基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化

准确计算油浸式变压器的温度分布并寻求优化方法,对设备运行维护具有重要意义。首先建立了35 kV油浸式变压器的3维等效模型,采用Jiles-Atherton模型模拟变压器铁芯材料的磁滞特性,通过磁场计算获取了铁芯和绕组的损耗密度分布。在此基础上将损耗密度作为热源,经过流–热耦合计算得到变压器的温度场和流场仿真结果。根据计算结果提取了铁芯、绕组区域的温度分布及截面的油流流速分布,并绘制了散热片的最高温度和流速曲线。最后结合中心组合设计和仿真分析方法得出不同散热器结构参数下的变压器热点温度,构建热点温度与结构参数间的支持向量机模型,采用粒子群算法获得了最优参数。变压器热点温度较优化前降低了15.12 K,仿真与模型预测结果的相对误差为6.42%,验证了优化模型的有效性。结果表明:优化方法能够显著降低变压器热点温度,为变压器的优化设计提供了新的思路和参考。

基于多物理场仿真的低频变压器温度特性分析及导向结构优化

为了降低低频工况下油浸式电力变压器的热点温度与内部温升,基于电磁-热-流体场多物理场耦合对低频变压器绕组区域导向结构开展优化分析。通过对变压器电磁部分的有限元数值计算,确定低频变压器与同工况下的工频变压器在铁芯和绕组区域的磁密分布与损耗特性区别。然后在此基础上将铁芯和绕组的损耗作为热源代入流体场和温度场进行仿真分析,得到变压器整体和绕组区域局部的温度及油流分布。最后通过构建20 Hz低频变压器绕组区域的油流传热模型,结合有限元仿真研究导油挡板数量与分布对绕组区域油流量、平均温度和热点温度的影响,并获得导向结构的最佳分配方案。研究结果表明,20 Hz低频变压器绕组区域的热点温度较无挡油板的模型下降了14.44%,该结果可为低频变压器紧凑化设计提供优化方案。

基于多物理场仿真和神经网络算法相结合的油浸式变压器热点温度动态反演方法

绕组热点温度是影响油浸式电力变压器绝缘老化程度的重要因素之一。已有的变压器热点温度计算方法主要包括经验热模型、热路等值模型、人工智能算法等,这些方法在计算准确性和实际应用方面各有不足。基于此,提出了基于多物理场仿真和神经网络算法相结合的油浸式变压器热点温度反演方法。借助多物理场仿真技术实现变压器的高精度模拟,以获取多种环境温度和负载升降变化运行断面下的可信样本,并提取环境温度、顶层油温、负载系数等特征参量作为输入,采用反向传播神经网络建立变压器热点温度的反演模型。以100 kVA/10 kV变压器为例进行分析,结果表明该文提出的热点温度计算方法可以实现负载系数和环境温度变化过程中热点温度的动态反演,其动态反演曲线和实际测量曲线均方根误差为0.94℃,较现有的导则经验公式和热路模型有更高的计算精度。

水冷式射频组织焊接电极的多物理场仿真与实验研究

为了降低射频组织焊接中高温造成的热损伤,设计了一种创新的水冷式射频组织焊接电极,使用COMSOL Multiphysics软件对猪小肠的体外焊接过程进行了多物理场仿真,结合焊接和爆破压实验对生物组织的焊接温度与效果进行了分析。结果表明:仿真使用“温度阈值”方法解决了现有模型中生物组织水分的可逆蒸发问题;在相同实验条件下水冷电极的最大焊接温度为139.8℃,平均焊接温度为112.5℃,较典型金属电极明显得到控制;水冷电极作用下生物组织爆破压达到62.3±13.7 mmHg,满足焊接要求。仿真模型预测的温度与实验结果拟合良好,且水冷电极有效焊接了组织,控制了焊接温度。

