基于电磁场—流场—温度场耦合分析的电缆支架温升计算及实验验证

随着大长度大截面的电力电缆在隧道的普及,电缆支架因涡流损耗造成的线损、以及发热产生温升形变等问题也日益严重。文中采用有限元数值计算方法,以110 kV单相电缆及其钢支架为研究对象,进行了电磁场—流场—温度场耦合计算。将电磁场计算得到的涡流损耗作为温度场计算的热源载荷,同时考虑空气自然对流的散热方式,从而计算出电缆支架的温度分布。最后进行电缆支架温升实验,将仿真得到数据和实验数据进行对比,验证电缆支架温升计算的准确性和有效性。

屏蔽套材料对屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场的影响研究

针对单向耦合法分析屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场时计算精度低的问题,提出了一种磁热双向耦合法。首先,建立了磁热耦合计算模型。其次,采用双向耦合法分析了屏蔽套材料对电机性能的影响,并与单向耦合计算结果进行了比较。最后,建立了电机三维模型,利用有限元软件进行了电磁场和三维温度场分析。研究结果表明所提的磁热双向耦合计算方法可以有效提高电磁场和温度场的计算精度,此外屏蔽套采用不导电不导磁材料可有效提高屏蔽式永磁同步电机效率,降低电机温升。这不仅为屏蔽式永磁同步电机的设计提供了参考,同时对于保证电机高效和可靠运行具有重要意义。

真空泵用屏蔽式永磁同步电机电磁场-温度场互相迭代计算方法

真空泵用屏蔽式永磁同步电机发热严重,因此在设计阶段准确预测其温度对于真空泵系统的安全稳定运行具有重要意义。针对当前电机电磁场-温度场双向耦合计算方法只能考虑温度对电机材料物理性质参数的影响,提出了一种电机电磁场-温度场互相迭代计算方法。该方法不仅能够考虑温度对电机损耗和永磁体磁性能的影响,还能够考虑温度对电机部件材料导热能力和散热能力的影响,使电机电磁场和温度场预测更加符合实际情况。以一台1.5 kW屏蔽式永磁同步电机作为研究对象,基于提出的方法对电机的电磁性能和温度特性进行分析,并将分析结果与电磁热双向耦合计算结果进行了对比。此外还利用提出的互相迭代法分析了环境温度对电机温升的影响。该研究不仅可以为屏蔽式永磁同步电机优化设计提供理论依据,还可以为其运行安全性和可靠性提供参考。

核电磁脉冲中非电离辐射作用于人体的电磁场和温度场仿真

采用国际电工委员会制定的双指数脉冲波形模拟核电磁脉冲,分析脉冲波形主要谐波分量的幅值、频谱及相位。在多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立偶极子天线模型及人体三维模型,通过电磁场与热场耦合模块,求解人体组织中感应电场强度、磁场强度、比吸收率(Specificabsorptionratio,SAR)和温度场分布。将结果与国际非电离辐射防护委员会(International commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定的《限制电磁场暴露导则》进行比较。结果表明:人体距离暴露源1 km时,感应电场强度、磁场强度、局部最大SAR值和平均SAR值分别为88.8 V/m、0.58 A/m、0.66 W/kg、0.011W/kg。感应电场强度和磁场强度超过了ICNIRP规定限制59.8V/m和0.22A/m。但在10km处,电场、磁场、局部最大SAR值和平均SAR值都满足安全限制。人体组织中温度升高主要集中在大脑处,暴露时间为6min时,温升为0.2171℃,符合ICNIRP规定的局部温升2℃和核心温升1℃限值的要求。本研究结果为核电磁脉冲环境中人体遭受电磁暴露的健康风险安全评估提供了一定的科学依据。

