熱場仿真的案例
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合” 高級設計仿真培訓
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設計仿真培訓
一、課程背景：
永磁驅動電機是新能源汽車行駛中的主要執行結構，驅動電機及其控制系統是新能源汽車的核心部件之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因為永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們知道電機內存在多種不同類型的多場耦合系統，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，這是新的電機研究方向。對現下電機設計工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計算加經驗修正已經滿足不了當下的競爭需求，電機工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析驅動電機，得到其電磁場、熱場、振動等結果。為此宏新環宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設計仿真培訓。
展開 軸流式血泵熱流耦合 溫度場仿真
2.血泵熱流耦合溫度場仿真
血泵各部分與血液的接觸面存在對流換熱，考慮到兩者的耦合關系，流體仿真時需要把固體以及固體熱源加入到流體仿真軟件中，從而將血液與血泵的對流換熱數值加載到固體溫度場仿真的邊界條件中，實現血泵三維溫度場的仿真求解分析。
血泵三維整體模型分為兩個部分，一個是驅動電機部分：包括定子鐵芯、定子繞組、永磁轉子以及定子外殼；另一個是血液流動區域：包括前后導輪及其導葉、旋轉葉輪、軸承以及泵殼。血泵結構如圖1所示。
圖1 軸流血泵整體結構
利用商用流體仿真軟件進行相關邊界條件的設定，主要包括材料屬性、湍流模型、進出口邊界條件、轉速以及對流換熱系數等，其中血泵各部分的材料特性參數如表1所示。各部分熱源的生熱率通過商用熱仿真軟件計算，并與流體仿真模塊進行耦合。
展開 【3月22-25日 長沙】Workbench+Maxwell電磁場、磁熱、振動噪聲 多場耦合仿真
長期的實踐證明：通過借用仿真軟件能大幅降低原型機測試和生產成本；ANSYS Maxwell是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足機電產品工程師的仿真設計需求，提升高品質產品設計能力。Maxwell已集成到ANSYS先進的仿真平臺Workbench中，Workbench獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析產品，可以在產品設計階段就能減少產品問題。
ANSYS多物理場解決方案能幫助工程師單獨和綜合分析多種物理力的效果，從而根據需要得到最高保真度的解。ANSYS能夠提供博大精深、經過實踐驗證的求解器技術。將上述求解器技術應用于多物理場仿真，是許多工程師下一步工作的選擇。為此，特舉辦“ANSYS Workbench+Maxwell電磁場、磁熱、振動噪聲多場耦合仿真”培訓。 詳情請參見第四部分“內容大綱”。
時間地點
時間：2019年3月22日-3月25日（第一天報到，授課3天）
地點：湖南*長沙
主講專家
該課程講師，具有12年電磁工程仿真分析經驗，具備電磁熱等多物理場耦合仿真分析能力，一直對外提供技術咨詢服務，扎實的電磁和數值計算理論基礎；熟練掌握ANSYS EM、Workbench、Matlab等軟件，有變壓器電磁和磁熱仿真、電機電磁、磁熱和電磁振動噪聲仿真、耦合器電磁仿真、電磁銜鐵機構電磁仿真等項目經驗。培訓40多場次，學員上千人。
內容大綱
報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
展開 ThermNet
ThermNet是精確熱場仿真軟件。對給定熱源的2維和3維模型進行溫度分布仿真分析，并可以與MagNet聯合求解熱場與電磁場的耦合問題。
ThermNet是精確熱場仿真軟件。對給定熱源的2維和3維模型進行溫度分布仿真分析，并可以與MagNet聯合求解熱場與電磁場的耦合問題。
仿真功能包括：
*2D/3D靜態熱場的仿真分析----- 分析由于傳導，對流和輻射產生的靜態熱場。
*2D/3D瞬態熱場的仿真分析-----分析由于傳導，對流和輻射產生的瞬態熱場。
*2D/3D電磁場與熱場的耦合仿真分析----- 以上兩種仿真分析可以與Infolytica的專業電磁場仿真分析軟件MagNet的靜磁場和時間諧振仿真進行耦合分析（單向耦合或雙向耦合）。
ThermNet 的功能特點：
*所有的材料屬性都與溫度屬性有關。
*對耦合仿真的Enable 和 Disable選擇：可以定義模型中的某個部件只進行一種仿真運算（例如，只進行熱場計算），而不進行耦合運算中的另一個仿真（電磁仿真）。
