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专利号: 2019110166951
申请人: 西安工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-10-21
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1:建立平板硅橡胶表面水珠运动计算的几何模型并对所需的各几何域材料及属性进行选取;

步骤2:在步骤1对平板硅橡胶表面水珠运动的计算几何模型及几何域材料属性进行选取的基础上添加电场与流体场并设置边界参数,再对电-流体多物理场耦合条件进行配置;

步骤3:划分网格,判断是否收敛,保证计算的收敛性。

2.根据权利要求1所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法,其特征在于,步骤1具体按照以下步骤实施:步骤1.1:平板硅橡胶表面水珠运动计算的几何模型为二维模型,此二维模型中包含的复合硅橡胶绝缘子材料的几何形状选取规则的平板模型,此二维模型中包含的水珠与硅橡胶绝缘子平板模型的接触角为120°;

步骤1.2:所需的各几何域材料具体为水珠材料、空气材料及硅橡胶绝缘子材料,对各几何域材料及属性选取如下:(1)水珠材料的属性分别选取:相对介电常数、电导率、动力粘度、密度,记为ε1、γ1、μ1、ρ1;

(2)空气材料的属性分别选取:相对介电常数、电导率、动力粘度、密度,记为ε2、γ2、μ2、ρ2;

(3)硅橡胶绝缘子材料的属性分别选取:相对介电常数、电导率,记为ε3、γ3。

3.根据权利要求1所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法,其特征在于,步骤2具体按照以下步骤实施:步骤2.1:首先,添加的电场选择恒定电流场并建立恒定电流场电位的拉普拉斯方程,恒定电流场的计算域包括整个几何域;其次,给出场域边界条件和两种不同导电媒质分界面上的衔接条件;最后,把场域边界条件和两种不同导电媒质分界面的衔接条件代入恒定电流场电位的拉普拉斯方程即能对电场问题进行解决;

步骤2.2:添加的流体场选择层流两相流带相场计算模型,流体场的计算域包括除硅橡胶绝缘子定义域之外的所有几何域,关于流体场问题的求解,首先建立描述流体运动的Navier-Stokes方程也即流体运动方程,然后采用层流两相流中相场理论方法对流体界面进行跟踪从而求解计算流体运动方程,从而解决流体场问题;

步骤2.3:多物理场的耦合

在步骤2.1和步骤2.2分别建立的电-流体两个物理场建立的基础上,需要指定两种物理场的耦合方式,具体方法如下:首先,根据步骤2.2中流体运动方程中的附加电场力项,对于两相流界面需要指定附加电场力,附加电场力使用Maxwell应力张量方程,其描述为:F=▽·T;其中:E=-▽V,D=ε0εrE,其中T为Maxwell应力张量,E为电场强度,D为电通量密度;通过对流体运动方程指定附加Maxwell应力张量附加项,即可完成电场与流体场的耦合;

最后,再对电-流体多物理场耦合条件进行配置,具体为:

平板硅橡胶表面水珠运动计算的几何模型根据上述的耦合条件得到应力张量各分量的表达式为: Txy=Tyx=ε0εrExEy,其中相对介电常数εr通过气液两种介质各自内部定义的体积分数Vf1和Vf2进行定义:εr=ε1Vf1+ε2Vf2。

4.根据权利要求3所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法,其特征在于,步骤2.1中,首先,恒定电流场界面建立的电位拉普拉斯方程为: 其中 为电位函数,▽为拉普拉斯算子;

其次,对电场需要设置的场域边界条件包括电势、接地与电绝缘条件,也即给定场域边界面上各点的电位值 从而求解第一类边值问题;

另外,在两种不同导电媒质分界面上的衔接条件为:由电位函数 表示,其中γ表示电导率,下标1和2分别表示两种不同的介质。

5.根据权利要求3所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法,其特征在于,步骤2.2中,首先,根据Navier-Stokes方程建立的流体运动方程为:▽·u=0,其中u表示速度,单位:

m/s;ρ表示密度,单位:kg/m3;μ动态粘度,单位:Pas;p表示压力,单位:Pa;g为重力加速度,单位:m/s2;Fst是表面张力,单位:N/m3;F是附加电场产生的体积力,单位:N/m3;

其次,采用的层流两相流中追踪流体界面的相场理论方程为:

Ψ=-▽·ξ2▽φ+(φ2-1)φ,其相场变量 在气相介质与液相介质中分别为1、-1,由此可以自动计算出气液两相介质的密度和粘度,σ是表面张力系数,单位:N/m;ξ是一个决定流体界面厚度的数值参数,即相场变量从1到-1平滑变化的区域,χ控制界面的流动性。

6.根据权利要求1所述的一种电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法,其特征在于,步骤3中,整个区域使用自由三角形网格,三角形网格最小单元尺寸为

0.004mm,最大单元尺寸为0.28mm,划分完网格后,COMSOL软件会自动计算是否收敛,如果不收敛,则缩小三角形划分网格的尺寸直至所有变量在相对容差0.001时都能收敛,从而计算结束。