Simulare le scariche e prevedere i guasti elettrici con l'Electric Discharge Module

Modelli verificati e convalidati per uno sviluppo più rapido

L'Electric Discharge Module include potenti funzionalità multifisiche per la simulazione di eventi di scarica ad arco transitorio in 3D, fornendo risultati strettamente allineati ai dati sperimentali. Una libreria completa di esempi verificati e convalidati garantisce l'accuratezza fin dall'inizio, riducendo significativamente la necessità di lunghi processi di verifica e convalida (V&V), che altrimenti potrebbero richiedere settimane o addirittura mesi.

Modelli virtuali affidabili sono particolarmente preziosi per i settori che trattano componenti ad alta tensione, come gli interruttori, dove l'accuratezza predittiva è importante per garantire prestazioni e sicurezza. Integrando i prototipi fisici e i test sperimentali, le simulazioni di scarica elettrica semplificano lo sviluppo, accelerano le iterazioni di progettazione e riducono i costi.

Cosa puoi modellare con l'Electric Discharge Module

Analizzare le scariche elettriche in gas, liquidi e solidi, nonché gli effetti di accumulo di carica sulle loro interfacce.

Vista in primo piano di cinque modelli di streamer a due teste.

Scariche di flusso

Simulare le scariche di flusso in dielettrici liquidi o gassosi, considerando la ionizzazione d'impatto o la ionizzazione di campo.

Vista in primo piano di un modello cilindrico che mostra gli strati di carica spaziale positiva.

Corona luminosa positiva

Analizzare le scariche a corona positiva tenendo conto dello strato di ionizzazione.

Un grafico 1D che mostra la corrente al terminale.

Impulsi Trichel

Risolvere la dinamica dei nanosecondi degli impulsi Trichel entro 30 microsecondi di evoluzione.

Vista in primo piano di un modello di scarica a barriera dielettrica negativa che mostra la densità di carica.

Scariche dielettriche a barriera

Calcolo automatico dell'accumulo e del rilassamento della carica superficiale all'interfaccia tra gas e materiali dielettrici solidi.

Grafico 1D che mostra la corrente al terminale.

Scariche elettrostatiche

Simulare la corrente di scarica elettrostatica (ESD) che si verifica quando una mano umana tocca un metallo.

Vista in primo piano degli strati di polietilene che mostra la densità di carica spaziale.

Dielettrici solidi

Risolvete la dinamica di elettroni, lacune e delle loro controparti intrappolate con un modello di trasporto di carica bipolare.

Vista in primo piano di un modello di arco a combustione libera che mostra il potenziale elettrico e la temperatura.

Scariche ad arco

Simulare un arco DC stazionario o un arco transitorio utilizzando un approccio magnetoidrodinamico.

Vista in primo piano di una torre di trasmissione e di linee elettriche.

Tensione indotta da fulmini

Calcolare la tensione indotta da un fulmine e analizzare il suo impatto sulle linee di trasmissione, sugli aerei e sui parchi eolici.

Caratteristiche e funzionalità dell'Electric Discharge Module

Simulare scariche elettriche in modo efficiente, accurato e semplice in un'unica piattaforma integrata.

Vista in primo piano delle impostazioni di Electric Discharge e di un grafico 2D nella finestra Graphics.

Simulazioni dettagliate di scariche elettriche

L'Electric Discharge Module consente di impostare in modo rapido e semplice modelli di scarica in domini 2D, 2D assialsimmetrici e 3D.

Il flusso di lavoro è semplice e segue tipicamente le seguenti fasi: Creazione o importazione della geometria; Definizione delle impostazioni fisiche, delle condizioni al contorno e dei valori iniziali; Impostazione della mesh; Selezione di un solutore; Visualizzazione dei risultati. Le impostazioni della mesh e del solutore sono automatiche, con la possibilità di personalizzazione manuale. Tutte queste operazioni possono essere eseguite senza problemi all'interno dell'ambiente COMSOL Multiphysics^®.

La funzionalità del modulo è incentrata sull'interfaccia Electric Discharge, progettata per modellare le scariche in una varietà di mezzi, tra cui gas, liquidi e dielettrici solidi. È dotata di modelli di trasporto di carica integrati che risolvono equazioni di trasporto completamente accoppiate con l'equazione di Poisson, tenendo conto di processi chimici e fisici come la ionizzazione da impatto, l'attaccamento e la ricombinazione e adattandosi alle proprietà specifiche di ciascun mezzo. Grazie a questa funzionalità integrata, nella maggior parte dei casi gli utenti non devono inserire manualmente le reazioni chimiche o i dati sulla velocità di reazione.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Liquid evidenziato e un modello di streamer nella finestra Graphics.

Scariche nei liquidi

Quando si modellano le scariche nei liquidi, come l'olio del trasformatore usato per l'isolamento elettrico, l'interfaccia Electric Discharge risolve le equazioni di trasporto per gli elettroni, gli ioni positivi e gli ioni negativi. Include processi tipici come la ionizzazione del campo, l'accoppiamento e la ricombinazione per rappresentare il comportamento delle scariche nei mezzi liquidi.