10 kV三相无屏蔽层电缆的多物理场仿真研究

近年来配电网管廊中10 kV三相电缆的金属屏蔽频繁被盗,无屏蔽层电缆极易引发绝缘问题,严重影响配电网管廊的安全性。为此以YJV22型10 kV无屏蔽层电缆为对象,针对深度为1.95 mm、2.45 mm、2.95 mm的划伤,100~300 Pa压强下的挤压变形,0~31.9 mm间距松散结构等状态开展电磁热结构场仿真研究。仿真结果表明:不同尺寸的划伤缺陷会引发电缆内部电场发生不同程度的畸变,且在缺陷充水情况下的畸变场强远高于缺陷充空气情况下的畸变场强;无屏蔽层电缆在受到不同大小挤压力后会发生不同程度的形变,进而影响电缆内部电场发生变化,受挤压位置处电场强度大;松散分布的无屏蔽层电缆交流电阻减小,导体温度降低,载流量增大。根据以上分析结果,提出必要的维修措施以避免由畸变场强造成的击穿事故。

Comsol多物理场仿真软件在滑坡数值模拟中的运用

滑坡地质灾害由于其成因机制特殊,涉及水与岩土体之间作用,有关能模拟流-固耦合的软件相对较少。而Comsol作为一款多物理场仿真软件,其“多孔弹性”接口很好的做到了达西定律与固体力学的耦合,对于评估流体导致岩土体的变形有很大的优势。基于此,文中以某实际滑坡案例为基础,利用Comsol多物理场数值模拟软件对滑坡进行了流-固耦合计算,获取了滑坡的变形破坏机理及特征。

轴向永磁式涡流制动器特性的多物理场仿真分析

随着电磁装置的设计面向于小型化和高功率化的趋势,其温升可能引起装置性能衰减甚至是结构损坏。因此,在设计阶段,除电磁场特性之外,温度场以及流体场特性分析也至关重要。该文针对双边轴向永磁式涡流制动器结构,分析其电磁场、流体场和温度场特性以及相互之间的影响机理。首先,通过电磁场有限元法分析涡流制动器的制动特性以及导体板中的涡流损耗变化曲线。其次,通过建立的三维流体场模型,分析涡流制动器气隙中的流体流动规律以及传热特性。最后,基于电磁场和流体场计算结果,建立涡流制动器的热网络模型,分析其温升特性,并通过三维温度场有限元法验证其准确性和有效性。通过上述方法,可以精确估计涡流制动器的运行状态,给设计人员提供理论依据。

PCMR体声波谐振器多物理场仿真及芯片制作

文章介绍了一种轮廓模式压电谐振器的工作原理,阐述了多物理场的概念并利用多物理场有限元分析方法分析了该谐振器的谐振过程,并利用多物理场原理对压电谐振器结构进行了仿真优化。多物理场仿真可以更加直观,深入的理解PCMR的工作原理和过程。不利用等效电路模型,所以可以准确的找到谐振器各组成部分对谐振器的影响。基于仿真的结果,分别设计了平板型(82.75MHz)和交指型(346.5MHz)轮廓模式谐振器并利用MEMS工艺对其进行了制作。制作的轮廓模式谐振器具有较高的Q值(800),机电耦合系数2%,测试结果和仿真结果基本的吻合。

电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状

电力设备在运行中受到电、磁、热、力及流体等多物理场的综合作用,多物理场耦合仿真对保证电力设备设计最优性以及运行可靠性不可或缺。在电力设备多物理场计算及软件开发时须攻克材料非线性建模、快速瞬变多空间/时间尺度问题等效方法、多场耦合作用机理及数学模型的建立、大规模微分代数方程组(DAE)的稳定高效求解等关键问题。为此,分别从材料参数等效、多场耦合计算技术、大规模跨尺度计算、DAE方程组求解等方面介绍了自主软件开发过程中应该重点关注的研究内容和算法技术。为促进基于数值仿真的数字孪生技术在电力设备领域的应用,总结分析了集成几何/仿真分析于一体的等几何分析法、模型降阶方法和基于数据驱动的多物理场仿真方法等新型技术。最后,针对国产计算机辅助工程(CAE)软件存在的问题,分析了国内外多物理场软件开发技术发展现状,并对研发国产电力设备多物理场计算软件作了展望。

