靜電放電仿真的案例
通過仿真降低航天器上的靜電放電風(fēng)險(xiǎn)
電場(chǎng)的強(qiáng)度可能超過空氣、塑料或電介質(zhì)的擊穿極限并導(dǎo)致靜電放電 (ESD)。放電造成的損害可能導(dǎo)致任務(wù)完全失敗。
ADEOS-II——一項(xiàng)耗資 5.67 億美元的任務(wù)——于 2003 年 10 月因太陽(yáng)能電池陣列中的電弧危害而失敗。而這次失敗并非孤立事件。大約50%的空間環(huán)境航天器異常是由航天器充電效應(yīng)引起的。1
圖 2：航天器充電中涉及的物理過程的概念圖。
NASA 和 ESA 制定了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以先發(fā)制人地緩解這些航天器充電問題。對(duì)于私營(yíng)部門而言，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)可能既昂貴又耗時(shí)。突破設(shè)計(jì)極限需要精確的充電仿真工具，例如 Ansys EMA3D Charge。
表面充電
圖 4：上圖是人類太空艙表面充電模擬的結(jié)果。在航天器周圍的 3D 時(shí)域中監(jiān)測(cè)電場(chǎng)。下面是太陽(yáng)光照對(duì)月球著陸器高分辨率網(wǎng)格的影響。
表面充電來自材料對(duì)外部輻射的反應(yīng)，例如環(huán)境帶電粒子、光照明和摩擦起電。材料對(duì)充電效應(yīng)的響應(yīng)取決于材料的特性。產(chǎn)生的光電子、二次電子、背散射電子和質(zhì)子誘導(dǎo)電子與電場(chǎng)相互作用形成等離子體鞘層。在某些航天器軌道環(huán)境中，等離子體的表面電勢(shì)可能超過 10 kV。通過求解電荷平衡，EMA3D Charge 提供了分析航天器表面電荷的方法。
在前往月球的途中，航天器將根據(jù)其轉(zhuǎn)移軌道遇到不同規(guī)模的表面充電效應(yīng)。地球靜止軌道 (GEO)、低地球軌道 (LEO)、極地軌道、極光軌道和月球軌道都將具有設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中定義的不同等離子體環(huán)境。幾何形狀、陰影和材料特性，以及等離子體特性或摩擦起電振幅，都會(huì)對(duì)航天器表面積累的電荷產(chǎn)生影響。使用高保真網(wǎng)格，您不必從模型中遺漏重要細(xì)節(jié)。月球著陸器和人類太空艙的圓形窗口、傳感器、天線和推進(jìn)器都可以足夠保真地嚙合，以精確隔離 ESD 關(guān)注的區(qū)域。
展開 電弧放電仿真 ￥1000
電弧是指在兩個(gè)電極之間，因?yàn)殡妷翰钜鸬碾婋x氣體擊穿形成的氣體放電現(xiàn)象。當(dāng)兩個(gè)電極之間的電壓達(dá)到一定程度時(shí)，電流會(huì)在兩個(gè)電極之間形成一個(gè)通道，導(dǎo)電氣體會(huì)被電離，形成一個(gè)帶電等離子體，這就是電弧。電弧的形成需要滿足一定的條件，包括足夠的電壓差、適當(dāng)?shù)碾姌O間距、導(dǎo)電氣體的性質(zhì)等。當(dāng)這些條件得到滿足時(shí)，電壓會(huì)加速導(dǎo)電氣體中的電子，形成高能電子束，撞擊氣體分子，激發(fā)化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生離子。這些帶電粒子會(huì)導(dǎo)致氣體的電導(dǎo)率增加，從而使電流在電極之間建立起電弧通道。電弧的特點(diǎn)包括高溫、高亮度、高能量和高頻閃爍。它具有強(qiáng)烈的熱輻射和光輻射，可以產(chǎn)生明亮的火花、火焰和光弧。由于電弧可以提供高能量，因此廣泛應(yīng)用于電焊、電切、電刷涂等工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中。
本案例基于COMSOL軟件多個(gè)物理場(chǎng)模擬了電弧放電的過程，模擬結(jié)果如圖所示：
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展開 直流輝光放電數(shù)值仿真 ￥500
<p>長(zhǎng)期以來，低壓狀態(tài)下的直流輝光放電一直用于氣體激光器和熒光燈。由于解與時(shí)間 無關(guān)，因此直流放電對(duì)于研究很有吸引力。本案例使用等離子體接口來建立對(duì)正柱區(qū)區(qū)的分析，其中通過在陰極處發(fā)射二次電子來維持放電。柱內(nèi)電子密度的仿真結(jié)果如圖1所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/d6784e9c0550438394d3858de9c0b9f8.gif" alt="電子密度.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 電子密度</strong></p><p> 電子密度峰值出現(xiàn)在陰極下降與正柱區(qū) 之間的區(qū)域，該區(qū)域有時(shí)被稱為法拉第暗區(qū)。電子密度在徑向上迅速降低，這是由于電子向柱外壁的擴(kuò)散損失導(dǎo)致在壁上積累表面電荷造成的。負(fù)電荷的積累導(dǎo)致柱中心 產(chǎn)生了對(duì)壁的正電勢(shì)。</p><p> 電子溫度仿真結(jié)果，如圖2所示。電勢(shì)仿真結(jié)果，如圖3所示。
