Добірка наукової літератури з теми "Massive solenoid"

Introduction. Inductor systems, as tools for metal processing, widely used in industrial technologies using the energy of powerful pulsed electromagnetic fields. Problem. A common disadvantage of the known works on the creation of tools for magnetic-pulse impact on conductive objects has the use of physical and mathematical models, in which the exciting currents do not depend on the ongoing electromagnetic processes. Such the assumption, have distorts the picture of the real energy in the working area of the inductor system. Goal. To obtain design ratios and numerical estimates of the mutual influence of exciting and induced currents of a flat inductor system with a circular solenoid located between massive well-conducting objects, moreover to carry out a theoretical analysis of electromagnetic processes in this system. Methodology. Have applied integrating Maxwell’s equations using the Laplace and Fourier-Bessel integral transformations in the approximation of the ideal conductivity of the metal objects to be processed. Results. The calculated relations for the theoretical analysis of electromagnetic processes have obtained in the high-frequency approximation. It shown that the inductance of the studied system decreases as the objects being processed approach the solenoid and increases as they move away from it. It found that for the invariability of the power indicators, of the proposed tool, a corresponding correction of the amplitude (on average up to 20 times) of the exciting current has necessary in the solenoid winding. Originality. For the first time, the tool design with a circular solenoid located between the massive metal objects has proposed for flat magnetic-pulse stamping. As a result of the theoretical analysis, the influence of electromagnetic processes on the currents flowing in the system has confirmed. Practical significance. The use of the results obtained will allow to increase the efficiency of the tool of magnetic-pulse technologies, and to reduce the energy costs for performing the specified production operations.

An analysis and numerical estimates of induction effects in the metal of a flat circular solenoid located between the branches of an external bifilar coil in a flat inductor system excited by unidirectional currents in the bifilar windings are presented. Such a device, the design of which was first proposed earlier by the authors of this work, is of practical interest for circuits of equipment for magnetic-pulse processing of metals. The use of the considered inductor system makes it possible to minimize the influence of induction effects on electromagnetic processes in the metal of the internal inductor. Numerical estimates are obtained for the induced currents excited in the metal of the inner circular inductor placed between the outer windings of the bifilar coil. It is shown that in the low-frequency mode of acting fields, the time dependence of the excited current is a derivative of the time dependence of the exciting current and the transverse distribution of the current in the metal of the internal inductor is a linear dependence passing through the central axis of the inductor. In the high-frequency regime of acting fields, the time dependence and the radial distribution of the excited current coincide with the corresponding analogs for the exciting current, and the transverse distribution of the induced current is characteristic of a sharp surface effect, when the induced current is displaced to the boundary surfaces of the metal. It is proved that the minimum influence of the fields of the external bifilar on the electromagnetic processes in the internal inductor should be observed in the low-frequency mode, when the spatial superposition of multidirectional induced currents adds up to the zero value of the excited electromotive force of induction. The results of the analysis based on the specific calculations performed are aimed at finding the conditions for the successful technical implementation of the proposed inductor system. The creation of workable models of the proposed inductor systems and experiments to determine the real conditions for their maximum efficiency are seen as very promising in the direction of subsequent research.

Purpose. Currently, in order to save materials and energy costs, devices have been developed using inductor systems with bifilar coils used in equipment for magnetic-pulse processing of metals. The purpose of this work is to obtain design relations based on a rigorous solution of the edge electrodynamics for the analysis of electromagnetic processes in a real metal of a circular solenoid of finite thickness placed between massive multi-turn coils of a bifilar with unidirectional currents in a flat inductor system. Methodology. To solve this problem, Maxwell’s equations with appropriate boundary conditions and Laplace transforms were used. Results. Based on the exact solution of the boundary value problem, the space-time function of the density of the induced current, which arises in a flat solenoid when the system is excited by harmonic unidirectional currents in massive bifilar windings, is obtained. On the basis of numerical calculations, it was found that in the low-frequency mode, the transverse distribution of the induced current is linear, symmetric about the central axis of the inductor. In the high-frequency mode, the transverse distribution of the induced current is characteristic of the case of a sharp surface effect. The conditions for the minimum influence of the fields of the external bifilar on the processes in the internal inductor are revealed. Originality. The novelty of this work lies in proposing the idea of the design of the inductor system, as well as in the exact solution of the electrodynamics problem and obtaining the calculated expressions for the analysis of electromagnetic processes. Practical value. On the basis of the obtained formulas and the performed calculations, the efficiency of the proposed calculation model has been proved, which makes it possible to use it as a basic model for similar inductor systems in determining the real conditions of their maximum efficiency. Figures 2, references 17.