基于多物理场仿真对螺旋推进器提高微波加热均匀性的分析

为了解决工业应用上微波加热过程中普遍存在的加热不均匀问题,本文提出了一种管道式螺旋推进微波加热装置的设计方案。通过引入时变参量,利用多物理场仿真方法对水在有螺旋推进器的管道中的微波加热均匀性进行了分析,并与未放置有螺旋推进器的管道对水的微波加热均匀性进行了比较,结果表明该装置相对于没有螺旋推进器的加热装置有更好的微波加热均匀性。通过对加热均匀性的量化计算,得到该装置内被加热的水的温度变异系数达到0.079相对于无螺旋推进器静止水的微波加热情况提高了38.8%,进一步表明其温度分布具有良好的均匀性。该装置实现了对水的微波均匀加热,对液体材料微波加热的工业应用具有指导意义。

微波加热效应的多物理场仿真与实验

微波对物质的加热涉及电磁、热、加热物的物理参数随温度变化等多种物理过程的综合作用。研究耦合电磁场、热传导和被加热物质物理参数方程构建多物理场方程组,数值求解获得微波加热过程的温度变化。给出多物理场算法公式和计算流程,以2.45 GHz微波加热水为例,多物理场仿真了该加热过程的微波功率分布、热量累积和温度上升,设计和加工制作了微波加热实验装置。在工作频点2.45 GHz处,测试装置的回波损耗为16.2 dB,同时测试了输入功率40 W时4个指定点处60 s内的温升,多物理场仿真结果与测试结果吻合良好,验证了多物理场仿真的正确性。

电机绕组缺陷的电-磁-热多物理场仿真与定量检测方法

针对传统方法缺乏考虑电机绕组缺陷尺寸变化对检测效果的影响,以及接触式检测的局限性,建立一种考虑电-磁-热耦合的电机绕组缺陷的多物理场模型,并提出基于脉冲涡流热成像的定量检测方法。基于脉冲涡流检测过程中的电磁感应与热传导机理,建立电-磁-热多物理场耦合模型模拟涡流激励下缺陷的生热过程,给出不同种类缺陷的电磁场与温度场分布,并揭示了缺陷尺寸变化对温度分布及检测结果的影响机理。进一步设计电磁感应激励红外热成像检测系统,在脉冲式激励模式下获得了电机绕组的热像图序列,通过定量处理后实现电机绕组的绝缘破损、铜条表面裂纹、绝缘减薄与铜条裂纹复合缺陷等缺陷的可视化检测。所提多物理场方法仿真结果表明,缺陷处温度低于周围非缺陷处温度,且缺陷中心处温度随绝缘层变薄而增大,实验分析结果与仿真一致,验证了模型的准确性。

探空温度传感器的流固耦合多物理场仿真分析

高空大气温度探测过程中,太阳辐射引起的探空温度传感器升温是影响温度测量精度的重要因素。传统的经验估测法和模型简化法难以对探空温度传感器在高空气流环境中的温度测量结果进行精确的定量求解。为解决上述问题,采用流固耦合多物理场分析方法对探空温度传感器进行计算流体动力学仿真。仿真结果表明,引线夹角较大的探空温度传感器的测温结果受太阳高度角影响较小;四引线结构探空传感器的测温结果受太阳照射角度变化影响较小,可获得较高精度。通过遗传算法对仿真结果进行拟合,获得探空温度传感器在不同太阳高度角和方位角条件下的测温结果计算方程。最后,通过理论分析探空温度传感器测量结果的变化趋势,验证流固耦合多物理场仿真分析结果的可信性。

