Simulieren Sie Entladungen und sagen Sie elektrische Durchschläge voraus

Verifizierte und validierte Modelle für eine schnellere Entwicklung

Das Electric Discharge Module umfasst leistungsstarke Multiphysik-Funktionen zur Simulation von transienten 3D-Lichtbogenentladungen und liefert Ergebnisse, die eng mit experimentellen Daten übereinstimmen. Eine umfassende Bibliothek verifizierter und validierter Beispiele gewährleistet von Anfang an Genauigkeit und reduziert den Bedarf an langwierigen Verifizierungs- und Validierungsprozessen (V&V), die sonst Wochen oder sogar Monate dauern können.

Zuverlässige virtuelle Modelle sind besonders wertvoll für Branchen, die mit Hochspannungskomponenten wie Schutzschaltern arbeiten, bei denen eine hohe Vorhersagegenauigkeit wichtig ist, um sowohl die Leistung als auch die Sicherheit zu gewährleisten. Durch die Ergänzung physischer Prototypen und experimenteller Tests optimieren Simulationen der elektrischen Entladung die Entwicklung, beschleunigen Design-Iterationen und senken die Kosten.

Was Sie mit dem Electric Discharge Module modellieren können

Modellieren Sie elektrische Entladungen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern sowie die Auswirkungen der Ladungsakkumulation auf deren Grenzflächen.

Detailansicht von fünf Streamer-Modellen.

Streamer-Entladungen

Simulieren Sie Streamer-Entladungen in gasförmigen oder flüssigen Dielektrika unter Berücksichtigung von Stoßionisation oder Feldionisation.

Detailansicht eines zylindrischen Modells, das die positiven Raumladungsschichten zeigt.

Positive Koronaentladungen

Analysieren Sie positive Koronaentladungen unter Berücksichtigung der Ionisationsschicht.

Ein 1D-Plot, der den Klemmenstrom zeigt.

Trichel-Pulse

Lösen Sie die Nanosekunden-Dynamik von Trichel-Pulsen innerhalb von 30 Mikrosekunden nach ihrer Entstehung auf.

Detailansicht eines Modells einer negativen dielektrische behinderten Entladung, das die Ladungsdichte zeigt.

Dielektrisch behinderte Entladungen

Berechnen Sie automatisch die Akkumulation und Relaxation von Oberflächenladung an der Grenzfläche zwischen gasförmigen und flüssigen dielektrischen Materialien.

Elektrostatische Entladungen

Simulieren Sie eine elektrostatische Entladung (ESD), die entsteht, wenn eine Hand Metall berührt.

Detailansicht von Polyethylenschichten, die die Raumladungsdichte zeigt.

Feste Dielektrika

Erklären Sie die Dynamik von Elektronen, Löchern und ihren Gegenstücken mit einem bipolaren Ladungstransportmodell.

Detailansicht eines frei brennenden Lichtbogenmodells, das das elektrische Potential und die Temperatur zeigt.

Lichtbögen

Simulieren Sie stationäre (Gleichstrom-) oder transiente Lichtbögen mithilfe eines magnetohydrodynamischen Ansatzes.

Detailansicht eines Sendemastes mit Stromleitungen.

Blitz-induzierte Spannung

Berechnen Sie die durch Blitze verursachte Spannung und deren Auswirkungen auf Übertragungsleitungen, Flugzeuge und Windparks.

Features und Funktionalitäten im Electric Discharge Module

Simulieren Sie elektrische Entladungen effizient, genau und einfach, in einer integrierten Plattform.

Detailansicht der Einstellungen für Electric Discharge und ein 2D-Plot im Grafikfenster.

Detaillierte Simulation elektrischer Entladungen

Das Electric Discharge Module ermöglicht die schnelle und einfache Erstellung von Entladungsmodellen in 2D-, 2D-achsensymmetrischen und 3D-Gebieten.