Abstract We investigate the turbulence driving mode of ionizing radiation from massive stars on the surrounding interstellar medium. We run hydrodynamical simulations of a turbulent cloud impinged by a plane-parallel ionization front. We find that the ionizing radiation forms pillars of neutral gas reminiscent of those seen in observations. We quantify the driving mode of the turbulence in the neutral gas by calculating the driving parameter b, which is characterized by the relation $\sigma _s^2 = \ln ({1+b^2\mathcal {M}^2})$ between the variance of the logarithmic density contrast $\sigma _s^2$ [where s = ln (ρ/ρ0) with the gas density ρ and its average ρ0], and the turbulent Mach number $\mathcal {M}$. Previous works have shown that b ∼ 1/3 indicates solenoidal (divergence-free) driving and b ∼ 1 indicates compressive (curl-free) driving, with b ∼ 1 producing up to ten times higher star formation rates than b ∼ 1/3. The time variation of b in our study allows us to infer that ionizing radiation is inherently a compressive turbulence driving source, with a time-averaged b ∼ 0.76 ± 0.08. We also investigate the value of b of the pillars, where star formation is expected to occur, and find that the pillars are characterized by a natural mixture of both solenoidal and compressive turbulent modes (b ∼ 0.4) when they form, and later evolve into a more compressive turbulent state with b ∼ 0.5–0.6. A virial parameter analysis of the pillar regions supports this conclusion. This indicates that ionizing radiation from massive stars may be able to trigger star formation by producing predominately compressive turbulent gas in the pillars.

AbstractWe present the first results from a project to model the prestellar cores in Ophiuchus, using initial conditions constrained as closely as possible by observation. The prestellar cores in Ophiuchus appear to be evolving in isolation — in the sense that the timescale on which an individual prestellar core collapses and fragments is estimated to be much shorter than the timescale on which it is likely to interact dynamically with another core. Therefore it is realistic to simulate individual cores separately, and this in turn makes it feasible (a) to perform multiple realisations of the evolution of each core (to allow for uncertainties in the initial conditions which persist, even for the most comprehensively observed cores), and (b) to do so at high resolution (so that even the smallest protostars are well resolved). The aims of this project are (i) to address how best to convert the observations into initial conditions; (ii) to explore, by means of numerical simulations, how the observed cores are likely to evolve in the future; (iii) to predict the properties of the protostars that they will form (mass function, multiplicity statistics, etc.); and (iv) to compare these properties with the properties of the observed pre-Main Sequence stars in Ophiuchus. We find that if the observed non-thermal velocities in the Ophiuchus prestellar cores are attributed to purely solenoidal turbulence, they do not fragment; they all collapse to form single protostars. If the non-thermal velocities are attributed to a mixture of solenoidal and compressive turbulence, multiple systems form readily. The turbulence first generates a network of filaments, and material then tends to flow along the filaments, at first into a primary protostar, and then onto a compact accretion disc around this protostar; secondary protostars condense out of the material flowing into the disc along the filaments. If the turbulence is purely solenoidal, but part of the non-thermal velocity dispersion is attributed to solid-body rotation, then again multiple systems form readily, but the pattern of fragmentation is quite different. A primary protostar forms near the centre of the core, and then an extended accretion disc forms around the primary protostar, and eventually becomes so massive that it fragments to produce low-mass secondaries; these frequently end up in hierarchical multiple systems.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020. Об’єктом дослідження є імпульсне магнітне поле, що утворюється масивними одновитковими соленоїдами при магнітно-імпульсній обробці металевих заготовок. Предметом дослідження є профілі масивних одновиткових соленоїдів, що забезпечують заданий розподіл імпульсного магнітного поля на поверхні оброблюваної металевої заготовки. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача визначення профілів масивних одновиткових соленоїдів за допомогою аналітичних розв’язків задач аналізу імпульсного магнітного поля, що утворюється джерелами елементарної форми. Дослідження виконано за допомогою фундаментальних положень теоретичної електротехніки, математичної фізики, чисельних методів аналізу та сучасних інформаційних технологій. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено огляд конструкцій полеутворюючих систем для магнітно-імпульсної обробки металів та аналіз відомих методів визначення їх форми. Детально розглядаються два підходи до вирішення цієї задачі. Перший базується на ітеративному або аналітичному підборі параметрів полеутворюючої системи, другий – на вирішенні задачі продовження поля з граничної поверхні. Обґрунтовано необхідність розвитку методів, заснованих на використанні аналітичних розв’язків задач аналізу для джерел елементарної форми, обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі запропоновано метод визначення форми масивних одновиткових соленоїдів для створення заданого розподілу азимутальної складової індукції магнітного поля на поверхні циліндричної та плоскої заготовки, що засновується на використанні систем елементарних джерел зі струмами, котрі розташовані поблизу цих поверхонь. При цьому середовище поза провідниками вважається непровідним і немагнітним, а заготовка замінюється ідеальним надпровідником: нескінченно довгим циліндром або півпростором. Розглядаються три випадки. У першому елементарні джерела – це кільця зі струмами нескінченно малого перетину, що розташовуються співвісно внутрішньому циліндру, у другому – такі ж співвісні кільця, але розташовані паралельно плоскій границі нижнього півпростору, у третьому – осі зі струмами, розташовані паралельно нижньому півпростору. Наведено формули для розрахунку індукції магнітного поля та магнітного потоку, що створюються такими джерелами. Варіацією геометричними параметрами елементарних джерел та струмами, що в них протікають досягнуто відповідності утвореного поверхневого розподілу індукції та заданого. Для підбору оптимальних параметрів системи застосовано метод градієнтного спуску. Для визначення шуканого контуру профілю масивного соленоїда побудовано силові лінії магнітного поля систем елементарних джерел, що забезпечують найменшу похибку відтворення заданого розподілу. Правильність визначення точного контуру профіля соленоїда підтверджується за допомогою методу інтегральних рівнянь. У третьому розділі запропоновано апроксимацію точного контуру профілю масивного одновиткового соленоїда багатокутником, що дозволило значно спростити його проєктування і виготовлення. Досліджено розподіли індукції магнітного поля та їх розбіжності із заданим для соленоїдів точного та апроксимованих профілів. Розраховано та порівняно індуктивність системи соленоїд – циліндр. Детально розглянуто розподіли поверхневої густини струму на крайках апроксимованих соленоїдів і визначено вплив радіуса скруглення та величини кута, що скруглюється, на її максимальні значення. Розрахунки третього розділу виконано за допомогою чисельного розв’язання інтегрального рівняння відносно поверхневої густини струму. У четвертому розділі експериментально досліджено розподіли індукції плоскомеридіанного магнітного поля, що створюється масивним одновитковим соленоїдом поблизу циліндричної поверхні заготовки. Для цього із латуні було виготовлено соленоїд, контур профілю котрого отримали за допомогою методу, який запропоновано в дисертації. Точний контур профіля масивного соленоїда, котрий отримали за допомогою системи дев’яти елементарних кільцевих джерел, було апроксимовано шестикутником. Соленоїд розміщувався на спеціальному стенді співвісно з мідною оболонкою, яка імітувала заготовку. У проміжку між соленоїдом та оболонкою розташовувався індукційний перетворювач, за допомогою якого вимірювали відносну індукцію в контрольних точках поблизу поверхні оболонки. Через соленоїд пропускали імпульси струму від низьковольтного генератора, котрі мали форму експоненційно згасаючою синусоїди. Частота імпульсів змінювалась в діапазоні (40÷225) кГц зміною ємності батареї конденсаторів в генераторі. Наведено відносні розбіжності між виміряними та заданими розподілами, які при всіх варіантах імпульсу не перевищують 6 відсотків по всій довжині оброблюваної поверхні. Результати досліджень дозволили отримати низку наукових результатів: - уперше для визначення форми одновиткового масивного соленоїда, що забезпечує заданий розподіл імпульсного магнітного поля на циліндричній поверхні металевої заготовки при магнітно-імпульсній обробці, застосовано функцію Гріна; - уперше запропоновано апроксимацію складного криволінійного контуру профілю масивного соленоїда контуром багатокутника, що дозволило суттєво спростити його проєктування та виготовлення; - отримало подальший розвиток застосування функцій Гріна для визначення профілів масивних соленоїдів, що забезпечують заданий розподіл плоскомеридіанного та плоскопаралельного магнітного поля на плоскій поверхні металевої заготовки; - достовірність теоретичних результатів, отриманих у дисертації, підтверджено вимірюваннями відносних розподілів індукції магнітного поля, що створюється масивним соленоїдом, поблизу поверхні циліндричної заготовки на стенді для фізичного моделювання; - Результати досліджень використано в НТУ "ХПІ" при виконанні науково-дослідних робіт на кафедрі інженерної електрофізики.
