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Hi,

der Aufbau meines Problems ist etwas komplexer und ich habe einen Stromfluss an den Rändern des Problemgebiets festgestellt, den ich mir nicht erklären kann. Deshalb habe ich ein sehr einfaches Ersatzmodell erstellt um dem Ursprung auf den Grund zu gehen. Das Ganze mache ich mit dem System Ansys Electric aus der Studentenversion 19.0.

Ich habe einen quaderförmigen Leiter mit einem quadratischen Querschnitt erstellt. Seine Länge ist im Verhältnis zum Querschnitt sehr groß. An den beiden quadratischen Enden habe ich dann 10V respektive 0V angelegt. Als Material habe ich aus der Bibliothek einfach den Baustahl verwendet. Dadurch ist der Widerstand natürlich gering und es kommt zu einem großen Stromfluss durch den Leiter von 2,9x10^9 A/m². Dieser ist, wie ich es auch erwartet habe, über den gesamten Querschnitt und die gesamte Länge des Leiters konstant. Mein eigentliches Interesse gilt an der Stelle aber den nicht mit Spannungen belegten Außenflächen des Leiters. Eine Analyse der Ergebnisse zeigt einen Stromfluss senkrecht zur Längsrichtung des Leiters zwischen -0,01 und 0,1 A/m². Ich habe zu den Ergebnissen ein Bild angehängt. Da diese senkrecht fließenden Ströme im Verhältnis sehr klein sind, könnte ich mir als Ursache die numerische Lösung vorstellen. Kann das jemand bestätigen?

Ich habe probiert, die von mir erwartete Lösung zu erzwingen, indem ich als Randbedingung an den 4 Außenflächen 0A angelegt habe. Das gibt mir allerdings nur den Fehler aus, dass ich eine ungültige Definition für benachbarte Gebiete gemacht habe. Wieso das der Fall ist kann ich mir auch nicht erklären. 10V/0V an den Enden und kein Stromfluss senkrecht dazu sollte doch keine ungültige Definition sein. Es seid denn, die 0A Randbedingung bedeutet nicht, dass der Stromfluss senkrecht durch die Fläche 0A ist, sondern dass jeglicher Stromfluss in der Fläche 0A ist. Dann wäre natürlich kein Stromfluss in Richtung des angelegten Potentials möglich. Kann mir jemand eine Möglichkeit nennen, wie ich als Randbedingung den Stromfluss senkrecht durch eine Fläche gleich 0 setze?

Vielen Dank für eure Ideen im Voraus!!

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Wie  ist denn die Umgebung des Leiters definiert und wozu?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Ich habe außer dem Material des Leiters und den genannten Randbedingungen nichts definiert. Zu der Umgebung des Leiters kann ich also gar nichts sagen. Sie ist sozusagen undefiniert. Bzw. gehört sie nicht zum Problemgebiet und sollte somit für die Verarbeitung irrelevant sein, oder?

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Die Umgebung ist doch scheinbar auch vernetzt und gehört damit zum Berechnungsgebiet. Wenn das Luft ist, müssen die Elemente auch die Eigenschaft von Luft erhalten.
Oder nicht mitvernetzen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

[Diese Nachricht wurde von wosch am 19. Sep. 2018 editiert.]

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Das ganze vernetzte Gebiet, welches im oberen Bild blau dargestellt ist, ist der Leiter. Der Leiter ist quaderförmig.

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Also die zweite Frage konnte ich mir inzwischen selbst erklären. Bei der Randbedingung, die ich definiert habe, handelt es sich um eine Last. Ich leite über diese Definition also keinen Strom zusätzlich in das Problem ein. Damit definiere ich also keine Isolation. Wie ich das definieren könnte, habe ich allerdings nicht herausgefunden. Hat da jemand eine Idee?

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Es gibt zwei Möglichkeiten der Vorgabe:
Entweder die Potentialvorgabe an zwei Flächen. (Damit wird die Stromdichte also auch der Strom berechnet.)
Oder Potentialvorgabe an einer Fläche und Kopplung der Knoten einer zweiten (gegenüberliegenden) Fläche und Stromeinspeisung an dieser Fläche. (Damit ergibt sich durch die Berechnung das Potential der zweiten Fläche.)
(Beides gleichzeitig vorgeben zu wollen wäre überbestimmt.)

Bei der hier angedachten Geometrie muss die elektrische Feldstärke und die Stromdichte überall gleich sein. Wenn das nicht der Fall sein sollte, sind die Randbedingungen nicht korrekt. (z.B. nicht die gesamte Stirnfläche mit Potential belegt.)

Kontrolle der Lösungen mit Darstellung des Potentials, der elektrischen Feldstärke und der Stromdichte, letztere auch als Vektor.
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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

[Diese Nachricht wurde von wosch am 20. Sep. 2018 editiert.]

