COMSOL Electric Discharge Module 6.4
DESCRIPCIÓN
El módulo de descarga eléctrica, es un complemento del software de simulación COMSOL Multiphysics®, que se utiliza para comprender, analizar y predecir el comportamiento de las descargas eléctricas en gases, líquidos y dieléctricos sólidos. Esto incluye el análisis de descargas de corriente continua, corona, barrera dieléctrica y arco.
Las aplicaciones del módulo de descarga eléctrica van desde la electrónica de consumo hasta los componentes de sistemas de energía de alto voltaje. Con sus capacidades para simular pulsos electromagnéticos inducidos por rayos, descargas electrostáticas y otros eventos relacionados, el módulo sirve como una herramienta importante para el desarrollo de productos, ayudando a reducir los costes asociados con las pruebas experimentales y la creación de prototipos.
El módulo se integra perfectamente con otros productos de la suite de productos COMSOL, incluidos aquellos para electromagnetismo, mecánica estructural y dinámica de fluidos, lo que permite a los usuarios explorar los efectos multifísicos a menudo asociados con las descargas eléctricas.
CARACTERÍSTICAS
Simula descargas eléctricas de manera eficiente, precisa y sencilla en una plataforma integrada.
Simulaciones detalladas de descargas eléctricas
El módulo de descarga eléctrica permite una configuración rápida y sencilla de modelos de descarga en dominios 2D, 2D axisimétricos y 3D.
El flujo de trabajo es sencillo y, por lo general, sigue estos pasos: crear o importar la geometría; definir los ajustes físicos, las condiciones de contorno y los valores iniciales; configurar la malla; seleccionar un resolvedor; y visualizar los resultados. Los ajustes de la malla y del resolvedor son automáticos, con la opción de personalización manual. Todos estos pasos se pueden realizar sin problemas dentro del entorno de COMSOL Multiphysics®.
La funcionalidad del módulo se centra en la interfaz de Electric Discharge, que está diseñada para modelar descargas en una variedad de medios, incluidos gases, líquidos y dieléctricos sólidos. Cuenta con modelos de transporte de carga integrados que resuelven ecuaciones de transporte totalmente acopladas con la ecuación de Poisson, teniendo en cuenta procesos químicos y físicos como la ionización por impacto, la adhesión y la recombinación y adaptándose a las propiedades específicas de cada medio. Gracias a esta funcionalidad integrada, en la mayoría de los casos, los usuarios no necesitan ingresar manualmente reacciones químicas o datos de velocidad de reacción.
Descargas de gas
La interfaz de Electric Discharge modela descargas de gas atmosféricas y de alta presión mediante aproximaciones de fluidos y campos locales. Además de resolver ecuaciones de transporte para electrones, iones positivos e iones negativos, el modelo incorpora procesos como ionización por impacto, adhesión y recombinación para simular con precisión las descargas de gas.
El modelo de transporte de carga integrado, junto con la biblioteca de materiales de Electric Discharge incluida en el módulo, permite la simulación de la química esencial de la descarga en gases como el aire, sin necesidad de introducir manualmente reacciones químicas. El medio gaseoso se puede cambiar fácilmente seleccionando una opción diferente de la biblioteca de materiales, como SF6, N2 o CO2.
Descargas en líquidos
Al modelar descargas en líquidos, como el aceite de transformador utilizado para aislamiento eléctrico, la interfaz Electric Discharge resuelve ecuaciones de transporte para electrones, iones positivos e iones negativos. Incluye procesos típicos como la ionización de campo, la unión y la recombinación para representar el comportamiento de las descargas en medios líquidos.
Transporte de carga bipolar en sólidos
En el caso de los dieléctricos sólidos, la interfaz Electric Discharge admite el transporte de carga bipolar y resuelve ecuaciones de transporte para electrones, huecos y cargas atrapadas. El modelo está totalmente acoplado con la ecuación de Poisson y tiene en cuenta los efectos de atrapamiento, desatascamiento y recombinación, lo que proporciona una simulación detallada del transporte de carga en materiales sólidos.
Acumulación y relajación de carga superficial
El modelado del transporte de carga en las interfaces dieléctricas es esencial para muchas aplicaciones. Las cargas eléctricas pueden acumularse en estas interfaces, por ejemplo, a través de una descarga de corona, y las cargas espaciales pueden desplazarse a lo largo de la superficie bajo la influencia de un campo eléctrico. La interfaz de Electric Discharge cuenta con una capacidad de interfaz dieléctrica incorporada que maneja automáticamente los procesos de acumulación y relajación de cargas superficiales.