展開 固體中He氣放電數(shù)值仿真 ￥500
本案例所建立的模型中，固體部分通過靜電場(chǎng)和稀物質(zhì)傳遞物理場(chǎng)模擬電荷的傳輸和固體電場(chǎng)分布，氣體部分通過等離子體場(chǎng)模擬氦氣的輝光放電。通過域1和3包裹域2模擬固體包裹氣體，探究固體中電荷傳輸和電場(chǎng)分布對(duì)氣體放電的影響?；贑OMSOL軟件實(shí)現(xiàn)了固氣界面的表面電荷耦合，COMSOL軟件中采用的模塊及模型如圖1所示。
仿真結(jié)果如下圖所示。
終端電流及電壓
氣體放電電壓
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靜電除塵數(shù)值仿真
靜電除塵是氣體除塵方法的一種。含塵氣體經(jīng)過高壓靜電場(chǎng)時(shí)被電分離，塵粒與負(fù)離子結(jié)合帶上負(fù)電后，趨向陽(yáng)極表面放電而沉積。在冶金、化學(xué)等工業(yè)中用以凈化氣體或回收有用塵粒。利用靜電場(chǎng)使氣體電離從而使塵粒帶電吸附到電極上的收塵方法。在強(qiáng)電場(chǎng)中空氣分子被電離為正離子和電子，電子奔向正極過程中遇到塵粒，使塵粒帶負(fù)電吸附到正極被收集。
本案例基于COMSOL軟件仿真了靜電除塵的過程，模型如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。
圖1 幾何模型
速度場(chǎng)
電勢(shì)場(chǎng)
顆粒1除塵運(yùn)動(dòng)效果
顆粒2除塵運(yùn)動(dòng)效果
圖2 數(shù)值仿真結(jié)果
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展開 Altair軟件陣營(yíng)新增電場(chǎng)仿真——FieldscaleCharge靜電仿真求解器現(xiàn)已可通過Altair合作伙伴聯(lián)盟獲取
2015年10月21日，Troy（美國(guó)密歇根）–Altair今日宣布FieldscalePC已攜其電磁仿真軟件Charge加入Altair合作伙伴聯(lián)盟(APA)。該軟件專用于靜電仿真，也稱為電場(chǎng)仿真。
“能夠加入Altair合作伙伴聯(lián)盟，我們感到十分驕傲。”Fieldscale首席執(zhí)行官YiorgosBontzios說道，“Fieldscale的下一代仿真軟件將助力工程師以更快速度設(shè)計(jì)出更為高效的產(chǎn)品，成為廣大結(jié)果導(dǎo)向型電氣硬件企業(yè)的必備工具。Altair將是這條發(fā)展路線上的強(qiáng)有力盟友，我們會(huì)幫助工程師實(shí)現(xiàn)本以為無法完成的仿真作業(yè)。”
工程師可借助Charge分析整個(gè)模型的電場(chǎng)情況，而無需進(jìn)行不實(shí)際的簡(jiǎn)化。這讓他們可以完成以前無法解決的仿真問題。Charge采用穩(wěn)定可靠的邊界元法，能夠準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的電勢(shì)和場(chǎng)強(qiáng)分布。它將仿真過程細(xì)化為五個(gè)步驟并在一個(gè)簡(jiǎn)單易用的環(huán)境中完成，從而提高生產(chǎn)力和效率。其并行算法可在數(shù)分鐘內(nèi)完成以往需要進(jìn)行一整夜計(jì)算的結(jié)果。
“我們熱烈歡迎Fieldscale攜Charge軟件加入APA。”Altair電磁解決方案副總裁UlrichJakobus博士說道，“該工具是一款精確高效、高度并行的求解器，適合用于靜電應(yīng)用。它使Altair高頻電磁產(chǎn)品FEKO更加完備?！?在能源行業(yè)中，工程師可利用Charge設(shè)計(jì)包括電極、開關(guān)、軸襯和絕緣體在內(nèi)的高壓設(shè)備。還可以利用該軟件測(cè)試電擊穿和火花放電，從而滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，避免設(shè)備受損。此外，Charge能夠幫助工程師設(shè)計(jì)出更高效、更優(yōu)質(zhì)的避雷系統(tǒng)，保護(hù)建筑、飛機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)農(nóng)場(chǎng)等。
欲了解有關(guān)Fieldscale和Charge的更多信息，請(qǐng)注冊(cè)參加將于2015年11月2日上午9點(diǎn)(EST)和下午1點(diǎn)(EST)舉行的產(chǎn)品推介研討會(huì)，或訪問Fieldscale的解決方案頁(yè)面。
展開 泰勒錐靜電紡絲過程仿真
所謂靜電紡絲，是在靜電場(chǎng)作用下，從極細(xì)（微米級(jí)）的毛細(xì)管噴出聚合物熔體（或溶液），生產(chǎn)出亞微米級(jí)聚合物纖維的一種加工工藝，是目前最常用的無紡布的生產(chǎn)方法。
