电缆为高空飞机、地下矿井和海上风电场提供电力。根据使用情况，电缆的形状、尺寸和环境可能有很大不同——所有这些因素都会影响其性能。Nexans 公司的 Adrien Charmetant 在 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的主题演讲中解释了如何使用多物理场建模来优化电缆设计。您可以在下面看到他演讲的摘要和视频。
Adrien Charmetant 讨论利用多物理场建模改进电缆设计
在全球范围内提供电缆解决方案
Nexans 是全球电缆解决方案供应商，致力于为数百万人传输电力和信息。该公司生产的电缆和配件用于水电大坝、矿山、海上风电场、数据中心、城市摩天大楼以及交通运输。Nexans 数值仿真部门负责人 Adrien Charmetant 说，特定运输方式的电缆长度取决于平均乘客量——每位乘客约 1 公里（km）。例如，汽车使用约 5 公里的电缆，而游轮使用约 5000 公里的电缆。
在为这些用例以及其他用例设计电缆时，工程技术人员必须考虑多个因素。例如，Charmetant 提到电缆的电力传输不是一种固有属性，而是取决于环境。因此，如果你在空中安装一根电缆，它的传输功率可能是地下电缆的两倍。
设计电缆时必须考虑多种物理现象，包括：
- 传热，原因是，设计电缆时考虑了最高工作温度
- 电磁，特别是焦耳热
- CFD，原因是，对流（自然和强制）是主要的冷却现象
多物理场仿真对电缆设计的好处
为了解释电缆的耦合性能，Charmetant 和他的团队使用仿真“作为对标准的补充”。他指出，COMSOL Multiphysics® 软件帮助他们用更少的近似解决复杂的物理问题。“它可以缩短产品上市时间，降低新电缆和新配件的开发成本，”Charmetant 说。此外，建模可实现成本优化和更安全的电缆安装，并有助于防止过热。其他好处还包括多物理场仿真的多功能性，并且能够通过仿真 App 将复杂的设计方法带给更广泛的受众。
Charmetant 接着讨论了 Nexans 使用建模来改进电缆及其配件开发过程的两种方式：简化这些设备设计的虚拟样机技术，以及有助于使电缆安装更具成本效益的动态分析。
电缆和配件的虚拟样机技术
通过虚拟样机技术，Nexans 公司能够缩短研发项目的上市时间。举例来说，Charmetant 分享了他的团队如何使用仿真来设计标准的海底电缆插头。为了确保最高工作温度符合材料的寿命，他们解决了强耦合（和非线性）热磁问题。由此产生的仿真使得团队能够将温度分布可视化，从而帮助他们发现潜在的过热问题。通过在设计过程的早期发现这个问题，工程技术人员无需创建一个“制造和测试成本高昂”的原型，而是直接进入重新设计阶段。
视频中：Adrien Charmetant 讨论了在海底电缆插头设计中使用仿真来检测过热问题。
Charmetant 讨论的另一个例子是使用三个电缆托架安装电缆的影响。通过考虑损耗以及对流和辐射传热，以确保电缆能够正常运行并达到预期寿命。在计算了托盘的相互加热之后，Charmetant 注意到最低的托盘使得空气垂直运动的同时也升高了空气的温度。这些现象的最终结果降低了较高电缆托盘的温度，这是工程技术人员们没有预料到的。
动态电缆评级方法
Nexans 还使用仿真进行动态分析，这有助于提高电缆安装的成本效益。这个想法是从电力负载随时间变化的事实中获益，在某些情况下，热惯性有助于过滤这些负载。对于每次负载变化，变化缓慢且惯性较低的电缆会达到稳定的温度，变化快且热惯性高的电缆也是如此。然而，对于介于这两个极端之间的电缆，负载可能会发生变化，使得温度永远不会达到稳定状态。Charmetant 说，在这些情况下，动态（或瞬态）分析可能会有所帮助。
Charmetant 分享了一个真实的火车电机电缆示例，他提到，与其他计算温度的方法相比，动态电缆评级方法有多个优点，即 EN 标准和稳态仿真。动态分析从热惯性中获益更多。因此，电缆的尺寸、重量和成本都“大幅降低”。
视频中：Adrien Charmetant 讨论了在 COMSOL Multiphysics 中使用动态电缆评级方法的好处。
Nexans 使用仿真来改进电缆和电缆配件的开发和安装过程，这有助于节省时间和金钱。要了解有关如何使用多物理场建模的更多信息，请观看本文顶部的主题演讲视频。
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