Comsol不规则层流

本例演示了Comsol模拟埋地电缆电磁热耦合过程。基于COMSOL的埋地电缆电磁-热耦合仿真通过耦合电磁场（电磁损耗）与热场（传导/对流传热），结合材料参数（电导率、导热系数）及土壤边界条件（热绝缘/对流换热），分析电缆温度场与电磁场分布，实现载流量优化及敷设方式评估，保障电缆安全运行。投稿｜电子F430编辑｜小苏审核｜赵佳乐埋地「电缆」埋地电缆是一种敷设于地下或墙体内的电力传输设施，主要由导体、绝缘层、护套等组成，具有抗腐蚀、耐压、抗机械损伤等特性，广泛应用于城市电网、工业区、交通设施及新能源等领域其核心优势在于隐蔽性强、可靠性高，可避免架空线路的视觉污染和环境干扰，同时降低外力破坏风险。导体多采用铜或铝，绝缘层常用交联聚乙烯（XLPE）、聚氯乙烯（PVC）等高分子材料，护套则选用耐候性聚乙烯（PE）或抗啮齿动物铠装层。部分高端电缆采用碳纤维复合材料或乙丙橡胶（EPR），以增强极端环境下的耐用性。现代埋地电缆融合物联网技术，实现温度、湿度的实时监测与故障预警。铠装结构（如T05V2PfG2642型）可抵御啮齿动物破坏，新型环保材料（如可降解护套）正成为研发趋势。安装需遵循埋深≥0.7米、避开腐蚀性土壤等规范，采用直埋或电缆沟敷设，预计2025年中国市场规模将突破2200亿元，复合增长率达8.5%，受益于智能电网改造和“双碳”目标推进。图1.埋地电缆现场照片物理「建模」几何模型包括电缆和土壤部分，计算磁场和物理场边界条件如下。图2.物理建模网格「划分」在COMSOL中模拟埋地电缆的电磁-热耦合过程时，网格划分需综合考虑电磁场热分布与热传导效率的平衡。首先采用分层细化策略：电缆导体因焦耳热集中，其网格尺寸需≤导体直径的1/10；绝缘层因介电损耗和热传导需求，网格尺寸应≤厚度的1/3；护套层因热阻效应需≤厚度1/2；而土壤区域远离电缆处可采用梯度网格粗化（最大尺寸≤导体直径），近地表区域设置边界层网格以捕捉对流换热效应。网格类型选择上，导体及绝缘层优先采用三角形/非结构网格以适应复杂几何并捕捉场强梯度，护套与土壤交界处则结合扫掠网格提升计算效率。对于多物理场耦合界面（如绝缘层-护套接触面），需加密边界层网格以解析护套损耗，同时通过单元形状因子和局部尺寸函数优化网格质量，避免因扭曲单元导致求解发散。最后，通过网格预览验证导体与绝缘层的连续性，并基于后验误差分析温度梯度分布，必要时采用自适应网格动态调整关键区域密度。该策略可在保证导体焦耳热计算精度的同时，高效解析电缆-土壤系统的热场分布，为载流量优化提供可靠支撑。图3.网格划分结果「展示」通过计算得到埋地电缆电磁-热耦合结果如下。图4.磁通密度分布图5.温度分布图6.等温线分布来源：Comsol有限元模拟