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Vernetzung.png Spannungslasten.png Potentialverteilung.png

Also ich habe meine Vorgehensweise nicht besonders anschaulich dargestellt und probiere das ganze jetzt nochmal besser.
Alle Bilder haben die selbe Ausrichtung, was über das Koordinatensystem überprüfbar ist. Auf dem ersten Bild ist das gesamte vernetzte Gebiet dargestellt. Es handelt sich um einen Körper, der komplett aus einem Material besteht und als mein Leiter fungiert. Außer diesem Körper gehört nichts weiteres zum Problemgebiet. Auf dem zweiten Bild ist die Fläche zu erkennen, die ich mit 10V belegt habe. Auf dem nächsten Bild ist die gegenüberliegende Fläche mit dem Pfeil markiert, welche ich komplett mit 0V belegt habe. Es sind also an beiden Enden des Stabs/Leiters die gesamten Flächen mit den Spannungen belegt und es besteht somit ein konstantes Potential zwischen diesen Flächen.
Der im folgenden Bild dargestellte Potentialverlauf, den ANSYS ausgibt, passt auch dazu und wirft keine Fragen auf. Selbiges gilt sowohl für die gesamte elektrische Feldstärke als auch für den gesamten Stromfluss. Diese sind in den folgenden zwei Bildern dargestellt. Auch der Stromfluss entlang des y-Vektors entspricht dem gesamten Stromfluss und damit entsprechen bis hierhin alle Ergebnisse den Erwartungen. Der Stromfluss entlang des x- und des z-Vektors sollte nun meinen Erwartungen nach an allen Stellen des Körpers gleich 0A sein. Es liegt in diese Richtung kein Potential am Körper an. Auf den folgenden beiden Bildern ist jetzt aber mein Problem dargestellt. Es gibt Stromflüsse senkrecht zu der angelegten Spannung durch den Leiter. Diese sind im Verhältnis sehr klein. Dennoch machen sie analytisch für mich keinen Sinn und die Frage ist ob sie aus der numerischen Rechnung resultieren.
Was ich im Folgenden probiert habe, habe ich auch nochmal mit einem Bild versucht zu verdeutlichen. Wie gesagt verstehe ich die Stromflüsse quer durch den Leiter nicht und habe probiert diese zu unterdrücken. Dazu habe ich die großen länglichen Flächen (eine der vier ist auf dem letzten Bild markiert) probiert mit einer Randbedingung von 0A zu belegen um einen Stromfluss quer im Leiter zu unterbinden. Wie ich bereits festgestellt habe, gebe ich mit dieser Bedingung lediglich eine Last und keine Zwangsbedingung vor. Somit wäre diese Vorgabe, selbst wenn ANSYS sie aktzeptieren würde an dem Problem vermutlich nichts geändert. Allerdings akzeptiert ANSYS die Vorgabe sowieso nicht. Wieso ist mir ein Rätsel, aber da die Lösung mir nicht weiterhilft nicht akut. Die Frage ist für mich eher ob es möglich ist, einen Stromfluss per Zwangsbedingung zu unterdrücken und sozusagen die vier Flächen zu isolieren.

Schöne Grüße

Edit: Es ist mir nur möglich 3 Bilder zu einem Beitrag hinzuzufügen. Deshalb folgen die anderen Bilder entsprechend der im Text genannten Reihenfolge in den nächsten Beiträgen.

[Diese Nachricht wurde von Srieder am 21. Sep. 2018 editiert.]

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elektrischeFeldstarke.png gesamterStromfluss.png Stromflussentlangy-Vektor.png

gesamte elektrische Feldstärke

gesamter Stromfluss

Stromfluss entlang des y-Vektors

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Stromflussentlangx-Vektor.png Stromflussentlangz-Vektor.png Ideemit0A.png

Stromfluss entlang des x-Vektors

Stromfluss entlang des z-Vektors

Bild mit einer der vier Flächen, welche ich isolieren möchte, markiert

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Zwischen beiden Stromdichten liegt der Faktor 1e10!
Wie kann man sich so etwas vorstellen?
Man beziehe die Stromdichte in Längsrichtung auf den Erddurchmesser. Wie lang ist dann der Vektor in x-Richtung?

Die Ursache wird am Algoritmus liegen.
Man bringe sich mal das Problem der Differenzbildung von Gleitkommazahlen mit nur sehr geringem Unterschied in Erinnerung.
Will man die Ursache wirklich ergründen, muss man Netzdichte und Abmessungen variieren und die Abhängigkeiten erfassen.
Als Ingenieur kann ich sehr gut damit leben.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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