Simulez des décharges et prédisez le claquage électrique avec le module Electric Discharge

Des modèles vérifiés et validés pour un développement plus rapide

Le module Electric Discharge offre de puissantes capacités multiphysiques pour simuler des décharges d'arc transitoires en 3D et fournit des résultats qui coïncident étroitement avec les données expérimentales. Une bibliothèque complète d'exemples vérifiés et validés garantit dès le départ la précision des résultats, ce qui réduit considérablement la nécessité de passer par une longue phase de vérification et de validation (V&V), qui peut souvent durer des semaines, voire des mois.

Avoir à disposition des modèles virtuels fiables est particulièrement précieux pour les industries manipulant des composants de haute tension, tels que les disjoncteurs, où la précision des prédictions est importante pour garantir à la fois performance et sécurité. La simulation des décharges électriques, qui complémente les prototypes physiques et les essais expérimentaux, permet de rationaliser le développement, d'accélérer les itérations de conception et de réduire les coûts.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Electric Discharge

Modélisez les décharges électriques dans les gaz, les liquides et les solides, ainsi que les effets d'accumulation de charges sur leurs interfaces.

Une vue rapprochée de cinq modèles de streamers à double tête.

Décharges de type streamer

Simulez des décharges de type streamer dans des diélectriques gazeux ou liquides, en tenant compte de l'ionisation par impact ou de l'ionisation de champ.

Une vue rapprochée d'un modèle cylindrique montrant les couches de charges d'espace positives.

Décharges corona positives

Analysez les décharges corona positives en tenant compte de la couche d'ionisation.

Un graphique 1D montrant le courant terminal.

Impulsions de Trichel

Résolvez la dynamique des impulsions de Trichel à l'échelle de la nanoseconde et suivez leur évolution sur une durée de 30 microsecondes.

Une vue rapprochée d'un modèle de décharge à barrière diélectrique négative montrant la densité de charge.

Décharges à barrière diélectrique

Calculez automatiquement l'accumulation et la relaxation des charges de surface à l'interface entre des matériaux diélectriques solides et des gaz.

Décharges électrostatiques

Simulez le courant de décharge électrostatique (ESD) qui se produit lorsqu'une main humaine touche du métal.

Une vue rapprochée de couches de polyéthylène montrant la densité de charges d'espace.

Diélectriques solides

Résolvez la dynamique des électrons, des trous et des charges piégées à l'aide d'un modèle de transport de charge bipolaire.

Une vue rapprochée d'un modèle d'arc libre montrant le potentiel électrique et la température.

Décharges d'arc

Simulez un arc stationnaire en courant continu ou un arc transitoire à l'aide d'une approche magnétohydrodynamique.

Une vue rapprochée d'un pylône électrique et de lignes de haute tension.

Tension induite par la foudre

Calculez la tension induite par la foudre et étudiez son impact sur les lignes de transmission, les avions et les parcs éoliens.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Electric Discharge

Simulez des décharges électriques de manière efficace, précise et simple dans une seule plateforme intégrée.

Une vue rapprochée des réglages de Décharge électrique et un graphique 2D dans la fenêtre graphique.

Simulations détaillées de décharges électriques

Le module Electric Discharge permet de mettre en place rapidement et facilement des modèles de décharge en 2D, 2D axisymétrique et 3D.

La méthodologie de travail est simple et suit généralement les étapes suivantes: créer ou importer la géométrie; définir les paramètres physiques, les conditions aux limites et les valeurs initiales; mettre en place le maillage; sélectionner un solveur; et visualiser les résultats. Le maillage et les configurations du solveur sont automatiques, mais il est possible de les personnaliser manuellement. Toutes ces étapes peuvent être effectuées de manière transparente dans l'environnement COMSOL Multiphysics^®.

La fonctionnalité centrale du module est l'interface Décharge électrique, qui est conçue pour modéliser les décharges dans une variété de milieux, incluant les gaz, les liquides et les diélectriques solides. Elle comporte des modèles de transport de charge intégrés qui résolvent des équations de transport entièrement couplées à l'équation de Poisson, en tenant compte des processus chimiques et physiques tels que l'ionisation par impact, l'attachement et la recombinaison, et en s'adaptant aux propriétés spécifiques de chaque milieu. Grâce à cette fonctionnalité intégrée, dans la plupart des cas, les utilisateurs n'ont pas besoin de saisir manuellement les réactions chimiques ou les données relatives aux taux de réaction.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Liquide mis en évidence et un modèle de streamer dans la fenêtre graphique.

Décharges en milieux liquides

Pour modéliser les décharges dans les liquides, comme l'huile de transformateur utilisée pour l'isolation électrique, l'interface Décharge électrique résout les équations de transport pour les électrons, les ions positifs et les ions négatifs. Elle prend en compte des phénomènes couramment observés, tels que l'ionisation de champ, l'attachement et la recombinaison, afin de représenter le comportement des décharges dans les milieux liquides.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles et un graphique 2D dans la fenêtre graphique.