Vista in primo piano del Model Builder e di un grafico 2D nella finestra Graphics.

Accumulo e rilassamento delle cariche superficiali

La modellazione del trasporto di carica alle interfacce dielettriche è essenziale per molte applicazioni. Le cariche elettriche possono accumularsi su queste interfacce, ad esempio attraverso la scarica a corona, e le cariche spaziali possono andare alla deriva lungo la superficie sotto l'influenza di un campo elettrico. L'interfaccia Electric Discharge è dotata di una funzionalità integrata di interfaccia dielettrica che gestisce automaticamente i processi di accumulo e rilassamento delle cariche superficiali.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrode evidenziato e gli impulsi Trichel nella finestra Graphics.

Condizione al contorno dell'elettrodo

La condizione al contorno dell'elettrodo è un componente centrale nella modellazione delle scariche elettriche. Le condizioni al contorno per il potenziale elettrico e i portatori di carica possono essere specificate in un'unica funzione, migliorando l'efficienza del processo di modellazione. La funzione Electrode include anche variabili di corrente di scarica integrate. Le condizioni al contorno dei portatori di carica includono opzioni per i contorni aperti e per la definizione del flusso, della densità di numero o dell'emissione superficiale. Inoltre, le impostazioni di emissione superficiale supportano l'emissione di elettroni secondari, l'emissione di elettroni di campo e l'emissione termoionica.

Vista in primo piano delle impostazioni del nodo Generate Space-Dependent Model e di un grafico 1D nella finestra Graphics.

Chimica delle scariche personalizzabile

L'Electric Discharge Module include funzionalità per la definizione di una chimica di scarica personalizzata, che facilita la creazione di modelli con reazioni chimiche complesse. Una funzione dedicata semplifica il processo di generazione di modelli dipendenti dallo spazio, consentendo agli utenti di gestire in modo efficiente centinaia di reazioni chimiche nelle simulazioni di scarica.

Il modulo offre anche la flessibilità di personalizzare le equazioni di trasporto oltre alle opzioni integrate per i portatori di carica. Queste equazioni di trasporto personalizzate vengono risolte nell'interfaccia Transport of Charge Carriers. Questa interfaccia si accoppia perfettamente con altre interfacce di fisica, consentendo lo studio del trasporto di carica all'interno di campi elettromagnetici e di flusso.

Vista in primo piano delle impostazioni del nodo Time Dependent e di un grafico di convergenza nella finestra Graphics.

Catturare la dinamica su più scale

Le dinamiche delle scariche elettriche spaziano da sub-nanosecondi a millisecondi nel tempo e da micrometri a metri nello spazio, presentando sfide nella risoluzione di eventi su scala nanosecondo su archi temporali molto più lunghi.

L'Electric Discharge Module sfrutta capacità avanzate di meshing e di risoluzione. La sua tecnica di meshatura adattiva consente di variare le dimensioni delle mesh, da un micrometro a un metro, e di ottimizzare il numero di gradi di libertà. Inoltre, il time-stepping automatico del solutore regola i passi temporali su diversi ordini di grandezza, consentendo di catturare con precisione sia i fenomeni a breve termine, come gli impulsi Trichel, sia gli effetti a lungo termine, come l'accumulo e il rilassamento della carica spaziale.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Gas evidenziato e un modello di streamer a due teste nella finestra Graphics.

Scariche di gas

L'interfaccia Electric Discharge modella le scariche di gas atmosferiche e ad alta pressione utilizzando approssimazioni di fluido e di campo locale. Oltre a risolvere le equazioni di trasporto per gli elettroni, gli ioni positivi e gli ioni negativi, il modello incorpora processi come la ionizzazione da impatto, l'attacco e la ricombinazione per simulare accuratamente le scariche di gas.

Il modello di trasporto di carica incorporato, insieme alla libreria di materiali Electric Discharge inclusa nel modulo (si veda la sezione seguente), consente di simulare la chimica essenziale delle scariche in gas come l'aria, senza richiedere l'inserimento manuale delle reazioni chimiche. Il mezzo gassoso può essere facilmente cambiato selezionando un'opzione diversa dalla libreria dei materiali, come SF₆, N₂ o CO₂.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Solid evidenziato e un grafico 2D nella finestra Graphics.

Trasporto di carica bipolare nei solidi

Per i dielettrici solidi, l'interfaccia Electric Discharge supporta il trasporto di carica bipolare, risolvendo le equazioni di trasporto per elettroni, lacune e cariche intrappolate. Il modello è completamente accoppiato all'equazione di Poisson e tiene conto degli effetti di intrappolamento, distacco e ricombinazione, fornendo una simulazione dettagliata del trasporto di carica nei materiali solidi.

Vista in primo piano delle impostazioni del nodo Photoionization e di un modello di streamer nella finestra Graphics.

