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1 前言
电流流经导体时会产生热量,叫做焦耳热,使得导体温度上升,焦耳热计算公式为Q=I2R(W)。电气设备、部件经常要考虑导电温升情况,今天我们用ANSYS Workbench做一个简单的热电耦合案例。
2 模型建立
建立如下的导体模型,两段导体的长度均为50mm,截面分别为5mm×5mm和2mm×2mm。
导体的材料属性如下。
3 计算设置
在Workbench建立热电模型,如下图。
对导体的一端施加电压边界,电压值0V,对另一端施加电流边界,电流值10A;设置导体周围为对流边界,对流换热系数20W/m2℃,环境温度22℃。当导体周围的流体域也考虑进来时,对流换热系数和环境温度都是计算结果,问题变成热电流耦合问题,我们在以后的案例中进行演示。其他未设置的面为绝缘和绝热边界。
4 计算结果
导体的电压分布如下图,可以看出两端的电压为0.0248V。我们通过手算计算一下,电阻根据公式R=ρL/s计算,其中ρ为电阻率,L为导体长度,s为导体截面积。本案例两端截面不同的导体相当于串联,因此可以很容易求得两端的电阻为0.002465Ω。于是,两端的电压根据U=IR计算得0.02465V,与模拟值相差0.6%。
电流密度分布如下图,由于总电流I=10A,因此电流密度为总电流除以截面积,截面积小对应的电流密度大。
焦耳热分布如下图,公式Q=I2R可求得发热功率,除以导体的体积即为体积热流密度。
温度分布如下,可以看出截面积小的导体,由于体积热流密度更大,热量集中,其温度相对更高。
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