高壓穿墻套管安裝在換流閥廳等建筑物墻體或屋頂，為導電桿穿過墻壁起到絕緣和支撐作用，是高壓輸電工程的關鍵設備。隨著電壓等級提高，負荷電流增大，焦耳熱產生的溫升不容忽視，它對套管的安全穩定運行具有重要影響。大負荷和長時間運行工況下，局部過熱會導致設備絕緣性能下降、內部SF6氣體高溫分解，具有腐蝕作用的分解產物造成接觸面劣化，導致接觸電阻進一步增大，形成惡性循環。

這段“21米的穿墻套管是1452公里西電東送大動脈的 “喉管” 之一”（實物圖來自網易新聞，由李品拍攝提供，如有侵權刪除。三維模型圖由Simdroid用戶繪制，與實物非等比例對應。）

因此，工程實踐中高壓穿墻套管整體的溫度分布非常值得關注，而通常人們只能在其表面安裝熱電偶等溫度傳感器進行溫度的觀測，難以獲得套管內部溫度。此時，使用Simdroid對其進行多物理場耦合仿真成為非常有效的解決方案。

在開始設置模型前，我們首先要明確仿真要解決的主要問題是熱量的生成與耗散。熱量生成主要是內部大電流通過時產生的焦耳損耗，并且需考慮工頻電流產生的渦流效應。熱量耗散主要通過固體傳熱和自然對流，在絕緣層、SF6和外殼之間實現傳遞，最終向環境空氣進行對流和輻射散熱。

綜合以上考慮，可在Simdroid中建立電磁-固體傳熱-流體三場耦合模型，電磁場求解麥克斯韋方程以分析獲得熱源，基于傅里葉傳熱方程的固體傳熱和基于包含能量方程的納維-斯托克斯方程的流體模型耦合進行迭代分析，可得到設備整體的溫度分布。 

三場耦合建模界面和技術路線

在Simdroid開展建模的實際界面和技術路線如上圖所示，工程師利用其開放式的耦合仿真架構可采用簡潔高效的耦合機制完成建模，這主要體現在兩個方面：

首先，由于整體溫差不大，電磁仿真中材料物性參數受溫度影響的變化不大，因此電磁場的仿真分析不受溫度場與流場影響，在完成首步頻域分析后即可凍結，不再參與后續耦合迭代過程從而節省了大量計算資源。

其次，Simdroid解決了異構網格數據傳遞的問題，允許不同物理場采取不同的網格剖分方式和算法，如該模型中電磁和固體傳熱使用有限元算法和對應的四面體網格，而流體計算在非結構化網格上利用有限體積法來求解流動方程，既提高了耦合求解器處理復雜形狀流動問題的能力,又能保持離散方程的局部守恒特性,而后者對非線性偏微分方程數值求解的收斂過程有極為重要的作用。

通過Simdroid時諧電磁場仿真獲得穿墻套管的發熱功率分布

通過流體-固體傳熱耦合仿真得到流體和固體穩態溫度分布，并在固體溫度分布中顯示最高溫度點位

利用Simdroid可視化功能豐富、渲染性能強大的后處理器，可對各物理場結果進行查看。結合電磁場結果，工程師可以了解焦耳發熱量的分布，以便在設備設計中更好地考慮散熱性能；結合溫度場結果，工程師結合溫度傳感器監測數據，可在穿墻套管運行中外殼溫度發生變化時迅速開展參數掃描以推算內部載荷或材料參數當前可能正在發生的變化，以便開展動態的狀態評估或故障診斷，為制定和優化運維策略提供依據。

Simdroid 是由北京云道智造科技有限公司開發的基于“仿真平臺+仿真APP”模式的通用多物理場仿真平臺。該平臺具備自主可控的結構、電磁、流體和熱四大物理場求解器和多物理場仿真內核，在統一友好的環境中為仿真工作者提供了前處理、求解分析和后處理工具，同時其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化開發的方式便捷封裝全參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP，實現知識變現。仿真APP通過APP商店Simapps 實現在線展示、交易，用戶通過云端快速、便捷、低成本使用各類工業APP，真正實現普惠仿真的愿景。Simdroid 已經在電力、家電、生物醫療、電子信息、航空航天等行業領域得到了廣泛的工程化應用。申請試用：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid