电化学能量储存和转换体系多物理场模型的建立及其应用

电化学能量储存和转换技术已成为解决能源和环境问题的重要手段。如何解决大规模工业化应用过程中电化学能量储存和转换体系相关材料、器件的研发、设计、优化以及管理控制等关键科学和技术问题已经成为一个热点。本工作以锂离子电池、超级电容器和电解水制氢3个具体实例为对象,建立电化学系统多物理场模型。基于实验验证模型,探索了大容量软包电池内芯传递现象、电化学反应过程及电流分布间的相互作用;引入“静电像相关性”概念,研究超级电容器多级孔道内双电层及赝电容的分布规律;考虑PEM电解水制氢工程学上的瞬态问题,研究制氢装置电化学表征特性模拟及两相流传递现象对电解性能的影响。结果表明,大电流操作、导热性差的电池内芯材料显著加剧电池内芯内部电流及反应非均匀性,超级电容器微孔和介孔配比影响双电层及赝电容分布及离子传递过程,制氢装置部件需要高亲水性材料且保持流道中高液相饱和度来增强电解性能。由此可见,多物理场模型可以为材料设计、实际物理过程分析以及系统优化等方面提供理论和设计指导。

电力装备多物理场数值计算发展现状

随着我国加快构建新型电力系统、助力实现“碳达峰、碳中和”战略的实施,全行业对电网的数字化转型和安全运行提出了更高要求。基于多物理场仿真技术实现电力装备运行状态的实时监测和故障预警,提高电力装备的数字化程度,实现电网核心设备的数字化、智能化运维是当前电网安全运行亟待解决的关键问题。本文首先简要回顾数值计算的发展历程,包括数值计算方法、语言和工程领域发展应用情况;在电气工程领域,除了应用于传统电力系统分析和电机设计分析的数值计算,以多物理场耦合数值计算为核心的计算高电压学可为传统的高电压试验研究提供重要的补充和支撑,已成为电力装备的研究热点。然后针对变压器、电抗器、套管等典型电力装备运行中常见的热故障、绝缘故障和机械故障,整理分析了各类故障所涉及的工程背景、计算分析内容、多物理场耦合模型、计算关键问题和关键材料特性,并指出目前多物理场数值计算面临材料非线性、多场耦合准确性和快速计算方法等方面的难题。此外,汇总了包括典型商业软件和开源软件在内的电力装备多物理场仿真计算平台,进一步指出目前国内高压电力装备计算正面临软件卡脖子的严峻形势。最后,从高压电力装备中如放电等复杂的多物理场过程、新型电工材料研究、高性能计算方法和数字孪生应用的角度,提出电力装备多物理场数值仿真的研究思路和发展方向。

考虑频率波动的微波加热数值模拟模型

家用微波炉内磁控管的频率会有波动,且难以测定。为考查微波频率波动对样品温度分布的影响,获得更加精确的仿真结果,研究假设家用微波炉的频率以2.45 GHz为中心波动,并对不同波动范围的频率(2.44~2.46 GHz,2.43~2.47 GHz,2.41~2.49 GHz)与单个频率(2.45 GHz)的基于有限元模型的仿真结果与实验结果进行了比较分析。实验对象是放置于微波炉内加热60 s的土豆泥。对于不同的频率范围分布,每隔0.005 GHz计算一次电磁功率密度,并根据余弦分布对它们进行加权平均,最后将电磁功率作为热源加热土豆泥。模拟结果分别与用热成像仪和光纤热电偶测定的土豆泥表面温度分布和各部位瞬时温度的实验值进行比较。结果显示频率波动范围在2.44~2.46 GHz预测的温度场与实验值有较好的一致性;而在2.41~2.49 GHz范围内,温度分布的均匀性最好。该模型也可为指导微波食品的开发提供理论依据。

双磁场调制同轴磁齿轮瞬态和振动特性分析

为了准确预测双磁场调制同轴磁齿轮(DFM-CMG)在起动阶段和突变负载工况下的瞬态特性,该文在DFM-CMG电磁有限元模型基础上,建立了其扭转模型和考虑转子位置与磁力转矩之间非线性关系的瞬态模型。通过对比扭转特性的理论计算值与实验测试值,证明了DFMCMG的电磁有限元模型和扭转特性分析模型的正确性。DFM-CMG动态特性仿真计算和实验测量结果表明,其具有较好的速度和负载跟踪能力。由于DFM-CMG两永磁转子与辅助调制环之间存在耦合关系,导致辅助调制环受力振动特性较为复杂。通过将电磁力加载到辅助调制环极片上,建立了多物理场仿真模型,实现了对辅助调制环振动特性的定量仿真计算。计算结果表明,辅助调制环的固有频率值大于且远离电磁力频率值;同时,辅助调制环在电磁力作用下的最大振动变形量远小于其许用形变量。