Fotoionización
La fotoionización desempeña un papel fundamental en las descargas eléctricas positivas. La interfaz Electric Discharge incluye un modelo de fotoionización integrado basado en el método de transferencia radiativa, lo que permite un cálculo eficiente de la tasa de fotoionización. Hay disponibles hasta siete términos exponenciales para aproximar el proceso de fotoionización.
Condición de contorno del electrodo
La condición de contorno del electrodo es un componente central en el modelado de descargas eléctricas. Las condiciones de contorno para el potencial eléctrico y los portadores de carga se pueden especificar dentro de una sola función, lo que mejora la eficiencia del proceso de modelado. La función Electrode también incluye variables de corriente de descarga integradas. Las condiciones de contorno del portador de carga incluyen opciones para límites abiertos, así como para definir el flujo, la densidad numérica o la emisión de superficie. Además, las configuraciones de emisión de superficie admiten la emisión de electrones secundarios, la emisión de electrones de campo y la emisión termoiónica.
Conexión a circuitos eléctricos
La funcionalidad de modelado de circuitos eléctricos incorporada permite crear sistemas concentrados para simular corrientes y voltajes en circuitos eléctricos. Admite el modelado de elementos de circuitos como fuentes de voltaje y corriente, resistencias, capacitores, inductores y otros componentes de circuitos. Los modelos de circuitos también se pueden conectar a modelos de campo distribuido en 2D y 3D. Además, las topologías de circuitos se pueden importar y exportar utilizando el formato de lista de conexiones SPICE. Estos circuitos se pueden combinar con modelos de física de descarga eléctrica para simular cargas realistas.
Química de descarga personalizable
El módulo Electric Discharge incluye una función para definir la química de descarga personalizada, lo que facilita la configuración de modelos con reacciones químicas complejas. Una función dedicada simplifica el proceso de generación de modelos dependientes del espacio, lo que permite a los usuarios gestionar de manera eficiente cientos de reacciones químicas en simulaciones de descarga.
El módulo también ofrece flexibilidad para personalizar ecuaciones de transporte más allá de las opciones integradas para portadores de carga. Esas ecuaciones de transporte personalizadas se resuelven en la interfaz Transport of Charge Carriers. Se acopla perfectamente con otras interfaces físicas, lo que permite el estudio del transporte de carga dentro de campos electromagnéticos y de flujo.
Técnicas únicas de estabilización numérica
En la física de descargas eléctricas, las densidades numéricas de especies pueden variar en varios órdenes de magnitud en distancias cortas. Los métodos tradicionales pueden dar como resultado valores negativos no físicos. Para evitarlo, la interfaz Electric Discharge utiliza una formulación logarítmica, lo que garantiza que las soluciones de densidad numérica sigan siendo estrictamente positivas.
Además, el módulo incluye técnicas de estabilización numérica para garantizar que las ecuaciones se resuelvan con precisión y eficiencia.
Captura dinámicas multiescala
La dinámica de las descargas eléctricas abarca desde subnanosegundos hasta milisegundos en el tiempo y desde micrómetros hasta metros en el espacio, lo que presenta desafíos para resolver eventos de escala de nanosegundos en períodos de tiempo mucho más largos.
El módulo Electric Discharge aprovecha las capacidades avanzadas de resolución y creación de mallas. Su técnica de creación de mallas adaptativa permite tamaños de malla variables, que van desde un micrómetro hasta un metro, y optimizar la cantidad de grados de libertad. Además, el paso de tiempo automático del solucionador ajusta los pasos de tiempo en varios órdenes de magnitud, lo que permite capturar con precisión tanto los fenómenos a corto plazo, como los pulsos de Trichel, como los efectos a largo plazo, como la acumulación y relajación de la carga espacial.
Biblioteca de materiales
El modelado de descargas eléctricas suele implicar la especificación de reacciones químicas complejas y propiedades de los materiales, lo que puede llevar mucho tiempo. El módulo de descarga eléctrica simplifica esta tarea con dos bibliotecas de materiales integradas.
