+	! Végeselemek száma
		+	| 2944 || 2598 || 740 || 7885
		+	|-
		+	! Kapacitás [<math>\text{pF/m}</math>]
		+	| 173.51 || 173.78 || 173.33 || 173.70
		+	|}
		+
		+	Azonban egy csőtápvonal szimulációja előtt érdemes meghatározni a vágási frekvenciát (vagy határfrekvenciát, ami alatt nincs hullámterjedés a csőtápvonalban). A vágási frekvencia a következő összefüggéssel határozható meg<ref name="Istvanffy"></ref><ref name="MikroTech1"> Kolos T., Standeisky I.: ''Mikrohullámú technika I.'', Tankönyvkiadó, 1980. </ref>:
		+	::<math> f_{h,mn} = \frac{1}{2\sqrt{\mu\varepsilon}}\sqrt{\left(\frac{m}{a}\right)^2 + \left(\frac{n}{b}\right)^2}</math>,
		+	ahol <math>\mu</math> és <math>\varepsilon</math> a csőtápvonalat kitöltő dielektrikum permeabilitása és permittivitása.
		+
	{| width=100%		{| width=100%

---

Revision as of 20:41, 28 January 2020

Kételektródás elrendezés kapacitásának számítása
A feladat végeselemhálója és a peremek elnevezése.	A feladat megoldása ONELAB (Gmsh + GetDP) segítségével.

A feladat célja

A hallgató megismerje a végeselem-módszerhez kapcsolódó főbb lépéseket, mint a geometria elkészítése vagy importálása, anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása, eredmények megjelenítése. Emellett pedig bemutasson a hallgatónak egy szabadon hozzáférhető szoftvert, ami nagyon jól használható disszertációk és kutatások során, köszönhetően felhasználóbarát grafikus felületének és tetszőlegesen konfigurálható megoldójának.

A feladat példája Dr. habil Gyimóthy Szabolcs egyetemi docens Elektromágneses terek előadásából származik. Az előadást ajánlom mindenkinek aki betekintést szeretne kapni a végeselem-módszer elméleti hátterébe, hogy mi az, amit legtöbbször a szoftverek elrejtenek a felhasználó elől.

A példa az előadásban a Matlab PDE Toolbox segítségével kerül megoldásra. Itt a szabadon hozzáférhető ONELAB (Gmsh + GetDP) és a kereskedelmi ANSYS Maxwell szoftverekkel lesz a megoldás bemutatva. Ezen utóbbi szoftver elsősorban az előadásban elhangzott adaptív hálósűrítés miatt.

A ONELAB a neve alapján (Open Numerical Engineering LABoratory) egy nyitott, elsősorban a végeselem-módszeren alapuló numerikus mérnöki laboratórium. Két fő részből áll, ahol a grafikus környezetet a Gmsh adja, ami az elő- és utófeldolgozó és a hálógeneráló szerepét tölti be. A megoldó pedig a GetDP, ami alkalmas 1D-s, 2D-s síkbeli és forgásszimmetrikus és 3D-s sztatikus, szinuszos és harmonikus, időfüggő és sajátértékfeladatok megoldására.

Érdekességképpen a GetDP mellett még létezik a GetDDM, ami egy tartomány-dekompozíciós módszeren (optimalizált Schwarz-módszer) alapuló megoldó nagyméretű végeselem-módszeren alapuló feladatokhoz. A másik érdekesség a ONELAB mobilapplikáció, ami lehetővé teszi, hogy mobil eszközök (mobiltelefon, tablet) is használjuk a ONELAB-ot.

A feladat megoldásához szükséges ismeretek

• A végeselem-módszer lépései és annak elméleti háttere;
• Elektrosztatikus terek, Laplace-Poisson-egyenlet;
• ONELAB részeinek (Gmsh, GetDP) ismerete.

A vizsgált elrendezés

A feladat részletes definiálása a videóban is megtalálható. Emellett készítettem egy háromdimenziós ábrát az elrendezés könnyebb elképzeléséhez és annak méretekkel ellátott keresztmetszetét. A feladat az eltolási szimmetria (

$$Z$$ -tengely mentén nem változik a feladat, vagyis $$\partial/\partial z = 0$$ ) miatt kétdimenziós feladatnak tekinthető. Emellett a geometria jelölt középvonalára is szimmetrikus az elrendezés, így elég a felét vizsgálni. Ezen túl pedig a fém részek elhagyhatók, mert ott az elektromos térerősség értéke nulla. Így elegendő a két fémrész közötti teret kitöltő $$2.4\cdot\varepsilon_0$$ permittivitású anyagot vizsgálni a megfelelő peremfeltételekkel. Dirichle-típusú peremfeltételként adjuk meg a külső és belső elektróda potenciálját (külső - $$0~\text{V}$$ ; belső - $$100~\text{V}$$ ). A szimmetriasík Neumann-típusú peremfeltétel lesz, viszont ez előírás nélkül, automatikusan is teljesül jelen feladatnál.

A feladat megoldásához a Laplace-egyenletet oldjuk meg

$$-\,\text{div}\,\varepsilon\,\text{grad}\varphi = 0$$

ahol

$$\varphi$$ az elektromos skalárpotenciál, a következő peremfeltételekkel

$$\Gamma_{\text{D}1} = 0~\text{V}$$ ,

$$\Gamma_{\text{D}2}= 100~\text{V}$$ ,

$$\Gamma_{\text{N}}= \frac{\partial \varphi}{\partial n} = 0$$ (homogén Neumann-peremfeltétel).

A szimulációval kapott eredmények

Az előbb megadott parciális differenciálegyenlet és peremfeltételekkel előálló feladat megoldásával a következő táblázatban összefoglalt eredmények születtek a kapacitás értékére. A Matlab PDE Toolbox megoldása az előadásból (Gyimóthy Szabolcstól) származik. Gyakorlatilag a négy szoftver azonos megoldásra vezetett. Ilyen szempontból sokkal érdekesebb a végeselemek száma. Mindegyik esetben lineáris háromszög elemekkel lett felbontva a vizsgált tartomány.

A vizsgált elrendezés kapacitása.

	Matlab PDE Toolbox	ONELAB	ANSYS Maxwell	FEMM
Végeselemek száma	2944	2598	740	7885
Kapacitás [ $$\text{pF/m}$$ ]	173.51	173.78	173.33	173.70

Azonban egy csőtápvonal szimulációja előtt érdemes meghatározni a vágási frekvenciát (vagy határfrekvenciát, ami alatt nincs hullámterjedés a csőtápvonalban). A vágási frekvencia a következő összefüggéssel határozható meg^[1][2]:

$$f_{h,mn} = \frac{1}{2\sqrt{\mu\varepsilon}}\sqrt{\left(\frac{m}{a}\right)^2 + \left(\frac{n}{b}\right)^2}$$ ,

ahol

$$\mu$$ és $$\varepsilon$$ a csőtápvonalat kitöltő dielektrikum permeabilitása és permittivitása.

Az elektromos skalárpotenciál értéke az elrendezésben.	Az elektromos térerősség vektorai az elrendezésben.

References

1. Jump up ↑ Cite error: Invalid <ref> tag; no text was provided for refs named Istvanffy
2. Jump up ↑ Kolos T., Standeisky I.: Mikrohullámú technika I., Tankönyvkiadó, 1980.