基于三维构型与电热传感的特高压换流变压器出线装置区域数字孪生模型研究

特高压换流变压器出线装置区域绝缘结构复杂且体积巨大,承受大电流、高电压长时间作用,对其开展现场运维试验将耗费较大代价。目前数字孪生技术日益完善,逐渐从汽车、航空等制造业引入电力行业。基于此,文中将数字孪生技术引入特高压换流变压器高端电力设备,考虑到换流变压器本体结构复杂且其出线装置及换流变套管区域为其重要典型附件,因此重点研究该区域数字孪生3D模型构建,依据其孪生模型进行现场运维模拟试验和大电流、高电压载荷下的功能性响应分析。出线装置区域数字孪生模型依据电热耦合物理场仿真模型构建,应用电热传感器实时监测其承受在线电压、电流波形,并实现了现场运行参数与数字孪生模型加载数据之间的交互联动。另一方面,实现了数字孪生模型中材质区域智能提取辨识,并可依据物理场环境变换材料参数性能,以适应不同运行环境的结构设计与性能考核。进一步,为分析换流变套管内部暂态温度与其短时载流能力和长时老化性能间关系,提出了高压套管长时内绝缘性能评估流程方法。文中聚焦于换流变压器出线区域的数字孪生模型3D构建,其研究方法可推广延拓至换流变本体绕组结构、油纸绝缘区域与有载开关等关键部件。文中研究结果可为换流变压器本体绝缘结构设计,特别是出线装置区域的结构设计与运行维护提供理论指导和技术参考,对在线分析换流变压器出线装置区域运行中的短时载流能力和长时老化性能有一定的理论指导作用。

压接式IGBT寿命评估软件开发与案例分析

压接式IGBT功率器件是新型电力系统应用装备中的核心部件之一。由于电力设备工作环境复杂,工况多变,长期作用下会导致功率器件发生疲劳失效。为保证电力系统关键设备的安全稳定运行,需要对压接式IGBT器件的剩余寿命进行评估,从而在器件发生失效前及时进行相应的处理。首先通过建立压接式IGBT器件多物理场模型分析影响器件老化进程的力学参数;然后,基于分析结果,在现有寿命预测模型中选取适合于压接式IGBT的模型,并开发适用于压接式IGBT的寿命评估软件;最后用寿命评估软件进行案例分析,得到器件的寿命评估结果,对器件的应用提供了指导。

金属支撑型固体氧化物电解池的3D建模与性能分析

建立了一种铈基电解质的金属支撑型固体氧化物电解池的三维模型,通过多物理场耦合分析了其电化学工作性能.设计的3层电解质结构为10Sc1CeSZ|GDC|10Sc1CeSZ,以GDC为主电解质.针对连接体、流体域和多层单电池结构建立了三维模型,将质量、动量、能量控制方程与物质输运方程和电化学反应耦合建立多物理场分析模型.研究了设计的金属支撑型固体氧化物电解池的电化学工作性能,详细分析了电池内部的速度场、浓度场和温度场分布.结果表明,设计的金属支撑型固体氧化物电解池在650℃下,电流密度为2.4 A/cm^(2)时,电压损失为0.38 V,欧姆损失和极化损失分别占33.72%和66.28%.采用金属支撑对气体的输运仅有轻微的影响,但是整个电池内部的温度分布均匀性得到明显改善.

考虑电流谐波的车用IPMSM振动仿真模型研究

为研究电流谐波对永磁同步电机振动的影响,搭建仿真平台,以一台48槽8极内置式永磁同步电机(IPMSM)为研究对象,分析了两种考虑电机电流谐波的振动仿真模型的异同。理论分析了引入电流谐波的永磁同步电机振动源,建立基于MATLAB-ANSYS的联合仿真模型和实测电流-ANSYS多物理场模型,并通过有限元法计算两种仿真模型的电磁激振力和振动加速度频谱,用振动实验验证了两种模型的有效性。