Fotoionizzazione

La fotoionizzazione svolge un ruolo fondamentale nelle scariche elettriche positive. L'interfaccia Electric Discharge comprende un modello di fotoionizzazione integrato basato sul metodo del trasferimento radiativo, che consente di calcolare in modo efficiente il tasso di fotoionizzazione. Sono disponibili fino a sette termini esponenziali per approssimare il processo di fotoionizzazione.

Vista in primo piano delle impostazioni del nodo Electrode e delle finestre Graphics.

Collegamento a Electrical Circuits

La funzionalità integrata di modellazione dei circuiti elettrici consente di creare sistemi a parametri concentrati per simulare correnti e tensioni nei circuiti elettrici. Supporta la modellazione di elementi di circuito come sorgenti di tensione e di corrente, resistenze, condensatori, induttori e altri componenti di circuito. I modelli di circuito possono anche essere collegati a modelli di campo distribuiti in 2D e 3D. Inoltre, è possibile importare ed esportare topologie di circuiti utilizzando il formato netlist SPICE. Questi circuiti possono essere combinati con modelli fisici di scarica elettrica per simulare carichi realistici.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrode evidenziato e due finestre Graphics.

Tecniche uniche di stabilizzazione numerica

Nella fisica delle scariche elettriche, le densità numeriche delle specie possono variare di diversi ordini di grandezza su brevi distanze. I metodi tradizionali possono produrre valori negativi non fisici. Per evitare questo inconveniente, l'interfaccia Electric Discharge utilizza una formulazione logaritmica, garantendo che le soluzioni di densità numerica rimangano rigorosamente positive.

Inoltre, il modulo include tecniche di stabilizzazione numerica per garantire che le equazioni siano risolte con precisione ed efficienza.

Vista in primo piano del Model Builder con un nodo materiale evidenziato e la finestra Add Material.

Libreria dei materiali

La modellazione delle scariche elettriche spesso comporta la necessità di specificare complesse reazioni chimiche e proprietà dei materiali, il che può richiedere molto tempo. L'Electric Discharge Module semplifica questa operazione grazie a due librerie di materiali integrate.

La libreria di materiali Electric Discharge fornisce dati per i più comuni gas, liquidi e dielettrici solidi, perfettamente integrati con i modelli di trasporto di carica, consentendo agli utenti di iniziare la modellazione senza dover inserire manualmente equazioni o dati. La libreria di materiali Equilibrium Discharge offre per vari gas proprietà dipendenti dalla temperatura (fino a 25.000 K), tra cui densità, capacità termica, conducibilità termica, viscosità dinamica e tassi di emissione volumetrica.

Vista in primo piano delle impostazioni del nodo Magnetohydrodynamics e di un modello di arco transitorio 3D nella finestra Graphics.

Interfacce multifisiche per la modellazione di scariche ad arco elettrico

L'Electric Discharge Module può essere utilizzato per modellare scariche all'equilibrio termodinamico, come gli archi elettrici, in cui gli elettroni e le specie pesanti condividono la stessa temperatura. L'interfaccia multifisica Arc Discharge inclusa utilizza un approccio magnetoidrodinamico per descrivere la scarica come un singolo fluido con una sola temperatura. Questa interfaccia associa elettromagnetismo, fluidodinamica e trasferimento di calore, incorporando la forza di Lorentz, la forza elettromotrice, il trasporto entalpico, il riscaldamento Joule e la perdita per radiazione.

Analisi efficiente degli effetti indotti dalle scariche elettriche

L'Electric Discharge Module si integra perfettamente con altri prodotti aggiuntivi di COMSOL, facilitando la simulazione e l'analisi dei vari effetti fisici che spesso accompagnano le scariche elettriche. Questa compatibilità integrata consente una modellazione multifisica efficiente e completa, senza la necessità di passare da uno strumento all'altro o da un ambiente software all'altro.

Una potente applicazione dell'Electric Discharge Module è l'analisi degli impulsi elettromagnetici indotti da fulmini (LEMPs). Utilizzando l'interfaccia Electromagnetic Waves, Transient inclusa, gli ingegneri possono simulare facilmente questi impulsi e progettare dispositivi e sistemi elettrici a prova di fulmine. Questa capacità riduce significativamente i tempi e i costi necessari per sviluppare prodotti robusti e affidabili.

Un altro esempio di applicazione è il raffreddamento assistito da scariche corona. Le scariche elettriche generano forze elettroidrodinamiche che guidano il flusso d'aria e migliorano il trasferimento di calore convettivo. Simulando questa complessa interazione tra elettromagnetismo e fluidodinamica all'interno della stessa piattaforma, gli utenti possono ottenere una comprensione più approfondita del processo e ottimizzare i progetti di raffreddamento con il minimo sforzo.

Tre modelli di turbine che mostrano il campo elettrico, con un fulmine che colpisce la turbina centrale.

Electric Discharge Module

Modelli verificati e convalidati per uno sviluppo più rapido