专栏 | 导体焦耳热热流计算案例及方法讲解

日常生活中，经常会碰到开关、断路器等电力工业品。这类工业品在其研发过程中，务必进行产品的焦耳热热流CAE分析或者测试，通过进行温升的仿真、测试分析，可以验证其内部结构设计是否可以满足温升要求；是否存在改进的空间及优化建议。

焦耳热引起的温升

什么是焦耳热呢？简单来说，当电流通过电导率有限的固体或液体时，其材料中的电阻损耗会使电能转化为热能，当传导电子通过碰撞的方式将能量传递给导体的原子时，便会在微小尺度上产生热量，这些热量称为焦耳热（也称电阻加热或欧姆加热）。

ANSYS Icepak作为一款优秀的CFD热流计算软件，提供了焦耳热计算的功能。由于焦耳热会导致器件局部区域不同的温升，温升不同势必会引起热变形，如下图所示，这热流-热变形（结构力学）耦合模拟需要通过ANSYS Workbench平台，使用ANSYS Icepak+Structural来完成，后续会针对此方面的内容进行讲解。

由于焦耳热温升引起的热变形

施耐德公司的工程师使用ANSYS Icepak对其两款产品（断路器、自动转换开关）进行了焦耳热热流模拟计算，以验证产品由于焦耳热导致的温升，进而决定导线和绝缘层的类型是否能够满足热管理的需要。 施耐德使用ANSYS软件进行了产品冷却性能的模拟，并与实际测试进行了比对。

微型断路器温升试验台

微型断路器（Miniature circuit breaker，简称MCB）端子是施耐德紧凑型断路器系列产品中的的子组件。MCB端子将断路装置与外部电路进行连接。自动转换开关是一种广泛应用于施耐德电气低压产品的开关装置。通过ANSYS的CAD修复模块SCDM，可以快速将微型断路器端子和自动转换开关的CAD模型导入ANSYS Icepak。下图为MCB端子原始结构设计和改进结构的温升比较，左图为端子原始设计的温度云图分布，右图为端子改进设计的温度云图分布。对比后可以发现，与原始设计相比，MCB端子改进后的设计可以降低约9℃的温升。

直接在MCB端子电流入口指定恒定安培的电流，然后将MCB端子暴露于25℃的室温下进行自然冷却。施耐德工程师进行了两种断路器端子的模拟计算，一种为63安培的端子，一种为25安培的端子。对63安培端子的结构设计作了厚度上的修改，使温度降低了9摄氏度。模拟和实验结果之间只有一个正负2度的偏差。对于25安培端子，温度测试结果证实了产品的安全性，并与实验结果吻合较好。

同样地，使用焦耳热模拟计算，对自动转换开关绝缘材料的设计进行了改进，导致了转换开关终端模型温度降低了约6℃。同样，仿真结果与实验结果吻合的比较好。

自动转换开关的温升测试平台

下图为自动转换开关的焦耳热热流模拟计算结果，左图为自动转换开关原始方案设计的温升云图，右图为改进方案的温升云图，可以发现，自动转换开关的温度有所降低。

自动转换开关的温升模拟计算

那么在ANSYS Icepak里如果对导体进行焦耳热热流模拟计算呢？下面通过一个案例对焦耳热计算的方法做详细的讲解说明。

1、导体的几何模型如下图所示，导体材料为铜，电流的输入、输出位置如下图所示，输入电流为30A。

2、首先在SCDM中选择电流输入输出的端口面，点击右键，选择**，然后再次点击右键，选择粘贴，建立了2个面单元模型；在SCDM中对导体及建立的输入输出端面进行重命名。      

3、使用SCDM的Workbench菜单，点击仿真简化，在简化类型中选择级别3（CAD对象），框选视图区域中所有的模型，SCDM自动将这些模型转换成Icepak热模型。

4、选择SCDM下的识别对象命令，将进出端的2个面类型由Plate转换成Source。在ANSYS Icepak中进行焦耳热计算时，务必保持电流进出口面为Source类型，然后在电流进口的Source属性中输入电流大小，在电流出口的Source属性中输入电压0V。   

     

5、点击SCDM的File——另存为，在输出类型中选择Icepak项目���*.icepakmodel）将模型输出为Icepak热模型。

6、直接使用Icepak软件打开输出的热模型，按照自然对流的空间设置，扩大Cabinet的空间尺寸（可以参考《ANSYS Icepak电子散热基础教程》），并设置其6个面为开口模型，具体坐标尺寸如下图。

7、选择4个导体模型，点击编辑按钮，打开多体编辑面板，在属性中选择材料为Cu-pure，选择Joule heating，点击后侧的Edit，选择Varying，保持电阻率Resistivity为1.72e-08，C为0.0039，点击Done。

8、点击电流输出面Source，在其属性中勾选Voltage/current source，点击Current，输入电流30Amp；同理，打开out的属性面板，选择Voltage为0V。   

9、框选模型树下的导体及进出口Source，点击右键，选择Set—Multi-level meshing level，在调出的面板中，输入多级网格级数2。   

10、重新选择导体及进出口Source模型，点击右键建立Assembly装配体模型，按照下图进行非连续性网格参数的设置，主要是设置非连续性网格的Slack扩展空间、Mesher type网格类型，最大网格尺寸等等。

11、点击划分网格按钮，选择Mesher-HD，选择Meshparameters—Coarse，其他保持默认设置，当画完网格后，点击Display，可以查看网格是否完全贴体。通过检查，发现螺旋的导体边界上局部区域有网格失真的现象。

打开多级网格的Editsize regions，点击new，新建局部加密，然后使用橙色的选择按钮，进行局部区域的尺寸设置，务必保证红色的方框能包含网格失真的区域，在Size中输入区域需要加密的尺寸（务必保证Size尺寸比失真区域的网格尺寸小），点击Accept，重新划分网格。

可以看出，局部区域加密后，螺旋导体的网格非常贴体，网格划分完成。重新点击网格控制面板中的Quality，对网格的质量进行检查。

12、点击Basicparameters，选择辐射换热，选择湍流流态，勾选自然冷却计算，设置重力方向，保持默认Defaults下的环境温度，设始化数值X速度为-0.15m/s；点击Accept。    拖动模型树下任意几何体至Points，设置温度监控点。

13、点击求解计算按钮，进行CFD计算，大约45步后完成导体的热流计算。

点击各个后处理显示，可以查看导体本身的温度分布、电压势分布、电流密度云图及速度矢量图等等。后处理各个结果如下图所示：

不同切面的温度云图

分布切面的速度矢量图

分布导体的温度云图分布

导体的电压势云图

分布导体的电流密度云图

14、如果读者需要考虑接触电阻对导体温度的影响，需要在SCDM中将接触位置的热源建立，如下图所示，将此热源导入ANSYS Icepak，并将接触电阻产生的热损耗输入此热源，然后进行整体的热流仿真计算，就可以得到导体的温度分布。

作者：王永康，仿真秀科普作者。

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