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。

潜液式低温永磁同步电机的设计与特性研究

潜液式低温永磁同步电机是液化天然气(LNG)泵的关键核心驱动部件,其工作性能至关重要。针对电机在LNG(161℃)低温环境下的运行特点,考虑降低LNG的气化量、提高机械应力等方面性能,提出一种适用于LNG泵用低温永磁同步电机的设计方法、理论分析低温对材料特性及电磁参数的影响,建立“电磁-流体-热-应力”多物理耦合的有限元仿真模型,最后设计一台11kW,6 000r/min的LNG泵用潜液式低温永磁同步电机样机。出于安全考虑,在196℃液氮环境下搭建样机测试台并进行试验研究,验证了理论分析的正确性。

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。

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.

考虑抱紧力退化和不同对接角度下的GIL触头温升特性

气体绝缘输电线路(GIL)因高运行可靠性而得到广泛使用,但随着运行年限增长和载荷循环变化,其触头不可避免会出现接触劣化,进而引起过热故障。温升作为表征热故障演变的关键参量,论文由此出发,建立了GIL触头三维结构力学–温度–电磁场耦合模型,计算正常工况下触头的电流密度、接触电阻、接触压力和温度场分布;研究抱紧力退化时弹簧变化量与边界载荷、接触电阻、接触压力和最高温度的变化关系;基于不同对接角度下触头的温升特性和温度场分布,探索各触指的接触状态以及接触面电流密度、接触压力和接触收缩电导的分布规律。仿真实验及其分析表明:边界载荷和接触压力均与弹簧变化量成正比,而最高温度和接触收缩电阻的趋势均与前者相反;当对接角度大于1.5°时,触头可能存在接触失效且接触不良时的触指温升较大,而对接角度小于1°时各触指温升较小。

扩散应力诱导的锂离子电池失效机理研究进展

在锂离子电池的充放电过程中,由锂离子扩散过程产生的浓度梯度和活性材料锂化膨胀产生的变形会导致扩散应力。过大的扩散应力会造成活性颗粒的破裂、活性颗粒之间的分离、活性层的断裂以及活性层与集流体的分层等多种力学失效形式,并最终导致电池出现容量衰减、阻抗上升和寿命缩短等一系列失效现象。因此扩散应力及其诱导的锂离子电池失效机理已经成为锂离子电池研究领域的热点之一,具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文尝试从活性颗粒、活性电极、半电池、电池单元和电池单体等不同尺度,综述近年来与扩散应力诱导的锂离子电池失效机理相关的研究进展,介绍各尺度下扩散应力的产生机制和研究手段,分析扩散应力对电池力学和电化学性能的影响规律,梳理和总结扩散应力的影响因素,最后对该领域今后的研究方向与发展趋势进行了展望。

车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真和试验研究

研究了全负荷工况下8极48槽车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真建模方法,并通过消声室台架试验验证了研究方法的有效性。首先,建立考虑材料各向异性特性的定子铁芯和系统模型,分析各向异性材料参数灵敏度,并利用激振器模态敲击试验验证仿真模型;其次,针对永磁同步电机和电驱动桥二合一系统,建立电磁-结构-声学多物理场耦合模型,基于三维分布式电磁力激励,仿真再现了全负荷加速工况下电机电磁辐射噪声,并分析电磁噪声特征;最后,利用消声室台架试验结果,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,重点阐明2000 r/min附近48阶噪声峰值点产生机理,研究成果可进一步用于车用永磁同步电机设计开发和电磁振动噪声产生机理研究。

330 kV SF6/N2混合气体介质绝缘母线的紧凑化设计

为实现气体绝缘变电站(gas insulated substation, GIS)母线小型化、紧凑化和环保化,开展了混合气体介质条件下330kV GIS母线紧凑化设计研究。首先根据小型化原则确定母线结构为三相共箱式,利用已有的SF6/N2混合气体研究结合工程应用试点经验,确定了SF6/N2混合气体的混合比,并提出了SF6/N2混合气体的绝缘击穿判据。在此基础上建立了考虑通流损耗、气体流动及重力等多物理场耦合的绝缘裕度计算模型。为了精确的求解,考虑了混合气体的协同效应对材料物性参数的影响,采用Aspen软件计算了混合气体物性参数并拟合出其随温度变化的规律。为得到最优紧凑化母线结构,定义了紧凑化系数,采用参数化设计的方法得到绝缘裕度随紧凑化系数的变化规律。研究结果表明,提出的紧凑化原则能有效指导共箱式母线尺寸设计,设计得到的SF6/N2混合气体介质条件下330kV三相共箱GIS母线在正常运行状态下的绝缘水平满足要求。最紧凑化尺寸下可将母线体积减小37%,SF6气体用量减少80%。

多物理场耦合数值模拟在电子束冷床熔炼中的应用研究

掌握以电子束冷床熔炼为核心的高端钛材"低成本、短流程"制备技术是我国钛产业进一步发展的核心问题。为揭示电子束冷床熔炼过程中的复杂物理现象,建立产品质量调控机制,可实现高温熔炼过程"可视化"的多物理耦合数值模拟技术受到了广泛关注。综述了电子束冷床熔炼过程数值模型的发展现状,讨论了现有数值模型对了解熔炼过程中物理现象及传递现象的理论支持,提出了多物理耦合数值模拟技术的进一步发展态势。