*自動化網格剖分，用戶定義的網格剖分；自適應網格功能可以確定模型網格需要改善和細分的地方。
*強大的參數化功能：用戶可以在一個模型中，進行不同工況的仿真分析。
*強大且方便的腳本編程功能：用戶可以自動處理重復性工作，并且將ThermNet作為平臺，進行二次開發，來完成更高層次研究開發。可以將ThermNet與其他軟件特有的功能聯合分析，例如后處理或與第三方的仿真軟件結合使用。
*在線客戶支持中心提供大量實例，學習資料，并不斷更新和加入最新開發的內容。
展開 
鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
這是由于熱導致的界面應力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會過熱，這又加速了電阻層的分離。最后，在 最糟糕的情況下，電路可能會過熱并燒壞。從這一角度而言，研究由于溫差以及電阻 層和基板的不同熱膨脹系數引起的界面張力也很重要。電阻層的幾何形狀是設計電路 正常工作的關鍵參數。可以通過模擬電路來研究上述所有方面。
本案例基于一加熱電路模型，它由沉積在玻璃板上的電阻層組成，向電路施加電壓時，該電阻層產生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產生的熱量。模擬了加熱電路的焦耳熱分布以及熱膨脹變形，模擬結果如圖所示：
焦耳熱分布云圖
電熱板熱膨脹變形
感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流
展開 壓力容器內的熱-流多物理場耦合數值仿真 ￥1000
<p>本案例建立了一壓力容器，考慮了兩種計算工況：（1）全開A口，關閉B口，關閉C口；（2）全開A口和B口，開放C口，容器內的速度場、溫度場和壓力場的動態變化分布。仿真結果展示如下所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/342d08917781496b810f4fcd22fe8364.png" alt="m1.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>幾何模型</strong></p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4f1eace9fa1d4d2fbe7753f109b4d5a9.gif" title="Untitled1-速度.gif" alt="Untitled1-速度.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4f1eace9fa1d4d2fbe7753f109b4d5a9.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4f1eace9fa1d4d2fbe7753f109b4d5a9.gif?
展開 簡化呼吸道內濕-熱多物理場耦合仿真 ￥1000
<p>本案例建立了一簡化呼吸道模型，如圖1所示，基于此模型，采用COMSOL軟件模擬了呼吸道內循環呼吸作用下通道內的溫度場以及濕度場的隨時間變化，仿真結果如圖2所示。
電磁、熱仿真的看過來，六月精選三場線下課程培訓
精選一“ANSYS-Maxwell電磁閥仿真”專題課
課程背景
電磁閥是用電磁控制的工業設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執行器，并不限于液壓、氣動。用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。
電磁閥相關設計計算，僅按原先的磁路法進行電磁計算，得到的結果好多是一個最終數值結果，而電磁場可能涉及好多方面，材料、結構、位置等，細稍變化可能都會引起整個電磁場的變化從而影響最終的結果，而磁路法往往省略好多因數，僅考慮主要的因數，這就造成我們計算的結果誤差。為減少計算誤差，更好的反映整個電磁場情況，提高工程師電磁相關分析設計能力，特舉辦“ANSYS-Maxwell電磁閥仿真專題”培訓。
授課專家
鄧老師
擁有豐富的科研及工程技術經驗；
長期從事CAE領域國家重大項目研究，具有資深的技術底蘊和專業背景；
熟練掌握CAD、Maxwell、ANSYS Workbench、MagNet、MATLAB等軟件。尤其對變壓器電磁和磁熱仿真、電機電磁、磁熱和電磁振動噪聲仿真、耦合器電磁仿真、電磁銜鐵機構電磁仿真等具有豐富的項目經驗。
課程大綱
時間地點
2018年6月22日-6月25日 北京（第一天報到，授課3天）
培訓費用
1、標準費用：3800元/人（含培訓費、資料費、培訓期間午餐費、結業證書費），住宿可統一安排，費用自理。
2、如果不方便去現場，會有現場同步錄播課程，也可以報名。
展開 使用多物理場仿真預測熱漂移，優化微波濾波器設計