电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场、流场和温度场的数值模拟

建立了铝合金半固态浆料电磁搅拌过程宏观传输物理量耦合的数学模型,采用有限元和有限差分相结合的方法实现电磁搅拌条件下电磁场、流场和温度场的耦合模拟分析,研究电磁搅拌工艺参数对流场和温度场的影响规律,并进行实验验证。结果表明:水平旋转的电磁力场在铝合金熔体内均匀分布,其方向与交变电磁场的旋转方向一致,大小则因集肤效应从边部到中心递减;熔体内速度场分布与电磁力相似,但随着搅拌时间的延长,熔体温度降低,速度不断降低;电磁搅拌条件下熔体凝固速度加快,熔体心部和边部的温度梯度变小;搅拌电流强度和频率对电磁场、速度场和温度场分布的影响非常明显。

GIS母线损耗发热的电磁场-流场-温度场计算及影响因素分析

深入研究分析气体绝缘组合电器(GIS)母线的损耗发热计算问题,以单相GIS母线为例,建立了基于电磁场—流场—温度场综合计算的损耗发热有限元求解模型,并进行了计算分析。在探讨集肤效应、电导率温度效应、对流与辐射散热以及重力等因素对损耗发热计算结果影响的基础上,计算分析了该类母线的损耗和温度分布规律,并与测试数据进行了比较。结果表明,在GIS母线损耗发热计算中,只有综合考虑上述因素影响,才能进行准确合理的求解。

φ210mm圆坯结晶器电磁场-流场-温度场耦合数值模拟研究

以某厂φ210 mm圆坯结晶器电磁搅拌为研究对象,采用ANSYS有限元软件,建立了结晶器电磁搅拌电磁场-流场-温度场耦合数学模型,并进行求解。研究了磁场强度和电磁力在结晶器内钢液中的分布规律、电流强度和电源频率对磁场强度、电磁力以及结晶器内流场和温度场的影响规律。研究表明:结晶器内的磁感应强度和电磁力分布都呈边缘大、中间小的趋势;在电磁搅拌作用下,结晶器内钢液产生了旋转运动,形成了上回流、旋转区和下回流区,热区位置得到了提高;在所研究的搅拌参数范围内,随着电流强度和频率的增大,电磁力增大,钢液的流动速度也随之增大;根据工业试验结果,180A,4Hz的搅拌工艺参数应用效果较好。

HPMO作用下铸锭内部电磁场、流场和温度场的数值模拟

建立了冒口脉冲磁致振荡(HPMO)作用下18 t铸锭凝固过程的数学模型,运用商业软件ANSYS对铸锭凝固过程的电磁场、流场和温度场的分布进行了数值模拟。研究结果表明,HPMO在铸锭内部产生的电磁效应主要集中在铸锭冒口区域,并随时间和空间不断变化,该结果为HPMO在大铸锭工业生产中的应用提供了重要的参考依据。

电磁搅拌对特大方坯结晶器内流场及温度场影响

以某厂断面为410 mm×530 mm的特大方坯结晶器为原型,利用ANSYS有限元软件建立三维数值模型,研究电磁搅拌对结晶器流场及温度场的影响.施加电磁搅拌后,钢液受到径向电磁力,液面呈现旋转流动趋势.结晶器内钢液最大切向速度随着电流的增加而增大,随着频率的增加而减小.电磁搅拌的电流大小由0增加到500 A时,液面波动由1.21 mm增加到4.35 mm.电磁搅拌能够使钢水的高温区局限于连铸结晶器上部,钢水温度更加均匀.同时钢液的水平旋流能够抑制初生坯壳的生长,降低坯壳的生长速度,使结晶器出口处坯壳厚度变薄.综合分析,该厂在实际生产时合理的电磁搅拌的电流大小应为400 A,频率为1.5 Hz,此时钢渣液面波动约为2.73 mm,温度场较为均匀.

PMO作用下连铸二冷区电磁场-流场-温度场的数值模拟

建立了在圆坯二冷区脉冲磁致振荡条件下电磁场-流场-温度场耦合数学模型.利用ANSYS有限元软件,研究了在脉冲磁致振荡凝固细晶(pulse magneto oscillation,PMO)作用下铸坯内部磁感应强度、电磁力以及焦耳热的分布,并且通过耦合电磁力与焦耳热得到了相应流场及温度场的变化规律.研究表明,当铸坯中施加脉冲磁致振荡作用时在电磁力的驱动下,铸坯内部靠近线圈位置将形成上下2个回流区,这种形式的流动能够降低铸坯的中心温度,使得铸坯内部的温度场分布更均匀,有助于晶粒细化.