Der Workflow ist unkompliziert und umfasst in der Regel die folgenden Schritte: Erstellen oder Importieren der Geometrie; Definition der Physikeinstellungen, Randbedingungen und Anfangswerte; Einrichten des Netzes; Auswählen eines Lösers und Visualisieren der Ergebnisse. Die Einstellungen für das Vernetzen und den Löser erfolgen automatisch, können aber auch manuell angepasst werden. Alle diese Schritte können nahtlos in der COMSOL Multiphysics^® Umgebung ausgeführt werden.

Die Funktionalität des Moduls konzentriert sich auf das Interface Electric Discharge, das dazu dient, Entladungen in einer Vielzahl von Medien zu modellieren, darunter Gase, Flüssigkeiten und feste Dielektrika. Das Feature umfasst integrierte Ladungstransportmodelle, die Transportgleichungen vollständig mit der Poisson-Gleichung gekoppelt lösen, wobei chemische und physikalische Prozesse wie Stoßionisation, Attachment und Rekombination berücksichtigt und an die spezifischen Eigenschaften jedes Mediums angepasst werden. Dank dieser integrierten Funktionalität ist in den meisten Fällen keine manuelle Eingabe von Daten zu chemischen Reaktionen oder Reaktionsgeschwindigkeiten durch den Nutzer erforderlich.

Detailansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Knoten Liquid und einem Streamer-Modell im Grafikfenster.

Entladungen in Flüssigkeiten

Bei der Modellierung von Entladungen in Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Transformatoröl, das zur elektrischen Isolierung verwendet wird, löst das Interface Electric Discharge Transportgleichungen für Elektronen sowie positive und negative Ionen. Es umfasst typische Prozesse wie Feldionisation, Attachment und Rekombination, um das Verhalten von Entladungen in flüssigen Medien darzustellen.

Detailansicht des Model Builder mit einem 2D-Plot im Grafikfenster.

Akkumulation und Relaxation von Oberflächenladungen

Die Modellierung des Ladungstransports an dielektrischen Grenzflächen ist für viele Anwendungen unerlässlich. An diesen Grenzflächen können sich elektrische Ladungen ansammeln, beispielsweise durch Koronaentladung, und Raumladungen können unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes entlang der Oberfläche driften. Das Interface Electric Discharge verfügt über ein integriertes Feature für dielektrische Grenzflächen, das die Akkumulation und Relaxationsprozesse von Oberflächenladungen automatisch handhabt.

Detailansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Knoten Electrode und Trichel-Pulsen im Grafikfenster.

Randbedingung Electrode

Die Randbedingung für die Elektrode ist ein zentraler Bestandteil der Modellierung elektrischer Entladungen. Randbedingungen für das elektrische Potenzial und die Ladungsträger können innerhalb eines einzigen Features festgelegt werden, wodurch die Effizienz des Modellierungsprozesses erhöht wird. Das Feature Electrode enthält auch integrierte Entladungsstromvariablen. Die Randbedingungen der Ladungsträger umfassen Optionen für offene Ränder sowie für die Definition von Fluss, Anzahldichte oder Oberflächenemission. Darüber hinaus unterstützen die Einstellungen für die Oberflächenemission die Sekundärelektronenemission, die Feldelektronenemission und die thermionische Emission.

Detailansicht der Knoteneinstellungen für das Generieren eines ortsabhängigen Modells und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Anpassbare Entladungschemie

Das Electric Discharge Module enthält Funktionen zur Definition benutzerdefinierter Entladungschemie, wodurch sich Modelle mit komplexen chemischen Reaktionen einfach erstellen lassen. Ein spezielles Feature vereinfacht die Erstellung ortsabhängiger Modelle und ermöglicht es Anwendern, Hunderte von chemischen Reaktionen in Entladungssimulationen effizient zu verwalten.

Das Modul bietet auch Flexibilität für die Anpassung von Transportgleichungen über die integrierten Optionen für Ladungsträger hinaus. Diese angepassten Transportgleichungen werden im Interface Transport of Charge Carriers gelöst. Es lässt sich nahtlos mit anderen Physik-Interfaces verbinden und ermöglicht die Untersuchung des Ladungstransports in elektromagnetischen und Strömungsfeldern.

Detailansicht der zeitabhängigen Knoteneinstellungen und eines Konvergenzplots im Grafikfenster.