然而，如果微波系統發生了熱漂移，濾波器的高頻穩定性將變得很差。為了解決這個問題，并改進濾波器的設計，系統工程師需要預測熱膨脹導致的通帶頻率的變化。多物理場仿真能夠幫助工程師順利完成這項任務。
改進微波發射器的設計
當設計微波發射器時，系統工程師必須保證輸出中沒有不需要的頻率。常用的解決方案是在發射器天線和非線性功率放大器之間放置一個微波濾波器。通過使用一個或多個窄帶濾波器對輸出進行處理，工程師可以將放大器產生的諧波消除。
微波發射塔。圖片由 Tom Page 拍攝。已獲 CC BY-SA 2.0 授權，并通過 Flickr Creative Commons 共享。
這種方案自身也存在問題。當發射器暴露在高功率載荷下和嚴酷的環境中時（比如暴露在極熱的沙漠中的蜂窩基站），可能產生熱漂移。
在沙漠暴曬等嚴酷的環境中，微波發射器內會發生熱漂移。圖片已獲 CC BY 4.0 授權，并通過 ESO/C. Malin 共享。
結構的熱膨脹會擾亂微波系統中濾波器的頻率響應。因此，為了設計可靠的濾波器，我們不但要進行精確的電磁分析，而且還要研究溫度上升引起的結構變形。本文的示例表明，我們可以借助 COMSOL Multiphysics? 軟件的“RF 模塊”和“結構力學模塊”實現上述操作。
微波濾波器中的熱效應建模
我們首先觀察一下模型：銅盒內是一根直立的圓柱體，銅盒表面鍍了一層可降低損耗的銀薄膜。圓柱體和銅盒之間的電磁空腔是充滿空氣的密閉空間。現實中的濾波器常常包含多個級聯空腔，不過我們模型僅重點分析一個空腔。
為了方便比較不同的設計對濾波器性能的影響，我們構建了兩個不同的模型：
只包含銅盒的設計
包含銅盒和鋼圓柱體的設計
微波腔體濾波器的幾何結構。
展開 多物理場仿真驗證創新模型，助力提升換熱器效率
第二步，基于下列參數指定頂壁變形：
時間
通道高度
通道長度
振蕩頻率
振蕩幅度
通道長度方向上的波數
如需了解動態壁換熱器的完整建模細節，歡迎訪問“案例下載”頁面，下載模型文檔和 MPH 文件。
為了模擬傳熱和振蕩，我們耦合了兩個內置特征。第一個是共軛傳熱 多物理場耦合特征，它可以計算換熱器和水之間的熱傳遞；第二個是移動網格 特征，它支持模擬壁面和通道的變形情況。
靜態與振動換熱器
最后，我們來查看換熱器的靜態分析結果。當頂壁保持平坦不動時，質量流率為 5.5 g/s時，換熱系數為 2900 W/m2。
靜態換熱器通道中的溫度曲線。
下一組是動態壁換熱器的瞬態分析結果。振蕩在大約 0.6 秒后進入偽周期狀態。進入此狀態后，平均質量流率達到 10.5 g/s，幾乎等于靜態條件下的兩倍。不出所料，換熱系數也變得更高：振蕩幅度為 90％ 時約等于 19,000 W/m2。
左：溫度和流率變化。右圖：動態壁換熱器通道中的溫度曲線。
利用仿真，工程師可以有效地分析與優化換熱器設計，從而獲得最高性能和效率。
來源：COMSOL
展開 結構、流體、熱分析、多物理場耦合、電磁仿真硬件配置探討-1
主要內容
1.有限元分析概述
2.有限元分析模擬計算過程分析與計算特點
2.1有限元前處理（建模、網格劃分）計算特點
2.2有限元求解計算特點與硬件配置分析
2.2.1動態結構（碰撞、爆炸、沖擊等）仿真計算特點
2.2.2靜態結構（強度、振動、耐久、復合材料）仿真計算特點
2.2.3流體力學仿真計算特點
2.2.4多物理場耦合仿真計算特點
2.2.5電磁仿真仿真計算特點
3.工程仿真計算工作站配置推薦
3.1 工作站機型介紹
3.2建模與求解專業硬件配置參考
3.3 工作站建模、求解計算硬件配置推薦
（一）有限元分析介紹
有限元分析（FEA）借助高性能計算機工具，用“數值近似”和“離散化”方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，如求解結構、熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題
有限元法在工程設計和科研領域得到了廣泛的應用，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的應用普及，已使設計水平發生了質的飛躍。
展開 
基于Fluent與ANSYS workbench的齒輪箱熱固耦合溫度場仿真案例
圖23 觀察甩油情況
圖24 初始時刻流場
圖25 0.015s流場
圖26 0.03s流場
圖27 0.06s流場
在fluent中最好根據想要的時間間隔設置每隔N步自動保存結果，這樣在后處理中有充足的結果可用，不會出現瞬態分辨率過低的情況，即時間跨度過大。
仿真步數可以自行選擇，這里選取了前600步的狀態進行分析。由于步數大少，大齒輪處在油浴當中，溫升小，因此觀察小齒輪，溫度攀升較快。
圖28 0.18s溫度云圖
圖29 0.36s溫度云圖
圖30 不同轉速溫升對比
通過仿真可以對比不同轉速下，小齒輪的溫升狀況。實際上轉速決定了：
生熱量，通過公式計算；
甩油程度。
