电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状

程书灿; 赵彦普; 张军飞; 张劲弦

doi:10.7500/AEPS20220506002

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电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状

电力领域仿真计算技术与国内软件发展前景 | 更新时间：2025-06-16

- 电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状
- State of the Art of Multiphysics Simulation Technology and Software Development for Power Equipment
- 电力系统自动化 2022年46卷第10期页码：121-137
- 作者机构：
  
  1.武汉大学电气与自动化学院,湖北省武汉市 430072
  2.广州中望龙腾软件股份有限公司,广东省广州市 510632
  3.康涅狄格大学电气与计算机工程学院,斯托斯 06269,美国
- 作者简介：
  
  程书灿(1994—)，男，博士研究生，主要研究方向：电力设备多物理场数值计算。E-mail：shucanc@whu.edu.cn
  赵彦普(1982—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：工程电磁场数值方法、多物理耦合计算、高压装备优化设计以及工程有限元软件开发技术。E-mail：yanpu.zhao@whu.edu.cn
  张军飞(1983—)，男，硕士，研发总监，主要研究方向：计算机辅助工程软件几何内核、网格剖分、求解器研发。E-mail：zhangjunfei@zwcad.com
- 基金信息：
  
  电工装备可靠性与智能化国家重点实验室开放基金资助项目(EERI_KF2020008)
- DOI：10.7500/AEPS20220506002
  中图分类号：
- 收稿日期：2022-05-06，
  
  网络出版日期：2022-05-15，
  
  纸质出版日期：2022-05-25
- 稿件说明：
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程书灿,赵彦普,张军飞等.电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状[J].电力系统自动化,2022,46(10):121-137.

CHENG Shucan,ZHAO Yanpu,ZHANG Junfei,et al.State of the Art of Multiphysics Simulation Technology and Software Development for Power Equipment[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(10):121-137.
程书灿,赵彦普,张军飞等.电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状[J].电力系统自动化,2022,46(10):121-137. DOI： 10.7500/AEPS20220506002.

CHENG Shucan,ZHAO Yanpu,ZHANG Junfei,et al.State of the Art of Multiphysics Simulation Technology and Software Development for Power Equipment[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(10):121-137. DOI： 10.7500/AEPS20220506002.

摘要

电力设备在运行中受到电、磁、热、力及流体等多物理场的综合作用，多物理场耦合仿真对保证电力设备设计最优性以及运行可靠性不可或缺。在电力设备多物理场计算及软件开发时须攻克材料非线性建模、快速瞬变多空间/时间尺度问题等效方法、多场耦合作用机理及数学模型的建立、大规模微分代数方程组(DAE)的稳定高效求解等关键问题。为此，分别从材料参数等效、多场耦合计算技术、大规模跨尺度计算、DAE方程组求解等方面介绍了自主软件开发过程中应该重点关注的研究内容和算法技术。为促进基于数值仿真的数字孪生技术在电力设备领域的应用，总结分析了集成几何/仿真分析于一体的等几何分析法、模型降阶方法和基于数据驱动的多物理场仿真方法等新型技术。最后，针对国产计算机辅助工程（CAE）软件存在的问题，分析了国内外多物理场软件开发技术发展现状，并对研发国产电力设备多物理场计算软件作了展望。

Abstract

Power equipment is subject to the combined effects of multiphysics fields such as electricity

magnetism

heat

force

and fluid during the operation. Multiphysics coupling simulation is indispensable to ensure the optimal design and operation reliability of power equipment. In the multiphysics field calculation and software development for power equipment

it is necessary to overcome the key issues such as the modeling of material nonlinearity

fast transient methods with multiple space and time scales

multi-field coupling mechanism and the establishment of mathematical models

and stable and efficient solving of large-scale and differential algebraic equations (DAE). Therefore

the research subjects and algorithms that should be focused on in the process of independent software development are introduced from the aspects of material parameter equivalence

multi-field coupling calculation technology

large-scale cross-scale calculation

and DAE solution. To promote the application of digital twin technologies based on numerical simulation in the field of power equipment

new technologies such as the isogeometric analysis method integrating geometric/simulation analysis

reduced-order model method

and data-driven multiphysics simulation method are summarized and analyzed. Finally

because of the problems in the indigenous computer-aided engineering (CAE) software

the development status of the indigenous and overseas multiphysics software development technologies is analyzed

and the development of multiphysics calculation software for indigenous power equipment has been prospected.

关键词

Keywords

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