La biblioteca de materiales de Electric Discharge proporciona datos para gases, líquidos y dieléctricos sólidos comunes que se integran perfectamente con los modelos de transporte de carga, lo que permite a los usuarios comenzar a modelar sin tener que ingresar ecuaciones o datos manualmente. La biblioteca de materiales Equilibrium Discharge ofrece propiedades dependientes de la temperatura (hasta 25000 K) para varios gases, incluida la densidad, la capacidad térmica, la conductividad térmica, la viscosidad dinámica y las tasas de emisión volumétrica.
Interfaces multifísicas para modelar descargas de arco
El módulo Electric Discharge se puede utilizar para modelar descargas de equilibrio termodinámico, como arcos eléctricos, donde los electrones y las especies pesadas comparten la misma temperatura. La interfaz multifísica Arc Discharge incluida utiliza un enfoque magnetohidrodinámico para describir la descarga como un solo fluido con una temperatura. Esta interfaz combina electromagnetismo, flujo de fluidos y transferencia de calor, incorporando fuerza de Lorentz, fuerza electromotriz, transporte de entalpía, calentamiento Joule y pérdida de radiación.
Análisis eficiente de los efectos inducidos por descargas
El módulo Electric Discharge se integra perfectamente con otros productos complementarios de COMSOL, lo que facilita la simulación y el análisis de los diversos efectos físicos que suelen acompañar a las descargas eléctricas. Esta compatibilidad integrada permite un modelado multifísico eficiente y completo, sin necesidad de cambiar entre diferentes herramientas o entornos de software.
Una de las aplicaciones más potentes del módulo de descarga eléctrica es el análisis de pulsos electromagnéticos inducidos por rayos (LEMP). Mediante la interfaz Electromagnetic Waves, Transient incluida , los ingenieros pueden simular fácilmente estos pulsos y diseñar dispositivos y sistemas eléctricos a prueba de rayos. Esta capacidad reduce significativamente el tiempo y el costo necesarios para desarrollar productos robustos y confiables.
Otro ejemplo de aplicación es el enfriamiento asistido por descarga de corona. Las descargas eléctricas generan fuerzas electrohidrodinámicas que impulsan el flujo de aire y mejoran la transferencia de calor por convección. Al simular esta interacción compleja entre el electromagnetismo y la dinámica de fluidos dentro de la misma plataforma, los usuarios pueden lograr una comprensión más profunda del proceso y optimizar los diseños de enfriamiento con un mínimo esfuerzo.
VERSIONES
6.4
NOVEDADES
6.4 ofrece simulaciones de arco de conmutación más rápidas, mayor estabilidad y cálculos más eficientes, además de la capacidad de modelar electrodos flotantes y sus interacciones de transporte de carga.
Simulación de arco de conmutación más eficiente
Se han introducido diversas mejoras en la interfaz multifísica de Arc Discharge, incluyendo optimizaciones en el resolvedor de malla móvil y remallado para elementos rotacionales, así como datos de materiales y formulaciones de modelos optimizados para una mejor convergencia. Un modelo de arco de conmutación 3D totalmente acoplado —que integra magnetohidrodinámica, malla móvil y efectos de circuitos externos— ahora puede resolverse en tan solo unas horas en un PC estándar. Estas mejoras pueden observarse en el modelo tutorial Switching Arc Discharges in Low-Voltage Circuit Breakers.
Simulación de descarga eléctrica más robusta
Las mejoras en la formulación numérica, los valores iniciales y las condiciones de contorno de la interfaz Electric Discharge mejoran significativamente la estabilidad y la eficiencia computacional. Para estudios dependientes del tiempo, se ha añadido la opción Include time steps effect on stabilization time scale para la estabilización por difusión de líneas de corriente. Además, se han refinado los valores iniciales y las condiciones de contorno para ofrecer una mejor inicialización de los resolvedores. Explore estas mejoras en los modelos tutoriales Partial Discharge Inside Solid Dielectrics y Surface Dielectric Barrier Discharge.
La corriente de descarga y el voltaje aplicado en función del tiempo en una descarga de barrera dieléctrica.
Función de electrodo flotante
La nueva función Floating Electrode ofrece capacidades especializadas para modelar electrodos flotantes y sus interacciones con el transporte de carga. El potencial flotante del electrodo se calcula automáticamente considerando la corriente de descarga que fluye hacia él. Una aplicación típica de esta función es el modelado de partículas metálicas en suspensión, un factor conocido en la degradación de sistemas de aislamiento de alta tensión, ya que distorsionan el campo eléctrico local y promueven descargas prematuras. El modelo tutorial Streamers Initiated from Suspended Metal Particles muestra esta nueva función.