Accumulation et relaxation des charges surfaciques

La modélisation du transport de charges aux interfaces diélectriques est essentielle pour de nombreuses applications. Les charges électriques peuvent s'accumuler à ces interfaces, par exemple, par décharge corona, et les charges d'espace peuvent dériver le long de la surface sous l'influence d'un champ électrique. L'interface Décharge électrique dispose d'une fonctionnalité intégrée d'interface diélectrique qui gère automatiquement les processus d'accumulation et de relaxation des charges surfaciques.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Electrode mis en évidence et des impulsions de Trichel dans la fenêtre graphique.

Conditions aux limites d'électrode

La condition aux limites d'électrode est une composante centrale de la modélisation des décharges électriques. Les conditions aux limites pour le potentiel électrique et les porteurs de charge peuvent être spécifiées à l'aide d'une seule fonctionnalité, ce qui améliore l'efficacité du processus de modélisation. La fonctionnalité Electrode comprend également des variables de courant de décharge intégrées. Les conditions aux limites pour les porteurs de charge incluent des options pour les frontières ouvertes ainsi que pour la définition du flux, de la densité de population ou de l'émission de surface. De plus, les réglages de l'émission de surface prennent en charge l'émission d'électrons secondaires, l'émission d'électrons de champ et l'émission thermoionique.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Générer un modèle avec dépendance spatiale et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Chimie de décharge personnalisable

Le module Electric Discharge inclut une fonctionnalité permettant de définir une chimie de décharge personnalisée, ce qui facilite la mise en place de modèles avec des réactions chimiques complexes. Une fonctionnalité dédiée simplifie le processus de génération de modèles dépendant de l'espace, permettant aux utilisateurs de gérer efficacement des centaines de réactions chimiques dans les simulations de décharge.

Le module offre également la possibilité de personnaliser les équations de transport au-delà des options intégrées pour les porteurs de charge. Ces équations de transport personnalisées sont résolues dans l'interface Transport des porteurs de charge. Cette interface est couplée de manière transparente avec d'autres interfaces physiques, ce qui permet d'étudier le transport des charges dans des champs électromagnétiques et des écoulements.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Temporel et un graphique de convergence dans la fenêtre graphique.

Capturer la dynamique multi-échelle

La dynamique des décharges électriques se produit sur des échelles de temps allant de la sub-nanoseconde à la milliseconde et sur des distances allant du micromètre au mètre, ce qui pose le problème de la résolution d'événements à l'échelle de la nanoseconde sur des périodes de temps beaucoup plus longues.

Le module Electric Discharge exploite des capacités avancées de maillage et de résolution. Sa technique de maillage adaptatif permet de faire varier la taille des éléments, du micromètre au mètre, et d'optimiser le nombre de degrés de liberté. De plus, grâce à la gestion automatique du pas de temps, le solveur est capable d'ajuster les pas de temps sur plusieurs ordres de grandeur, ce qui permet de rendre compte avec précision des phénomènes à court terme, tels que les impulsions de Trichel, et des effets à long terme, tels que l'accumulation et la relaxation des charges d'espace.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Gaz mis en évidence et un modèle de streamer à double tête dans la fenêtre graphique.

Décharges de gaz

L'interface Décharge électrique modélise les décharges de gaz à pression atmosphérique et à haute pression en utilisant des approximations de fluide et de champ local. En plus de résoudre les équations de transport pour les électrons, les ions positifs et les ions négatifs, le modèle tient compte de processus tels que l'ionisation par impact, l'attachement et la recombinaison pour simuler avec précision les décharges de gaz.

Le modèle de transport de charge intégré, ainsi que la bibliothèque de matériaux Décharge électrique incluse dans le module (voir la section ci-dessous), rendent possible la simulation de la chimie de décharge fondamentale dans des gaz tels que l'air, sans qu'il soit nécessaire de saisir manuellement les réactions chimiques. Le milieu gazeux peut être facilement modifié en sélectionnant une option différente dans la bibliothèque de matériaux, telle que SF₆, N₂, ou CO₂.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Solide mis en évidence et un graphique 2D dans la fenêtre graphique.

Transport de charge bipolaire dans les solides

Pour les diélectriques solides, l'interface Décharge électrique prend en compte le transport de charge bipolaire, en résolvant les équations de transport pour les électrons, les trous et les charges piégées. Le modèle est entièrement couplé à l'équation de Poisson et tient compte des effets de piégeage, de dépiégeage et de recombinaison, ce qui permet une simulation détaillée du transport de charges dans les matériaux solides.