The thesis is submitted to obtain a scientific degree of Doctor of Philosophy, specialty 141 – Electricity, electronics and electrical engineering (14 – Electrical engineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. The object of research is the pulsed electromagnetic field, which is created using massive single-turn solenoid in the process of electromagnetic forming of metal workpieces. The subject of research are profiles of massive single-turn solenoids which generate a given distribution of magnetic field at the surface of a metal workpiece. The scientific and practical task of determining the massive single-turn solenoid profiles is solved using analytical solutions of analysis problems for pulsed magnetic field which is created by elementary sources. The problems of scientific research were solved using fundamental concepts of theoretical electrical engineering, mathematical physics, numerical methods of analysis and modern informational technologies. The introduction substantiates the relevance of research tasks showing connection between the work and scientific programs, plans, themes. The information on the scientific novelty and practical value the obtained results are stated. The first chapter provides an overview of known systems for generating electromagnetic pulsed field and methods which are used to determine its shape. Two different approaches are emphasized. The former is based on iterative or analytical adjustment of field-generating system parameters. The latter is the use of the solution of the problem of field continuation from boundary surface. The further development of the methods which are based on analytical solutions of analysis problems for elementary field sources is justified, the direction of research is chosen and objectives are formulated. The second chapter presents the method aimed to determine the shape of massive single-turn solenoids which generates a given distribution of tangent component of magnetic induction at the surfaces of cylindrical or sheet metal workpieces in the process of electromagnetic forming. The method is based on using the solutions of analysis problems for systems which consist of current carrying conductors of elementary shape that are placed near the boundary surfaces, whereas environment outside the conductors is supposed to be nonconducting and nonmagnetic. The ideal skin-effect approximation is used, according to which we suppose that currents flow within the infinitely thin surface layers. With accordance to the approximation the cylindrical workpiece is replaced by ideal superconductive cylinder of infinite length, the flat workpiece is replaced by superconductive half-space. There are three cases described. In the first case elementary sources is represented by annular current carrying conductors which are places axially with the inner cylinder. The cross section of the annular conductors is infinitely small. In the second case there are the same annular axisymmetric conductors but placed above the flat boundary of superconducting half-space and are parallel to it. In the third case elementary sources are straight current carrying axes which are parallel to each other and to the lower superconducting half-space. The formulas for magnetic induction and magnetic flux for that systems are stated. Compliance with given boundary distribution of magnetic induction is achieved by varying of system parameters using gradient descent optimization method. Field lines for the system of elementary sources, that provides the smallest differences between given and obtained induction distributions, were built and used to determine the exact profile of massive single-turn solenoid that generate given magnetic induction distribution. The correctness of exact profile was verified using the method of integral equations. In the third chapter approximation of exact massive single-turn solenoid profile, which significantly simplify its design and manufacturing, is proposed. Magnetic induction distributions, which are generated by the solenoids, are calculated and errors due to the approximation are investigated. Inductance of the solenoid-cylinder system is compared for different accuracy of approximation and different outer radius of the solenoid. Surface current density distributions at the solenoid contour are shown. An influence of radius of rounding of sharp edges is considered and relation between the angle of rounded edge corner and maximum surface current density is described. Calculations of the third chapter were performed using a numerical solution of the integral equation with respect to surface current density. In the fourth chapter an experimental research on relative induction distributions of axisymmetric magnetic field that is created using brass massive single-turn solenoid at the surface of cylindrical workpiece is stated, whereas the shape of the solenoid was determined according to the method which is described in the thesis. The exact profile contour was chosen by one of the field lines which cover the system of nine annular conductors. With accordance to the approximation method the exact profile contour was replaced by six-sided polygon. The solenoid is placed at the special installation axially with a cylindrical copper shell. Induction sensor is placed into the gap between the solenoid and the shell to measure relative induction at reference points near the shell boundary. The solenoid is connected to low voltage pulse generator which creates the pulses of exponentially damped sine wave. The frequency of the pulses is changed in the range of (40÷225) kHz varying the capacitance of the generator battery. Relative differences between measured and given induction distributions are shown and do not exceed 6 percent at all reference points within working area for every variant of pulse frequency. The research results have allowed obtaining a number of scientific results: - for the first time, an approach which is based on the use of Green’s function to determine a shape of massive single-turn solenoid for generating a given magnetic induction distribution at cylindrical workpiece surface is proposed for electromagnetic forming; - for the first time, approximation of curvilinear contour of massive single-turn solenoid profile by a polygon, which allow to significantly simplify its design and manufacturing, is researched; - the use of Green’s functions is developed for determining of massive singleturn solenoids which generates given distribution of axisymmetric or plane-parallel magnetic field at the flat surface of sheet metal workpiece; - theoretical results obtained in the dissertation are confirmed by measurements of relative distributions of magnetic induction which is created by massive single-turn solenoid at the cylindrical boundary of metal workpiece using the installation for physical modeling; - the results of the research were used for research work at Engineering electrophysics department of National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”.