弯管内外表面腐蚀缺陷力学-电化学相互作用规律研究

为进一步研究弯管内外表面腐蚀缺陷力学-电化学(M-E)相互作用规律,建立基于多物理场耦合的弯管内外表面含腐蚀缺陷的三维模型,研究内压和缺陷几何形状对M-E相互作用规律及对弯管的影响。研究结果表明:当弯管内外表面存在腐蚀缺陷时,弯管内侧的M-E效应更强,增加应力和腐蚀的增长速率,使内侧更容易发生失效;当缺陷几何增长时,应力在缺陷长度和宽度方向上增长,腐蚀主要在缺陷长度方向上增长;外表面缺陷附近的应力和腐蚀增长规律基本一致,而内表面缺陷附近的应力增长较腐蚀增长更为复杂。研究结果可为含腐蚀缺陷弯管评估模型的完善以及管道系统完整性的管理提供理论参考。

轮毂驱动用永磁同步电机电磁振动噪声研究

研究了轮毂驱动用16极24槽永磁同步电机电磁振动噪声的仿真预测方法,并通过消声室测试结果验证了研究方法的有效性。首先,建立考虑各向异性材料特性的定子铁芯和带集中式绕组的定子系统等效模型,并利用力锤模态敲击实验验证了等效模型的有效性;其次,针对轮毂驱动电机总成,建立电磁-结构-声学多物理场耦合模型,仿真预测了在全负荷工况下电机辐射噪声;最后,利用消声室台架实验结果,验证了永磁同步电机电磁-结构-声学多物理场耦合模型的准确性。研究成果可进一步用于其他永磁同步电机设计开发和电磁振动噪声产生机理研究。

三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究

为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱导应力、热应力及膨胀行为进行了仿真分析。扩散诱导应力可通过一维电化学模型及其衍生的颗粒维度进行仿真分析,而热应力则需要通过三维固体力学和传热模型进行仿真。研究结果表明,随着放电倍率的增加,电池产生的扩散诱导应力和热应力都会增大,因此,低放电倍率有助于降低电池产生的应力。负极颗粒产生的扩散诱导应力与颗粒中心表面锂浓度差相关,颗粒中心与表面的锂浓度差随着放电过程的进行逐渐增大。将一维模型中的负极视为由无数负极颗粒组成的线段,放电前期,靠近隔膜端的颗粒中心与表面锂浓度差高于集流体端,放电后期则相反,这个变化发生的转折点在放电深度为60%~70%之间。这也意味着放电前期隔膜端的负极颗粒产生的扩散诱导应力大于集流体端的负极颗粒,也更容易破裂,而放电后期则相反。负极颗粒产生的扩散诱导应力大小为兆帕级,远高于电芯产生的大小为千帕级的热应力。同时,电芯产生的热应力和最大位移与电池温差呈线性关系,随着放电倍率的增加而增大。值得注意的是,与圆柱形电池不同,软包电池的极耳与电芯连接处会产生较大的热应力。本研究对比分析了软包NCM111锂离子电池放电过程产生的扩散诱导应力与热应力,为电极和电芯的制造及应力监测提供理论支撑。

PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型,研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明:基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型,模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好;模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式,与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。

金属氢化物反应器吸氢过程的热质传递特性分析

为了研究金属氢化物反应器内吸氢过程的热质传递特性,建立了圆柱形反应器的二维多物理场模型.新建立的模型考虑了换热流体流速与温度变化对反应器吸氢过程的影响,采用COM-SOL Multiphysics V3.5a软件来求解,并探讨了一些重要参数变化对反应器性能的影响.结果表明:接近换热管壁处的氢化物床的温度较低,吸氢反应更快,换热流体入口附近床层的吸氢反应比出口附近的快;减小氢化物床层与换热管壁面之间的接触热阻和增加氢化物床层有效导热系数都可以增强换热效果,从而加快吸氢反应,当接触热阻从0.002m2.K/W减小到0.000 5m2.K/W时,吸氢反应时间大约缩短了15.5%;采用强化换热措施可以减少吸氢反应时间,提高反应器平均功率.

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管(IGBT)器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电–热–机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。

电力电子系统建模关键技术综述及展望

随着电力电子技术应用领域的快速发展,电力电子系统的复杂度进一步增加,给系统高效和可靠运行带来了巨大的挑战。电力电子系统是一种典型的多时间尺度非线性系统,为了充分发挥电力电子系统的优势,国内外学术界和工业界通过对其多时间尺度下的动力学行为进行建模,揭示了不同时间尺度下电磁特性及相互作用机理。该文从器件级、变换器级、系统级3个层级对比不同时间尺度下电力电子系统建模方法,并总结技术演进中面临的新的关键问题及对应的最新研究成果,主要包括高可靠的器件驱动及保护方法、良好的变换器动静态控制方法和电磁干扰抑制策略及电力电子系统的电磁暂态仿真及稳定性分析技术。最后,指出现有研究中仍需解决的问题,并对未来建模关键技术的发展方向进行展望。