Erfassen mehrskaliger Dynamiken

Die Dynamik elektrischer Entladungen erstreckt sich von Subnanosekunden bis zu Millisekunden in der Zeit und von Mikrometern bis zu Metern im Raum, was die Herausforderung mit sich bringt, Ereignisse im Nanosekundenbereich über viel längere Zeiträume aufzulösen.

Das Electric Discharge Module nutzt fortschrittliche Vernetzungs- und Lösungsverfahren. Seine adaptive Vernetzungstechnik ermöglicht variable Netzgrößen von einem Mikrometer bis zu einem Meter und die Optimierung der Anzahl der Freiheitsgrade. Darüber hinaus passt die automatische Zeitschrittsteuerung des Lösers die Zeitschritte über mehrere Größenordnungen an und ermöglicht so die genaue Erfassung sowohl kurzfristiger Phänomene wie Trichel-Pulse als auch langfristiger Effekte wie die Akkumulation und Relaxation von Raumladungen.

Detailansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Knoten Gas und einem Modell eines Streamers im Grafikfenster.

Gasentladungen

Das Interface Electric Discharge modelliert atmosphärische und Hochdruck-Gasentladungen mithilfe von Fluid- und lokalen Feldapproximationen. Neben der Lösung von Transportgleichungen für Elektronen und positive und negative Ionen umfasst das Modell Prozesse wie Stoßionisation, Attachment und Rekombination, um Gasentladungen genau zu simulieren.

Das integrierte Ladungstransportmodell ermöglicht zusammen mit der im Modul enthaltenen Materialbibliothek Electric Discharge (siehe Abschnitt unten) die Simulation der wesentlichen Entladungschemie in Gasen wie Luft, ohne dass eine manuelle Eingabe chemischer Reaktionen erforderlich ist. Das Gasmedium kann einfach durch Auswahl einer anderen Option aus der Materialbibliothek geändert werden, zum Beispiel SF₆, N₂ oder CO₂.

Detailansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Knoten Solid und einem 2D-Plot im Grafikfenster.

Bipolarer Ladungstransport in Festkörpern

Für feste Dielektrika unterstützt das Interface Electric Discharge den bipolaren Ladungstransport und löst die Transportgleichungen für Elektronen, Löcher und eingefangene Ladungen. Das Modell ist vollständig mit der Poisson-Gleichung gekoppelt und berücksichtigt Trapping-, Detrapping- und Rekombinationseffekte, wodurch eine detaillierte Simulation des Ladungstransports in festen Materialien ermöglicht wird.

Detailansicht der Einstellungen des Knotens Photoionization und ein Streamer-Modell im Grafikfenster.

Photoionisation

Die Photoionisation spielt eine entscheidende Rolle bei positiven elektrischen Entladungen. Das Interface Electric Discharge enthält ein integriertes Photoionisationsmodell, das auf der Strahlungstransfer-Methode basiert und eine effiziente Berechnung der Photoionisationsrate ermöglicht. Es stehen bis zu sieben exponentielle Terme zur Verfügung, um den Photoionisationsprozess zu approximieren.

Detailansicht der Einstellungen des Knotens Electrode und eines Grafikfensters.

Verbindung mit elektrischen Schaltungen

Die integrierte Modellierungsfunktionalität für elektrische Schaltungen ermöglicht die Erstellung von einfachen Systemen zur Simulation von Strömen und Spannungen in elektrischen Schaltungen. Sie unterstützt die Modellierung von Schaltkreiselementen wie Spannungs- und Stromquellen, Widerständen, Kondensatoren, Induktoren und anderen Komponenten. Schaltungsmodelle können auch mit verteilten Feldmodellen in 2D und 3D verbunden werden. Zusätzlich können Schaltungstopologien im SPICE-Netzlistenformat importiert und exportiert werden. Die Schaltungen können mit physikalischen Modellen der elektrischen Entladung kombiniert werden, um realistische Lasten zu simulieren.

Detailansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Knoten Electrode und zwei Grafikfenstern.