Las descargas eléctricas originadas por partículas metálicas se propagan y se fusionan. Los diagramas de isosuperficies muestran la densidad electrónica y los colores indican la intensidad del campo eléctrico.
Modelado multifísico de arquitecturas semiconductoras novedosas
Para modelar arquitecturas de semiconductores novedosas —donde a menudo se requieren modelos de transporte de carga especializados junto con otros fenómenos físicos— la interfaz Transport of Charge Carriers del Módulo de Semiconductores permite la integración fluida de modelos de transporte de portadores de carga personalizados con simulaciones térmicas y electromagnéticas. Explore este flujo de trabajo de modelado multifísico en el modelo tutorial Memristor.
Árbol del modelo del tutorial del memristor con la interfaz de transporte de portadores de carga seleccionada.
Simetría para terminales
La función Terminal ahora admite un factor de multiplicación de área (disponible en la sección Advanced Settings tras activar Advanced Physics Options). Esto tiene en cuenta la simetría al escalar el área del terminal, de modo que los circuitos o cargas conectados perciban el dispositivo completo aunque solo se modele una parte. Por ejemplo, se debe usar un factor de 2 si el modelo representa la mitad del dispositivo. La actualización está disponible para las interfaces de Electrostatics, Electric Curtents y Magnetic and Electric Fields.
Modelo que representa la mitad de un resonador de ondas Lamb. El nuevo factor de multiplicación de área se muestra en la ventana de Configuración de la función Terminal de límite .
Nuevos modelos tutoriales
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DC Breakdown Voltage of Parallel Electrodes in Air |
AC Breakdown Voltage of Parallel Electrodes in Air |
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Dielectric Barrier Discharge in Air |
Surface Dielectric Barrier Discharge |
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Electrohydrodynamic Flow in Dielectric Liquids |
Switching Arc Discharges in Low-Voltage Circuit Breakers |
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Streamers Initiated from Suspended Metal Particles |
Partial Discharge Inside Solid Dielectrics |
6.3
La versión 6.3 de COMSOL Multiphysics® incluye por primera vez el módulo Electric Discharge Module. Este producto es un complemento de COMSOL Multiphysics® y ofrece capacidades de simulación especializadas para una amplia gama de escenarios de descarga eléctrica, incluidas descargas de gas a presión atmosférica y fenómenos de ruptura en líquidos como aceite de transformador y en materiales sólidos como polímeros aislantes. Proporciona interfaces dedicadas para simular umbrales de ruptura, dinámica de carga superficial y procesos de descarga en varios entornos, desde gases atmosféricos hasta MEMS y dispositivos electrónicos donde ocurren eventos a microescala.
El módulo incluye modelos de transporte de carga ampliamente utilizados para portadores de carga como electrones e iones promediados. Incorpora procesos físicos y químicos detallados, que incluyen ionización, unión y recombinación. En la mayoría de los casos, no es necesario que los usuarios ingresen manualmente reacciones químicas o datos de velocidad de reacción. Además, el módulo ofrece la flexibilidad de personalizar la química de descarga, con una configuración sencilla disponible a través de la interfaz COMSOL Desktop® y sin necesidad de programación.
El módulo Electric Discharge permite predecir el impacto de las descargas eléctricas en el rendimiento del sistema, lo que garantiza que los diseños estén optimizados para la confiabilidad y el cumplimiento de las normas regulatorias, en particular en el diseño de interferencia electromagnética-compatibilidad electromagnética (EMI/EMC) para dispositivos electrónicos. Los ingenieros y científicos pueden simular y analizar pulsos electromagnéticos inducidos por rayos, descargas electrostáticas y otros eventos de descarga, lo que hace que el módulo sea particularmente útil para avanzar en el desarrollo de productos y reducir los costos asociados con las pruebas experimentales y la creación de prototipos. El módulo Electric Discharge se puede utilizar con productos de toda la gama de productos COMSOL, incluidos aquellos para electromagnetismo, mecánica estructural y dinámica de fluidos para explorar los efectos multifísicos que a menudo acompañan a las descargas eléctricas.
Una descarga eléctrica que se propaga en el aceite del transformador.
COMSOL Multiphysics 6.4