Photoionisation

La photoionisation joue un rôle essentiel dans les décharges électriques positives. L'interface Décharge électrique comporte un modèle de photoionisation intégré basé sur la méthode du transfert radiatif, permettant un calcul efficace du taux de photoionisation. Il est possible d'utiliser jusqu'à sept termes exponentiels pour approximer le processus de photoionisation.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Electrode et d'une fenêtre graphique.

Connexion aux circuits électriques

La fonctionnalité intégrée de modélisation des circuits électriques permet de créer des systèmes réduits pour simuler les courants et les tensions dans les circuits électriques. Elle permet de modéliser des composants de circuits tels que des sources de tension et de courant, des résistances, des condensateurs, des inductances et bien d'autres. Les modèles de circuits peuvent également être connectés à des modèles de champs distribués en 2D et 3D. De plus, les topologies de circuits peuvent être importées et exportées sous forme de netlist SPICE. Ces circuits peuvent être combinés avec des modèles physiques de décharge électrique pour simuler des charges réalistes.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Electrode mis en évidence et deux fenêtres graphiques.

Techniques uniques de stabilisation numérique

Dans la physique des décharges électriques, les densités de population des espèces peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur sur de courtes distances. Les méthodes traditionnelles peuvent aboutir à des valeurs négatives non physiques. Pour éviter cela, l'interface Décharge électrique utilise une formulation logarithmique, garantissant que les solutions de densité de population restent strictement positives.

De plus, le module intègre des techniques de stabilisation numérique pour s'assurer que les équations sont résolues de manière à la fois précise et efficace.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec un noeud de matériau mis en évidence et la fenêtre Ajouter un matériau.

Bibliothèque de matériaux

La modélisation des décharges électriques implique souvent de spécifier des réactions chimiques et des propriétés matériaux complexes, ce qui peut se révéler fastidieux. Le module Electric Discharge simplifie cette tâche grâce à deux bibliothèques de matériaux intégrées.

La bibliothèque de matériaux Décharge électrique fournit des données pour les gaz, les liquides et les diélectriques solides courants, qui sont intégrées de manière transparente aux modèles de transport de charge, ce qui permet aux utilisateurs de commencer la modélisation sans avoir à saisir manuellement des équations ou des données. La bibliothèque de matériaux Décharge à l'équilibre fournit des propriétés dépendant de la température (jusqu'à 25 000 K) pour divers gaz, notamment la densité, la capacité thermique, la conductivité thermique, la viscosité dynamique et les taux d'émission volumétriques.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Magnétohydrodynamique et d'un modèle 3D d'arc transitoire dans la fenêtre graphique.

Interfaces multiphysiques pour la modélisation des décharges d'arc

Le module Electric Discharge peut être utilisé pour modéliser des décharges à l'équilibre thermodynamique, telles que les arcs électriques, dans lequel les électrons et les espèces lourdes partagent la même température. L'interface multiphysique prédéfinie Décharge d'arc utilise une approche magnétohydrodynamique pour décrire la décharge comme un fluide équivalent avec une seule température. Cette interface couple l'électromagnétisme, l'écoulement fluide et le transfert de chaleur, en tenant compte de la force de Lorentz, la force électromotrice, le transport d'enthalpie, le chauffage par effet Joule et les pertes par rayonnement.

Analyse efficace des effets induits par les décharges

Le module Electric Discharge s'intègre parfaitement aux autres produits complémentaires de COMSOL, ce qui facilite la simulation et l'analyse des divers phénomènes physiques qui accompagnent souvent les décharges électriques. Cette compatibilité intégrée permet une modélisation multiphysique efficace et complète, sans qu'il soit nécessaire de passer d'un outil ou d'un environnement logiciel à un autre.

L'analyse des impulsions électromagnétiques induites par la foudre constitue une application importante du module Electric Discharge. En utilisant l'interface prédéfinie Ondes électromagnétiques, transitoire, les ingénieur(e)s peuvent facilement simuler ces impulsions et concevoir des appareils et des systèmes électriques à l'épreuve de la foudre. Cette capacité réduit considérablement le temps et les coûts nécessaires au développement de produits robustes et fiables.

Le refroidissement assisté par décharge corona est un autre exemple d'application. Les décharges électriques génèrent des forces électrohydrodynamiques qui entraînent le flux d'air et améliorent le transfert de chaleur par convection. En simulant cette interaction complexe entre l'électromagnétisme et la dynamique des fluides au sein d'une même plateforme, les utilisateurs peuvent mieux comprendre le processus et optimiser les systèmes de refroidissement de manière efficace.

Trois modèles de turbines montrant le champ électrique, avec un éclair frappant la turbine centrale.

Module Electric Discharge

Des modèles vérifiés et validés pour un développement plus rapide