在fluent中甩油的程度對溫度變化有一定影響，但是當轉速足夠大的時候，這個影響又變得不那么明顯。因此兩條曲線的形狀是相似的，只是單純的受到發熱量的支配。如果是低速重載情形，轉速很低（本例未包含），比如10rpm，這時候甩油困難，齒輪可能會發生膠合。
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結語：
由于解析方法計算齒輪減速器溫度場時的復雜性，往往需要對模型進行大幅簡化，難以得出精確解。針對此問題，本例使用仿真方法計算瞬態溫度場，可以有效捕捉輪齒與油液的接觸細節，實現了在精確仿真流場的前提下，油氣與齒輪固體共軛傳熱區域的實時更新。但同時也存在對流換熱系數不準確，內嵌傳熱算法換熱值不精確的弊端。
這個案例很長，對fluent的多相流、動網格等等復雜模型都有涉及，希望看完帖子能讓大家有所收獲！仿真用到的幾何文件、udf文件、運動profile文件都在附件中。
展開 基于comsol的三相變壓器電磁、熱、固、噪聲多物理場耦合仿真分析 ￥4500
</p><p><br></p><p> 此次采用Comsol制作了三相變壓器 電磁、熱、固、噪聲多物理場耦合模型，分析三相變壓器在多次諧波工況下的表現。</p><p><br></p><p>磁通密度分布</p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202103/b099017da79a47fe99815fa842e6d1a7.gif" height="356" width="508"></p><p><br></p><p>變壓器線圈的電流電壓表現：</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/4e5e972d90084597b806611d2541b7b3.png" title="QQ圖片20211217113513.png" alt="QQ圖片20211217113513.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/4e5e972d90084597b806611d2541b7b3.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/4e5e972d90084597b806611d2541b7b3.png?
展開 緊湊型熱交換器間斷翅片的湍流增強傳熱的流場FLUENT仿真分析 ￥299
針對緊湊型熱交換器出現了斷續和交錯翅片。間斷肋片上邊界層的不斷變化導致了高的傳熱系數，并且每個翅片后面的尾跡區域存在湍流混合。這比連續翅片熱交換器的傳熱效果更好。熱交換器示意圖如圖1所示。幾何包含在頂部和底部平面的對稱邊界條件。
假設在換熱器中加熱壓力為240k的液氨，翅片壁的溫度恒定為350k。液氨通過換熱器的質量流量為303.14 kg/s-m2，水力直徑為3.51 mm，液氨粘度為0.000152 kg/m-s，基于水力直徑的雷諾數為7000，為弱湍流區(即，低雷諾數湍流度)。仿真結果如下：
溫度場
壓力場
局部速度矢量圖
展開 多物理場仿真助力航天器再入大氣層：熱燒蝕現象的建模
網格速度的表達式為 ht.hf2.q0/(rho*H_s)，其中 ht.hf2.q0 表示經之前定義的“燒蝕熱通量”邊界條件計算的熱通量。您可以轉至結果 > 報告 > 完整報告，隨時查找所有此類內部定義的 COMSOL 變量。
通過這幾個功能，我們得到了燒蝕的效果，并能求解溫度隨時間變化的模型，如下圖所示。我們可以觀察到固體右側的溫度上升至燒蝕溫度，材料開始從域中移除。雖然材料邊界在燒蝕，但溫度卻保持不變。另外注意，一旦材料開始燒蝕，溫度導數的位置會發生變化，意味著總熱通量也在變化。
溫度隨時間變化的一維域。
在討論的最后，讓我們來展示一個更復雜問題的結果。該問題涉及一個軸對稱幾何，其上的熱載荷為一條高斯強度曲線。我們的關注點是模擬激光加熱對材料燒灼，以加工出一個孔。我們可以利用上述完全相同的模型設置，不過是在二維域中。
下面的動畫強調了仿真結果，展示孔隨時間的形成。域的變化非常明顯，因此在此示例中，變形幾何接口使用了超彈性平滑類型，從而使網格變形。注意變形幾何接口不允許域中存在任何拓撲變化。因此，我們不能模擬通孔的形成，只能仿真一側的材料去除。
上面的動畫顯示二維軸對稱模型中的激光燒灼。
關于熱燒灼建模的結束語
在今天的文章中，我們演示了如何使用“熱通量”邊界條件和變形幾何接口中的指定網格速度功能對材料的燒灼建模。所介紹的示例始終盡可能地簡單，以便我們專注于燒灼的建模上。更符合實際的模型應該還包括來自表面的輻射傳熱和溫度相關的材料屬性。
而且，還可以考慮脈沖熱載荷，這是激光加工中的一種常見載荷。用激光加熱時，光有可能在材料中穿透一定的距離。在這種情況下，相比于其他材料激光加熱建模的方法，您或許可以使用 Beer-Lambert 定律對能量沉積建模。
來源：COMSOL
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