电动汽车IPMSM宽范围调速振动噪声源分析

为找到主要振动噪声源,为低振动噪声电动汽车内置式永磁同步电机（interior permanent magnet synchronous machine,IPMSM）的设计提供理论支持,该文建立多物理场永磁同步电机振动噪声分析模型,提出一种新的永磁同步电机振动噪声源分析方法。利用此方法首先理论分析PMSM电磁力波特征参数（力波阶数r,力波频率fr,力波幅值/reak r fP-）和各阶力波的谐波来源,建立一台IPMSM多物理场耦合振动分析有限元模型,计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性,最后理论分析样机的主要振动噪声源。结果表明：该文样机的主要电磁振动噪声源是一阶齿谐波引起的0阶力波的12f频谱分量。最后通过实验验证了理论和有限元仿真结果。

逆变器供电对永磁同步电机振动和噪声的影响

为了分析逆变器供电对永磁同步电机(PMSM)电磁振动噪声的影响,建立了一台PMSM多物理场耦合振动分析有限元模型。首先,利用ANSYS建立电机2D电磁模型,通过有限元法分别计算了逆变器和正弦电流供电情况下4 000 r/min电机的磁通密度;然后,应用节点力传递法将电磁力耦合到定子齿上进行谐响应分析,计算电机振动噪声,分析逆变器和正弦电流供电下PMSM电磁振动和噪声频谱特性。

臭氧催化氧化反应器模拟与分析

臭氧催化氧化法是一种高效的污水处理技术,是目前污水高级处理的主要手段之一。传统的建模方法无法研究反应器内污水浓度的时空分布和操作条件对反应器的影响,本研究利用计算流体力学(CFD),耦合多孔介质流动与传质和化学反应动力学多物理场模型,研究臭氧催化氧化过程中目标污染物浓度随时间和空间的分布情况,计算结果与实验结果有良好的一致性。进一步研究臭氧浓度和流量、循环水流量、催化剂层高度、催化剂颗粒大小等对臭氧催化氧化处理废水效率的影响,评估出最优的实验方案。结果表明,在不改变当前反应器主体结构的情况下,最优的操作条件是:臭氧浓度30~40mg/L,臭氧进口流量40~60mL/min,循环水量200~250mL/min,催化剂层填充高度600~800mm,催化剂颗粒半径大小为2mm。该研究有助于理解、设计和优化污水处理反应器。

U型通风间歇注入CO_(2)控制煤自燃和CH_(4)爆炸风险研究

煤自燃与CH_(4)爆炸的复合危险性对煤矿安全生产构成严重威胁,而CO_(2)的绿色资源化利用则有助于实现碳中和,因此CO_(2)逐渐成为预测煤自燃与CH_(4)爆炸复合风险的新型手段。榆树坡煤矿针对5107工作面地质条件,建立多物理场耦合模型,对U型通风系统采空区煤自燃和CH_(4)爆炸进行数值模拟。利用采空区实测数据验证了模型的准确性。结果表明,采空区注入CO_(2)后,复合危险区域体积明显减小。对比了间歇注CO_(2)与连续注CO_(2)的效果,基于注入成本,认为间歇注CO_(2)是控制煤自燃和CH_(4)爆炸风险的优选方法。

小型闭环无绝缘高温超导线圈失超特性研究

在持续电流模式下工作的闭环高温超导线圈可以消除电流引线引起的巨大漏热,无绝缘绕制技术的应用进一步提高了其热稳定性和失超自保护能力。当闭环无绝缘线圈发生局部热失超时,由于没有外加电源的持续供电,损失的磁能不会被及时补偿。本文建立了电-磁-热耦合模型研究闭环无绝缘线圈发生局部热点失超过程中的电磁暂态行为,系统地揭示了其热失超机制,并提出了衡量闭环线圈宏观失超特性的最终剩余磁场保有率这一概念。基于仿真结果,发现较小的匝间电阻率有助于线圈最大限度地保存磁能,以及在匝间电阻率极小时会出现饱和效应,但最高温升几乎不受匝间电阻率的影响。此外,发现线圈最高温升与热失超能量呈线性关系,而磁能损失随热失超能量的增加而增大,直至线圈中存储的磁能被完全消耗。

丁集煤业深部煤层瓦斯赋存规律模拟与验证

为了研究丁集煤业深部煤层瓦斯赋存的真实状态,揭示丁集煤业深部煤层瓦斯赋存规律,基于多物理场耦合模型,通过数值模拟软件研究了淮南煤田丁集煤业深部煤层瓦斯赋存特点,研究得出瓦斯压力、瓦斯含量及煤层的渗透率随深度增加呈非线性分布,煤体变形量、煤体温度对原煤瓦斯含量、渗透率分布具有不同程度的影响。