多物理场仿真开关磁阻电机定子的径向电磁振动

由于双凸极结构及磁饱和特性,开关磁阻电机较它型电机有较大的径向振动.通过多物理场仿真方法,开展定子壳体径向电磁振动耦合仿真.先通过二维电磁场有限元,分别在三相和六相工作模式下,计算额定转速下电机各定子齿所受径向电磁力密度的时程.再利用定子振动特征方程,进行了定子的模态分析.最后,将电磁力密度施加到相应定子齿作为外部激励,通过瞬态结构场分析获得了定子壳体的整体变形,以及关键节点加速度在时域和频域的振动特性.结果表明,在三相模式下,正方变形模态是壳体的典型振型;在六相模式下,椭圆变形是壳体振动的典型振型.正方变形时的加速度幅值要小于椭圆变形.该工作能从振动方面指导开关磁阻电机工作模式的选择和优化.

多物理场仿真在生物医学工程专业课程教学中的应用

分析了生物医学工程专业医学仪器原理与应用课程教学的难点,并从理论讲授、仿真演示、学员实践等方面阐述了多物理场仿真的教学过程,指出利用COMSOL软件进行多物理场仿真案例教学,加强了学员对知识的理解与掌握,提高了学员的学习热情,有助于培养学员建模思维、提升教学效果,能为培养具备设备研发能力的生物医学工程人才打下基础。

ABB公司使用多物理场仿真优化变压器和传感器设计

为了保障电网免受系统故障的影响,ABB公司通过多物理场仿真,设计了可以承受快速瞬态过电压,及可用于地下电力系统的潜水型钳式传感器。停电有时会持续数小时、数天、数周甚至数月,无论停电时间持续多久,都可能会令人感到沮丧或造成混乱。在极端炎热或寒冷的天气,停电甚至会带来危险。为了保障电网的稳定性、安全性和财务可行性,ABB公司使用多物理场仿真和仿真App对变压器和传感器设计进行优化。

基于多物理场仿真的TE221温补滤波器设计技术

输出多工器是有效载荷转发器分系统的关键部件之一,其性能好坏决定了整个转发器分系统的性能特性。随着市场需求和航天技术的不断发展,对输出多工器的要求也越来越高。然而,针对输出多工器高温度稳定性需求,采用温补结构是国际上普遍采用的改善输出多工器温度稳定性的方法。文章以TE221的温补滤波器为设计原型,提出了应用多物理场仿真设计温补滤波器的方法。文中首先仿真设计了Ka频段的TE221模滤波器;然后仿真分析了影响温补特性的关键结构尺寸;最后,应用多物理场仿真的方法设计一种TE221模温补滤波器,该滤波器温漂系数小于1ppm/℃,其设计结果满足航天系统的应用。文章提出的设计方法适合任意结构形式的温补滤波器设计,并且该设计方法方便灵活、简单快速。

灵感一触即发——多物理场仿真分析平台COMSOL Multiphysics V4.0震撼上市

COMSOL Multiphysics V4.0以全新的操作界面和高效的建模过程闪亮登场,它将为您的建模仿真工作提供前所未有的灵感。COMSOL崭新的用户界面更加简洁、高效、有序,可以让您更加专注于研究内容的设计和实现,大大提高您的工作效率。

多物理场仿真技术大幅提升建造效率

随着建筑业的快速发展,一座座超高层和大体量建筑拔地而起,但一些处于闹市区的工程项目经常会面临施工难题。中建八局首创溜管法不仅绿色环保地实现混凝土浇筑,而且极大地提升了施工效率,缩短了工期。在改进施工工艺过程中,中建八局应用COMSOL Multiphysics■多物理场仿真软件进行了仿真模拟试验,为施工方案的快速优化及实施提供了极大帮助。

COMSOL继续引领多物理场仿真技术发展

今天,世界各地的大多数工程团队都在产品开发的过程中大量采用仿真的工具和方法,COMSOL MUItiPhysiCS。正是其中最具代表性的多物理场仿真软件工具。最新的COMSOLMultiphysics 5.4版本已在2018年10月正式发布。关于其创新功能,在2018年11月1~2目的COMSOL用户年会上海站活动上,COMSOL的国内外技术专家们给出了精彩详解。