油纸绝缘水分迁移特性研究综述

油纸绝缘作为电力变压器的主要绝缘形式,其绝缘性能与水分含量密切相关,准确获得油纸绝缘的水分含量对变压器故障预警至关重要。在油浸式变压器内部电场、温度场等多物理场梯度的驱动下,水分始终处于动态迁移过程中,时空分布复杂,难以直接测量,因此需深入研究水分迁移特性。文中综述了油纸绝缘水分迁移机理、模型及特性研究上取得的成果:水分迁移是不同存在形式的水分子与绝缘油纸微观结构相互作用的过程,受多物理场的影响显著。现有油纸绝缘水分迁移研究多基于Fick定律,利用扩散系数表征水分梯度及温度对水分扩散速度的影响,但未能深入耦合多物理场的作用,不能获得温度梯度下的水分不均匀分布特性。研究获得了材料性质、温度、电场等多因素作用下扩散系数的变化规律及相应水分迁移过程,但将影响因素耦合于扩散系数的方式不能准确描述多物理场对水分迁移的作用,且缺少电场作用下的宏观水分迁移规律研究。根据驱动势平衡原理建立的热湿耦合模型能够描述水分的时空分布,量化电场对水分动态迁移特性的影响。进一步需推进基于水分时空分布无损测量的实验研究,深化多物理场耦合下水分迁移建模,构建多物理场下理论体系,以准确表征油浸式变压器中油纸绝缘水分迁移的时空分布。

板式固体氧化物燃料电池的数值模拟与动态性能分析

为更好地了解单电池内复杂的气相流动结构、质量平衡及能量守恒,运用COMSOL软件建立用于数值模拟的固体氧化物燃料电池仿真模型。通过该模型分析电池阳极和阴极内反应气体的质量和浓度的变化、内部压力分布等情况,从而得到单电池内电流分布与反应气体浓度的动态变化关系,更准确地获得电池内部电流场的分布,为电池结构设计的优化、控制参数的确定提供依据。

数字化光处理立体成型技术中吸附力的影响机制

数字化光处理(digital light processing,DLP)立体成型技术是一类重要的树脂光固化增材制造技术,具有成型速度快、精度高等优点,但其成型区液态树脂薄层的巨大吸附力限制了成型速度的提高.目前研究集中于树脂槽成型窗口和打印工艺的改进,对吸附力机理缺乏了解.本文建立耦合树脂流动、自由基光聚合反应及固化相变的多物理场模型并通过数值求解,研究了成型区树脂液膜在传质、光聚合、固化沉积、氧阻聚等共同作用下的演化过程,发现固-液界面呈现出稳定的非均匀波浪衰减形貌,液膜厚度极小且在边界处波动剧烈,这不同于以往研究中的均匀界面假设.讨论了打印速度、氧气浓度分布、紫外光强等因素对界面形貌以及吸附力的影响.结果表明,提高外界氧浓度、降低光照强度均能有效降低吸附力,但会显著影响成型精度.进一步提出调整紫外光强分布能改善界面形貌的不均匀性,是降低吸附力、提高打印速度的一种有效措施.本文对研究不同类型的树脂光固化增材制造技术具有重要的借鉴意义.

微生物封堵对砂土渗透性能影响的数值模拟

为研究微生物封堵在地下结构防渗补漏中的作用机理,通过建立二维多物理场耦合模型,考虑土层中微生物生长动力反应、营养液传输以及地下水渗流的相互作用,分析2种不同砂土在不同水流速度下的微生物封堵效果.数值模拟结果表明,微生物封堵能有效降低土体的渗透系数,上部土体的渗透系数在5 d和10 d后分别约降低为原来的80%和40%.同时,水流速度越大,土体的封堵效果越差,而且在高水流速度下,不同砂土的封堵效果区别不大.土体的渗透性能同样对封堵效果影响较大,渗透系数越大越难封堵.

GIS异常发热故障分析及仿真研究

针对气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)由环流导致的异常发热故障,通过对实际案例的调查分析,研究了异常发热的机理,借助红外测温仪等工具,确认了故障位置和原因,并提出了相应的解决方案。应用有限元仿真软件构建了“电-磁-热”多物理场耦合模型,并通过模型对GIS异常发热机理及抑制措施进行了深入研究。