Comsol埋地电缆电磁热耦合模拟_Comsol_复合材料_电力_电子_新能源

Comsol埋地电缆电磁热耦合模拟

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T05V 2PfG 2642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

Comosl经典力学建模

经典力学建模在航空航天、机械工程等领域具有重要意义，传统解析法受限于复杂几何与边界条件。Comsol基于有限元分析，集成多场模块实现结构响应精确预测。本文以斜面物体力学建模为例，求解物体的位移和力学特性。模型可作为基础物理教学案例，直观展示静力学平衡、牛顿运动定律等原理。投稿｜电子F430编辑｜小苏审核｜赵佳乐图｜由软件截图提供经典力学经典力学以牛顿运动定律为核心，研究宏观物体低速运动规律，是物理学与工程科学的基础。其理论体系涵盖静力学、动力学和运动学，通过微分方程描述力与运动的关系。在航空航天、机械设计等领域，经典力学与有限元分析（如Comsol）结合，可实现复杂结构的应力分布预测、振动特性分析及多物理场耦合仿真，为工程优化提供理论支撑。案例演示问题提出：斜面上放置一个小物体，物体以0.05m/s的速度沿x和y方向运动，斜面阻力为1N/m^2，求解物体运动10s后物体与斜面的受力分布，物体的位移分布。物理建模：斜面上方放置小物体，物体和斜面施加重力，斜面底部设置固定约束条件，物体x和y方向设置0.05m/s的速度，斜面和物体接触面设置阻力，具体几何模型和边界条件如下所示。图1.物理模型图2.边界条件网格划分：采用物理场常规网格划分模型，如下所示。图3.网格分布计算结果：物体运动10s后物体与斜面的受力分布，物体的位移分布如下所示。图4.应力分布图5.应变分布图6.位移分布来源：Comsol有限元模拟