FEM Example Capacitance Two Balls/pl: Difference between revisions

From FreeCAD Documentation
(Created page with "Ten przypadek przedstawia rozwiązanie pojemności elektrycznej doskonale przewodzących kul w wolnej przestrzeni. Różnica napięć między kulami wywołuje ładunek elektryczny w układzie. Kule mają też własną pojemność elektryczną, która wynika z różnicy napięć z dalekim otoczeniem. Zatem rozwiązania musi być symetryczna macierz 2 x 2 pojemności elektrycznej. Pojemności mogą być obliczone z dwóch różnych konfiguracji napięć.")
(Created page with "== Zrozumienie modelu ==")
Line 48: Line 48:
Ten przypadek przedstawia rozwiązanie pojemności elektrycznej doskonale przewodzących kul w wolnej przestrzeni. Różnica napięć między kulami wywołuje ładunek elektryczny w układzie. Kule mają też własną pojemność elektryczną, która wynika z różnicy napięć z dalekim otoczeniem. Zatem rozwiązania musi być symetryczna macierz 2 x 2 pojemności elektrycznej. Pojemności mogą być obliczone z dwóch różnych konfiguracji napięć.
Ten przypadek przedstawia rozwiązanie pojemności elektrycznej doskonale przewodzących kul w wolnej przestrzeni. Różnica napięć między kulami wywołuje ładunek elektryczny w układzie. Kule mają też własną pojemność elektryczną, która wynika z różnicy napięć z dalekim otoczeniem. Zatem rozwiązania musi być symetryczna macierz 2 x 2 pojemności elektrycznej. Pojemności mogą być obliczone z dwóch różnych konfiguracji napięć.


<span id="Understanding_the_Model"></span>
== Understanding the Model ==
== Zrozumienie modelu ==


* The model contains three spheres.
* The model contains three spheres.

Revision as of 22:21, 14 December 2023

Ćwiczenie
Temat
Analiza metodą elementów skończonych
Poziom trudności
Początkujący
Czas wykonania
30 min
Autorzy
Sudhanshu Dubey
Wersja FreeCAD
0.19 lub nowszy
Pliki z przykładami
Tworzone automatycznie
Zobacz również
-

Wprowadzenie

Ten przykład pokazuje jak zasymulować przypadek 6 z dokumentu Elmer GUI Tutorials, Electrostatic equation – Capacitance of two balls (Równanie elektrostatyczne – Pojemność elektryczna dwóch kul) przy pomocy Przykładów MES. Wyjaśnia jak ustawić przykład, przeanalizować jego różne części, rozwiązać używając solvera Elmer i zwizualizować wyniki za pomocą filtra przycinania.

Wynik końcowy tego przykładu

Wymagania

  • Kompatybilna wersja programu FreeCAD wskazana w opisie przykładu.
    Użyj opcji Pomoc → Informacje o FreeCAD aby sprawdzić jaka wersja programu jest zainstalowana
  • Do wczytania przykładu, obejrzenia siatki i geometrii oraz wizualizacji wyników nie jest wymagane żadne zewnętrzne oprogramowanie.
  • Do przeprowadzenia analizy metodą elementów skończonych (MES), solver ELmer musi być zainstalowany na komputerze. Zobacz tę stronę aby dowiedzieć się jak zainstalować solver Elmer.

Ustaw przykład

Załaduj środowisko pracy MES

Załaduj plik przykładu

  • Idź do Narzędzia → Otwórz przykłady.
  • Gdy otworzy się okno dialogowe, znajdź i otwórz przykład "Electrostatics Capacitance Two Balls". Możesz go łatwo znaleźć w kategoriach All lub Solvers → Elmer. Aby otworzyć przykład, kliknij na nim dwukrotnie lub zaznacz go i wciśnij przycisk Setup.

Zrozumienie przypadku obliczeniowego

Ten przypadek przedstawia rozwiązanie pojemności elektrycznej doskonale przewodzących kul w wolnej przestrzeni. Różnica napięć między kulami wywołuje ładunek elektryczny w układzie. Kule mają też własną pojemność elektryczną, która wynika z różnicy napięć z dalekim otoczeniem. Zatem rozwiązania musi być symetryczna macierz 2 x 2 pojemności elektrycznej. Pojemności mogą być obliczone z dwóch różnych konfiguracji napięć.

Zrozumienie modelu

  • The model contains three spheres.
  1. The two smaller ones are the perfectly conducting balls.
  2. The bigger one is to simulate the surrounding air.
  • The two smaller spheres are fused together and then that fusion is is cut from the bigger sphere.

The initial model

Analysis container and its objects

The objects used in this electrostatic analysis:

  1. Analysis container
  2. SolverElmer
  3. Electrostatic, the electrostatics equation
  4. FemMaterial, a fluid material to represent the surrounding air
  5. ElectrostaticPotential, constraints (3 of them)
  6. ConstantVaccumPermittivity, optional
  7. Mesh, a Gmsh mesh
  8. MeshRegion, a mesh region for the smaller spheres

The objects as they appear in the Tree view

Running the FEA

  • In Tree view double click on the solver object .
  • Click on Write file in the same task panel. Watch the log window until it prints "write completed." You can ignore the warning about the vacuum permittivity that might appear.
  • Click on Run. Since this is a small analysis it should take a few seconds to run so wait till you see "ELMER SOLVER FINISHED AT" in the output.
  • Click on Close in the task panel after the run is finished.
  • Two new result objects should be created in the tree view, SolverElmerResult and SolverElmerOutput.

If you get an error message on solver binary or similar when triggering the analysis, check the installation of Elmer.

Visualizing Results

  • Make sure the mesh is invisible. If not, select the Mesh object and press Space to toggle the visibility.
  • Also make sure the Cut object is invisible.
  • Double click on the SolverElmerResult object to ope its task dialog.
  • Change the "Field" to "potential" and press OK.
  • You will notice that the color of the sphere has changed to blue and that the gradient on the right is showing values from 0 to 1. It should look something like this:

Post Processing the Result

  • While we have successfully visualised the potential result, currently we are only seeing the zero potential in the air surrounding the two balls. To view the potential on the balls we need to apply a clip filter.
  • In the tree view select the SolverElmerResult object and then from the tool bar click on the button Region Clip Filter.
  • This will open a dialog with the filter configurations. Click there on the button Create and choose Plane. This adds a plane through the center of the sphere at which the result mesh is cut. To smooth the cut face, check the option Cut Cells. Eventually click Apply.

  • In the tree view there is a new entry called Functions. It contains the created Plane. Make it invisible using Space.
  • Double-click on the Clip object in the tree view.
  • Change the "Field" to "potential" and press OK.
  • Toggle the visibility of the SolverElmerResult object using Space and you should see something like this:

Now we can clearly see that potential distribution in and around the balls.

Note that when Apply Changes is on, you would have been able to select the "Field" in the clip dialog directly and not to reopen it after the plane was created.

Finding the Capacitance

  • Our actual focus is to find the capacitance which is contained in the SolverElmerOutput.
  • Double click on SolverElmerOutput to open it. Scroll down till you find:
StatElecSolve: Capacitance matrix computation performed (i,j,C_ij)
StatElecSolve:   1  1    5.07016E+00
StatElecSolve:   1  2    1.69328E+00
StatElecSolve:   2  2    5.07201E+00
  • Here, our desired result is C12 = 1.69328. This value is close to the 1.691 given in the Elmer GUI Tutorials. We can get an even closer value by making a finer Mesh Region but this activity is left for the user. Also, the user is advised to play with the Clip Filter to get a visual result similar to the first picture of this tutorial.