三相GIS母线损耗发热的电磁场-流场-温度场计算分析

为深入研究三相气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,简称GIS）母线筒的损耗发热问题,运用有限元方法,建立了该类母线损耗发热的电磁场-流场-温度场综合求解模型,在综合考虑集肤效应、涡流损耗、气体流动、以及重力等多种因素影响的基础上,计算分析了该类母线的热源和温度分布规律。结果表明：GIS母线电流和损耗的分布都体现出集肤效应。对于水平放置的三相GIS母线,当三相电流对称时,上方母线导体温度高于下方母线导体,金属外壳的最高温度出现在离上方导体较近的上部壳体,且上方导体附近的气体等温线分布也呈现较为明显的S状弯曲,而位于下方导体周围的气体,其等温线扭曲程度相对较小。当电流对称性遭到破坏,则损耗和温度分布的对称性不复存在。

高速磁场调制式磁齿轮流场及温度场分析

高速磁场调制式磁齿轮工作时,永磁体和调磁块中会产生较大的涡流损耗和风摩擦损耗。为了研究高速磁齿轮小间隙内的流场和温度场,以一台内转子转速为16500 r/min,外转子转速为-3000 r/min的磁齿轮为研究对象,针对磁齿轮小间隙,考虑自然对流换热和强迫风冷换热两种情况,采用计算流体动力学(CFD)方法进行了流场及温度场计算。结果表明,仅仅依靠自然对流换热,永磁体会因温度过高而失磁;引入强迫风冷后,永磁体温度能控制在402.98 K(129.83℃)以内;并给出了轴向风速为15~30 m/s时沿轴向分布的对流换热系数曲线。研究结果为磁场调制式磁齿轮的热设计提供了参考依据。

基于有限元的单-双枪喷煤直吹管流场及温度场仿真分析

为提高煤粉燃烧率及延长直吹管使用寿命,对单-双枪喷煤直吹管流场及温度场进行仿真分析。采用理论分析和三维模拟分析的方法,建立单-双枪喷煤直吹管三维模型,运用Workbench平台Fluent模块分别对热风管道及喷吹管道流动情况进行仿真,并对结果进行分析。对比不同喷煤枪内衬对直吹管温度场变化的影响,将Fluent模块模拟结果导入Thermal模块进行流场-温度场耦合计算。研究结果表明:处于热风中的喷煤枪部分承受较大压力,特别是煤枪与直吹管内衬相交部分存在压力集中;沿着喷煤轴线方向,煤枪外枪壳中后段温度逐渐升高,喷煤枪温度最大发生在喷枪管体与吹管管体交汇处;更换陶瓷内衬钢管后,喷煤枪外侧最高温度下降了102.29℃。该结果可为直吹管实际运行和结构设计提供重要参考。

层间强制冷却对电弧熔丝增材制造钛合金温度场和流场的影响

电弧熔丝增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)工艺具有设备成本低、制造效率高等优势,广泛应用于航空航天、舰船、武器装备等制造领域,但沉积过程中的热积累容易导致结构成形效率、成形精度及成形质量下降。而层间强制冷却可以有效控制材料的沉积形貌和性能。采用数值模拟方法研究了不同冷却条件下电弧熔丝增材制造钛合金的熔池温度场和流场,分析了层间强制冷却对增材钛合金熔池的影响。结果表明,层间强制冷却可以有效降低熔池的预热温度,缓解材料沉积过程中的热量积累,降低熔池流体流动速度,从而限制流体的流动范围,影响熔池尺寸成形。