在這個(gè)過程中，電荷從電極通過聚合物分子的極化以及電解質(zhì)電離等方式進(jìn)入流體，形成電流體。在外加電場(chǎng)作用下，流體將受到電場(chǎng)力、內(nèi)部慣性力、粘性力，而且由于是相當(dāng)小的直徑，所以表面張力也是不可忽視的力。通過分析這些力，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管的管口處的帶電液滴在電場(chǎng)力作用下掙脫表面張力發(fā)生變形，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，管口處的帶電液體將由半球形逐漸變?yōu)殄F形，這就是題主關(guān)心的泰勒錐。顯然，整個(gè)研究對(duì)象就是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)過程，涉及電學(xué)、流體流動(dòng)（包括多相流）等物理現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行仿真需要使用多物理場(chǎng)耦合建模。
本篇文檔基于COMSOL軟件模擬了靜電紡絲的過程。如有興趣的朋友，可聯(lián)系我，交流模型
展開 基于comsol的電流體動(dòng)力噴印泰勒錐仿真分析-靜電紡絲 ￥1560
靜電霧化與靜電紡絲的最大區(qū)別在于二者采用的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E4%BB%8B%E8%B4%A8" rel="noopener noreferrer" target="_blank">工作介質(zhì)</a>不同，靜電霧化采用的是低<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%B2%98%E5%BA%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">粘度</a>的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E6%B5%81%E4%BD%93" rel="noopener noreferrer" target="_blank">牛頓流體</a>，而靜電紡絲采用的是較高粘度的非牛頓流體。這樣，靜電霧化技術(shù)的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。對(duì)靜電紡絲過程的深入研究涉及到靜電學(xué)、電流體力學(xué)、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%81%E5%8F%98%E5%AD%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流變學(xué)</a>、空氣動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。20世紀(jì)30年代到80年代期間，靜電紡絲技術(shù)發(fā)展較為緩慢，科研人員大多集中在靜電紡絲裝置的研究上，發(fā)布了一系列的專利，但是尚未引起廣泛的關(guān)注。進(jìn)入90年代，Reneker研究小組對(duì)靜電紡絲工藝和應(yīng)用展開了深入和廣泛的研究。特別是近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展，世界各國(guó)的科研界和工業(yè)界都對(duì)此技術(shù)表現(xiàn)出了極大的興趣。
展開 電子產(chǎn)品ESD分析你做好了嗎？
靜電放電(Electrostatic discharge, ESD)對(duì)于電子設(shè)備、器件來說是一種近場(chǎng)干擾源,ESD給電子設(shè)備、器件帶來的干擾或損壞問題日益嚴(yán)重。近年來,國(guó)內(nèi)外報(bào)道由靜電放電導(dǎo)致的衛(wèi)星失控,火箭發(fā)射失敗,飛機(jī)失事等惡性事故多達(dá)數(shù)十起。
在干燥環(huán)境中靜電放電（ESD）現(xiàn)象是普遍存在的，而且靜電荷可以聚集成上萬(wàn)伏特的危險(xiǎn)靜電源。一旦形成放電賄賂，有事瞬間會(huì)形成幾十甚至上百安培的電流脈沖，這種放電過程往往在納秒量級(jí)完成，同時(shí)伴有強(qiáng)烈的快帶電磁輻射。所以，靜電放電不僅可以通過傳導(dǎo)途徑對(duì)敏感設(shè)備釋放能量，而且可以通過空間電磁輻射場(chǎng)把能量傳輸?shù)礁浇O(shè)備上，從而對(duì)敏感設(shè)備造成干擾或損傷。
以計(jì)算機(jī)主機(jī)為例，主機(jī)機(jī)箱接手靜電放電電磁脈沖能量后，造成微處理器內(nèi)寄存器內(nèi)容發(fā)生變化，或程序指令中部分存儲(chǔ)比特變化，導(dǎo)致程序進(jìn)入死循環(huán)。靜電放電的尖峰干擾使計(jì)算機(jī)輸入或輸出瞬態(tài)錯(cuò)誤信號(hào)，造成錯(cuò)誤信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)或超出系統(tǒng)進(jìn)行通信，并通過互連進(jìn)行錯(cuò)誤信息的傳遞。同時(shí)，由于靜電放電的電磁干擾，存在存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)生變化。
為進(jìn)一步研究靜電放電對(duì)產(chǎn)品的危害，提高產(chǎn)品對(duì)靜電放電的防護(hù)能力，元王采用CST軟件對(duì)某機(jī)箱產(chǎn)品進(jìn)行了靜電放電效應(yīng)的仿真研究。
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