大功率電氣設(shè)備的一個(gè)主要問題是熱管理。借助 COMSOL Multiphysics 仿真軟件，我們與
BLOCK Transformoren- Elektronik
公司共同開發(fā)了一個(gè)包含了所有重要細(xì)節(jié)的模型，用于模擬大功率電氣設(shè)備傳熱。為了運(yùn)行此仿真模型，我們不得不利用包含
混合建模
的高性能計(jì)算。這篇文章，我們將討論如何使用 COMSOL 軟件來完成這個(gè)真實(shí)的建模任務(wù)。
熱管理仿真:測試裝置
我們的測試裝置包括一個(gè)周圍纏繞著銅線圈的疊片鐵芯，一些用于保持穩(wěn)定性的塑料和鋁部件。在距離鐵芯 1m 遠(yuǎn)的地方放置了一個(gè)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)風(fēng)扇。我們必須計(jì)算發(fā)生的電磁損耗以及設(shè)備周圍的湍流非等溫流體流動。我們?yōu)殍F芯特意設(shè)計(jì)了一個(gè)氣隙，用于分析它對線圈和鋁部件內(nèi)部電流的影響。
測試模型示意圖。
首要工作
工程師，特別是那些有項(xiàng)目期限的工程師一直在尋找計(jì)算（和建模）的工作量和準(zhǔn)確性之間的合理平衡。因此，最好在仿真開始時(shí)就考慮對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕驗(yàn)檫@類模型在幾何結(jié)構(gòu)上的長寬比對計(jì)算相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。
風(fēng)扇和設(shè)備之間的距離大約是 1m，而銅線圈之間的內(nèi)部間隙大約是 0.1mm，故長寬比為 10000。為了使計(jì)算時(shí)間盡可能短，我們選擇了開發(fā)子模型的方法我們開發(fā)的第一個(gè)模型對變壓器幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，用來計(jì)算設(shè)備周圍的大尺度流場。由于模型具有對稱性，我們只開發(fā)了模型的一半幾何結(jié)構(gòu)。我們將該模型的模擬結(jié)果導(dǎo)出后，作為下一個(gè)計(jì)算步驟的入口條件。
速度場的流線圖。速度場被用作詳細(xì)模型（在切片圖的位置）的入口邊界條件。
詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)
電氣設(shè)備的詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)是在 SolidWorks? 軟件中建立的，并通過
CAD 導(dǎo)入模塊
導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics? 中。我們僅使用了詳細(xì)子模型的一小部分（約 400mm×900mm）來計(jì)算非等溫流。電磁部分需要求解的域更小（200mm×200mm）。
模擬疊片鐵芯
采用疊片鐵芯是為了減少渦流。我們將使用與
TU Dresden 大學(xué)和 ABB 公司相同的方法
來定義這個(gè)模型。我們將材料均質(zhì)化，并定義了一個(gè)正交各向異性的電導(dǎo)率，這樣我們就可以在建模時(shí)保證鐵芯為一個(gè)單一的整體域，并且使用較粗的網(wǎng)格，從而避免了建立每層薄鐵芯疊片的幾何結(jié)構(gòu)表征疊層。
電磁損耗
由于施加了 500Hz 的交流電，因此我們必須計(jì)算線圈中的電感效應(yīng)（集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)）。此外，鋁板和鐵芯中的渦流會使設(shè)備發(fā)熱。
鋁板中渦流的表面圖。鐵芯中的氣隙用紅色突出顯示。大多數(shù)感應(yīng)電流是在這個(gè)間隙附近產(chǎn)生的。
銅線圈電流密度的切片圖。鐵芯中的氣隙用紅色突出顯示。
由于磁滯現(xiàn)象，也存在一些磁化損耗。與渦流損耗相比，磁化損耗相當(dāng)小，而且沒有被明確求解。下表顯示了磁化損耗與磁通密度的函數(shù) Qmag = f(B)。我們可以使用一個(gè)插值函數(shù)求解表征磁滯損耗，而不是在瞬態(tài)研究中計(jì)算磁滯。
速度場和溫度分布
該設(shè)備線圈背面的最高溫度達(dá)到了 125°C。
速度場的流線圖和溫度分布的表面圖。
速度場的另一種視圖。
多物理場高性能計(jì)算的最佳選擇
今天，我們的任務(wù)是找到變壓器熱設(shè)計(jì)的最佳求解方案。在 BLOCK Transformatoren 公司的案例中，他們比較了幾種仿真軟件的處理方法和結(jié)果，最后一致認(rèn)為 COMSOL Multiphysics 是最適合的。
最后，這個(gè)模型涉及同時(shí)求解最多 800 萬個(gè)自由度，使用了直接和迭代求解器的強(qiáng)大組合。內(nèi)存的使用最高達(dá)到 89GB。
為了能夠求解高度復(fù)雜的模型，他們選擇了具有基準(zhǔn)集群的 Ready-to-Go+(RTG+) 軟件包，以獲得最佳性能。有了 BLOCK 公司為高級仿真準(zhǔn)備的所有設(shè)置，我們可以期待他們的產(chǎn)品在未來達(dá)到更高的性能極限。