1.5MW永磁风力发电机电磁场与温度场计算与分析

针对大型永磁风力发电机设计及运行安全性问题,以1.5MW永磁半直驱式同步风力发电机为研究对象,设计三种极槽比不同的发电机方案,建立风力发电机电磁场二维有限元计算模型,并确定出每种方案的绕组设计参数。研究永磁半直驱式同步风力发电机负载工况下的电磁场分布;计算气隙内谐波含量的大小;同时,根据传热学理论,建立温度场二维有限元计算模型,给出了转子旋转时气隙内空气的有效导热系数及三种结构方案发电机温度分布计算结果。最后,对相同类型结构的小型永磁同步风力发电机的实测数据与理论计算结果进行比较以验证计算方法的正确性。通过以上的研究工作可以使相应的研究更加深入,通过提高电机内温度场的计算精确度可以有效地降低大型风力发电机故障率,为大容量永磁半直驱风力发电机的设计提供一些有意义的参考。

八机八流中间包流场温度场模拟研究及优化

以八机八流中间包为研究对象,利用Fluent软件对不同内部结构的中间包流场、温度场进行数值模拟。结果表明原型中间包存在钢液出口速度不稳定,温度差值大等问题。通过在中间包内部设置挡坝、挡墙+导流孔等措施可以使中间包生产状态得到改善,钢液运动轨迹线有序合理,各流出口钢液速度曲线平缓。同时,钢液温差降低,温度场较为均匀。最佳方案下中间包第1流出口与第4流出口温差降低至2.48 K,与流入口温差降低至7.1 K,达到了提升后续生产质量与生产效率的优化效果,为八机八流中间包内部结构的优化研究提供理论指导。

大型水轮发电机电磁场模型及其对温度场的影响

为了准确分析大型水轮发电机的损耗和发热问题,分别建立了2维稳态电磁场、运动电磁场和场路耦合的有限元模型,并以1台36MW贯流式水轮发电机为例,对转子铁芯损耗和阻尼绕组损耗进行了计算。在此基础上,结合3维温度场有限元计算,分析了3种不同电磁场模型对转子热源和温度计算结果的影响,并与试验数据进行了对比。结果表明,场路耦合模型计算精度更高,额定工况时每根阻尼条的损耗不等,背风面阻尼条的发热明显大于迎风面的阻尼条,转子最高温度位于阻尼绕组而非励磁绕组。研究结果对提高大型水轮发电机转子损耗和温度场的计算精度以及设计、运行的可靠性具有参考价值。

镍钛形状记忆合金线材无模拉拔成形过程的电磁场和温度场模拟

无模拉拔成形过程的电磁场和温度场数值模拟对于正确制定加工工艺, 精确控制线材质量十分重要.利用ANSYS有限元软件, 对镍钛形状记忆合金线材无模拉拔成形过程的电磁场和温度场进行了数值模拟, 获得了镍钛形状记忆合金线材无模拉拔成形时的电磁场和温度场信息, 并进行了讨论.提出了较合理的镍钛形状记忆合金线材无模拉拔成形工艺参数范围: 电流频率59～61 kHz、电流密度(2.95～3.05)×107 A·m-2、冷却水与感应加热线圈之间的距离19～22 mm、冷却水流量22～26 ml·s-1.

离网型永磁同步发电机电磁场和温度场数值计算与分析

以一台400W离网式永磁同步风力发电机为例,建立了发电机电磁场二维计算模型,采用场路耦合的方法,计算了样机在不同转速、不同负载情况下的电磁参数。在原样机结构基础上,提出了2种不同的转子结构方案。对空载漏磁系数、反电动势波形以及气隙磁密的谐波含量进行比较,分析了不同转子结构对电机电磁性能的影响。基于传热学理论,以电磁分析得到的损耗为分布式热源,建立了电机二维全域温度场计算模型。通过对不同风速、不同负载下温度场的计算与分析,得到了风速与负载对电机温度分布的关系。通过对电磁与热性能试验研究,所得到的试验值与计算值比较接近,得出了一些有益的结论,为离网式永磁同步发电机的设计及优化提供参考。