Einzigartige numerische Stabilisierungstechniken

In der Physik der elektrischen Entladung können die Anzahldichten von Spezies über kurze Distanzen um mehrere Größenordnungen variieren. Herkömmliche Methoden können zu unphysikalischen negativen Werten führen. Um dies zu verhindern, verwendet das Interface Electric Discharge eine logarithmische Formulierung, die sicherstellt, dass die Lösungen für die Anzahldichte positiv bleiben.

Darüber hinaus enthält das Modul numerische Stabilisierungstechniken, um sicherzustellen, dass die Gleichungen sowohl genau als auch effizient gelöst werden.

Detailansicht des Model Builders mit hervorgehobenem Materialknoten und dem Fenster Add Material.

Materialbibliotheken

Die Modellierung elektrischer Entladungen erfordert oft die Angabe komplexer chemischer Reaktionen und Materialeigenschaften, was zeitaufwendig sein kann. Das Electric Discharge Module vereinfacht dies durch zwei integrierte Materialbibliotheken.

Die Materialbibliothek Electric Discharge bietet Daten für gängige Gase, Flüssigkeiten und feste Dielektrika, die nahtlos in Ladungstransportmodelle integriert sind, sodass Benutzer mit der Modellierung beginnen können, ohne Gleichungen oder Daten manuell eingeben zu müssen. Die Materialbibliothek Equilibrium Discharge bietet temperaturabhängige Eigenschaften (bis zu 25.000 K) für verschiedene Gase, darunter Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische Viskosität und volumetrische Emissionsraten.

Detailansicht der Einstellungen des Knotens Magnetohydrodynamics und eines 3D-Modells eines transienten Lichtbogens im Grafikfenster.

Multiphysik-Interfaces für die Modellierung von Lichtbögen

Das Electric Discharge Module kann zur Modellierung thermodynamischer Gleichgewichtsentladungen wie Lichtbögen verwendet werden, bei denen Elektronen und schwere Spezies die gleiche Temperatur aufweisen. Über das integrierte Multiphysik-Interface Arc Discharge wird die Entladung mithilfe eines magnetohydrodynamischen Ansatzes als ein einziges Fluid mit einer Temperatur beschrieben. Dieses Interface koppelt Elektromagnetik, Strömung und Wärmetransport und bezieht Lorentzkraft, elektromotorische Kraft, Enthalpietransport, Joulesche Erwärmung und Strahlungsverlust mit ein.

Effiziente Analyse durch Entladungen verursachter Effekte

Das Electric Discharge Module lässt sich nahtlos in andere Add-On-Produkte von COMSOL integrieren und erleichtert so die Simulation und Analyse der verschiedenen physikalischen Effekte, die häufig mit elektrischen Entladungen einhergehen. Diese integrierte Kompatibilität ermöglicht eine effiziente und umfassende Multiphysik-Modellierung, ohne dass ein Wechsel zwischen verschiedenen Tools oder Softwareumgebungen nötig ist.

Eine leistungsstarke Anwendung des Electric Discharge Module ist die Analyse von durch Blitzeinschläge ausgelösten elektromagnetischen Impulsen (lightning-induced electromagnetic pulses, LEMP). Mit dem enthaltenen Interface Electromagnetic Waves, Transient können Ingenieure diese Impulse einfach simulieren und blitzsichere elektrische Geräte und Systeme entwerfen. Diese Fähigkeit reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung robuster und zuverlässiger Produkte.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die koronaentladungsunterstützte Kühlung. Elektrische Entladungen erzeugen elektrohydrodynamische Kräfte, die den Luftstrom antreiben und den konvektiven Wärmetransport verbessern. Durch die Simulation dieser komplexen Wechselwirkung zwischen Elektromagnetik und Fluiddynamik innerhalb derselben Plattform können Benutzer ein tieferes Verständnis des Prozesses erlangen und Kühlungssystemdesigns mit minimalem Aufwand optimieren.

Drei Turbinenmodelle, die das elektrische Feld zeigen, mit einem Blitzschlag, der die mittlere Turbine trifft.

Electric Discharge Module

Verifizierte und validierte Modelle für eine schnellere Entwicklung