Numerical simulation of the magnetic field induced by the oscillatory motion of a charged ball
Authors: Маламанов С.Ю. , Павловский В.А. 
Published: December 2020

Современные вычислительные средства с помощью новейших компьютерных технологий дают возможность производить моделирование и расчёт научных и прикладных задач в самых разных сферах деятельности. Новые возможности, позволяют ставить и решать многие комплексные научные и технические задачи морской гео- и гидрофизики, среди которых особенно актуальны в настоящее время следующие: создание аппаратуры для изучения и измерения электрического и магнитного полей в воде; исследование электрических явлений в море для определения их связи с другими физическими процессами; изучение магнитогидродинамических процессов, возникающих из-за движения морской воды в магнитном поле Земли и многие другие
Некоторые прикладные задачи требуют физически верного описания движения твёрдого тела, как в жидкой среде, так и на границе раздела сред, например, «газ–жидкость». Кроме того, подобного рода движения могут происходить при наличии изменчивости физических (например, электромагнитного) полей, которые необходимо учитывать. Решение подобных задач стало возможным с помощью современных вычислительных комплексов. Однако при этом следует иметь в виду, что сложный характер взаимодействия гидродинамического и электромагнитного полей обуславливает необходимость рассмотрения достаточно упрощенных моделей, описывающих основные закономерности изучаемых явлений.
В настоящей работе представлены результаты численного моделирования генерации индуцированного магнитного поля, вызванной колебательным движением твёрдого шара, с помощь вычислительного комплекса ANSYS.CFX. Шар совершает вынужденные колебания на границе раздела «морская вода – воздух». Модельная постановка задачи позволяет лучше понять механизм генерации магнитного поля, обусловленный движением твёрдого заряженного тела в проводящей среде. Рассматриваемое твердое тело – шар - моделируется набором 2D областей, формирующими его поверхность, при этом сетка движется по его поверхности в соответствии с решением уравнений динамики последнего. Решение уравнений прямолинейного движения выполняется с помощью дискретизации по неявной схеме интегрирования Ньюмарка. При этом используется 2й порядок точности.
Для расчета параметров магнитного поля решалась система уравнениймагнитной гидродинамики, реализованная в вычислительной структуре комплекса ANSYS. CFX.
Modern computing facilities with the help of the latest computer technologies allow modeling and calculating scientific and applied problems in various fields of activity. New modeling capabilities make it possible to pose and solve many complex scientific and technical problems of marine geo- and hydrophysics, among which the following are especially relevant now: creation of equipment for studying and measuring electric and magnetic fields in water; study of electrical phenomena at sea to determine their relationship with other physical processes; study of magnetohydrodynamic processes arising from the movement of sea water in the Earth's magnetic field and many others Some applied problems require a physically correct description of the motion of a solid, both in a liquid medium and at the interface between media, for example, "gas-liquid". In addition, this kind of motion can occur in the presence of variability of physical (for example, electromagnetic) fields, which must be taken into account. The solution of such problems has become possible with the help of modern computing systems. However, it should be borne in mind that the complex nature of the interaction of hydrodynamic and electromagnetic fields necessitates the consideration of rather simplified models, which, however, "grasp" the essence and describe the basic laws of the studied phenomena. This paper presents the results of numerical simulation of the generation of an induced magnetic field caused by the oscillatory motion of a solid ball using the ANSYS.CFX computer complex. The ball makes forced vibrations at the "sea water - air" interface. The model formulation of the problem makes it possible to better understand the mechanism of magnetic field generation caused by the motion of a solid charged body in a conducting medium. The considered rigid body - a sphere - is modeled by a set of 2D regions that form its surface, while the mesh moves along its surface in accordance with the solution of the equations of the dynamics of the latter. The solution of the equations of rectilinear motion is performed by discretization according to the implicit Newmark integration scheme. In this case, the 2nd order of accuracy is used. To calculate the parameters of the magnetic field, the system of equations of magnetohydrodynamics was solved, implemented in the computational structure of the ANSYS complex. CFX.