[发明专利]一种变压器绕组温升计算的体网耦合分析法

权利要求书

1.一种适用于变压器绕组温升计算的体网耦合分析法，其特征在于：该方法包含的步骤如下：

步骤1、通过流体网络理论将变压器冷却系统分割成多个子冷却系统，子冷却系统包括：进油系统、导油系统、泄油系统、绕组油流系统、出油系统、冷却系统；

步骤2、基于有限体积理论对各个子系统的特性进行仿真计算，通过计算分析得到各个子系统油路的油流特性，并确定变压器冷却系统动力源的工作点；

步骤3、基于流体网络理论建立变压器流体域的数值分析模型，由步骤2确定的变压器冷却系统动力源工作点，逆向求解出绕组区域温升计算的边界条件，包括油流速度、油温度；

步骤4、基于多场和流—固耦合方法，建立变压器绕组区域温升三维计算模型，分析研究变压器绕组区域温升。

2.根据权利要求1所述的一种适用于变压器绕组温升计算的体网耦合分析法，其特征在于：所述第一步中网络划分如下：将各个子系统串、并联构成了变压器整体冷却系统，各绕组的冷却系统并联构成了绕组区域冷却系统；

若干个子冷却系统流阻串联在一起，各个流阻中的流量相等，即：

Q₁＝Q₂＝…＝Q_n＝Q (1)

总压降为：

h_w＝h_w1+h_w2+…+h_wn (2)

当若干个子系统流阻并联时，总流量为各个流阻中流量之和：

Q＝Q₁+Q₂+…+Q_n (3)

总压降为：

h_w＝h_w1＝h_w2＝…＝h_wn (4)

由方程(1)～(4)可以知，变压器整体冷却系统的总压降h_w可由各个子系统的压降混联求出，变压器整体冷却系统的总流量Q可由各个子系统的流量混联求出。

3.据权利要求1所述的一种适用于变压器绕组温升计算的体网耦合分析法，其特征在于：所述第二步仿真计算步骤是：采用紊流两方程模型求解变压器油流动特性及传热的问题，控制方程组包括质量、动量和能量的守恒方程、k方程和ε方程以及紊流粘度的定义方程；从所有方程的结构上来分析，所有的方程都可以通过以下通用的矢量形式来表示，即通用的控制方程式为：

∂(ρφ)∂t+▿·(ρUφ)=▿·(Γφ▿φ)+Sφ---(5)]]>

其展开形式为：

∂(ρφ)∂t+∂∂x(ρuφ)+∂∂y(ρvφ)+∂∂z(ρwφ)=∂∂x(Γφ∂φ∂x)+∂∂y(Γφ∂φ∂y)+∂∂z(Γφ∂φ∂z)+Sφ---(6)]]>

其中，φ为通用变量，Γ_φ为广义扩散系数，S_φ为广义源项；

由于变压器各子系统流体流动为三维、稳态、无源项的对流—扩散问题，因此，假定速度场为u，得出关于广义未知量φ的运输方程：

∂∂x(ρuφ)+∂∂y(ρvφ)+∂∂z(ρwφ)=∂∂x(Γφ∂φ∂x)+∂∂y(Γφ∂φ∂y)+∂∂z(Γφ∂φ∂z)---(7)]]>

由方程(5)～(7)可以求得各个子系统油路的油流特性，同时结合方程(1)～(4)可以确定变压器冷却系统动力源的工作点。

4.据权利要求1所述的一种适用于变压器绕组温升计算的体网耦合分析法，其特征在于：所述第四步建立变压器绕组区域温升三维计算模型的方法是：

在流体域中，热传递是通过能量输运方程来控制的，以流体比焓h及温度T为变量的能量守恒方程为：

∂(ρh)∂t+∂(ρuh)∂x+∂(ρvh)∂y+∂(ρwh)∂z=▿·(λ·▿T)-p·▿U+Φ+Sh---(8)]]>

其中，λ是流体导热系数，S_h为流体的内热源，Φ为由于粘性作用机械能转化为热能的部分，为耗散函数；

Φ=μ{2[(∂u∂x)2+(∂v∂y)2+(∂w∂z)2]+(∂u∂y+∂v∂x)2+(∂u∂z+∂w∂x)2+(∂v∂z+∂w∂y)2}+λ(▿·U)2---(9)]]>

当与壁面相邻的控制体积的节点满足y⁺＞11.63时，流动处于对数律层，此时的速度u可借助下式求得：

u+=1kln(Ey+)---(10)]]>

当与壁面相邻的控制体积的节点满足y⁺＜11.63时，控制体积内流动处于粘性底层，此时的速度u可借助下式求得：

u⁺＝y⁺ (11)

能量方程以温度T为求解未知量，为了建立计算网格点上的温度与壁面上的物理量之间的关系，定义新的参数T⁺如下：

T+=(Tw-Tp)ρcpCμ1/4kp1/2qw---(12)]]>

其中，T_p是与壁面相邻的控制体积的节点p处的温度，T_w是壁面的温度，ρ是流体的密度，c_p是流体的比热容，q_w是壁面上的热流密度；

壁面函数法通过下式将计算网格节点上的温度T与壁面上的物理量相联系：

T+=Prt[1kln(Ey+)+P]---(13)]]> 2

P=9.24[(PrPrt)3/4-1](1+0.28e-0.007Pr/Prt)---(14)]]>

其中，Pr是分子Prandtl数，k是流体的热传导系数，Pr_t是湍动Prandtl数(壁面上)；

在壁面上湍动能k的边界条件为：

∂k∂n=0---(15)]]>

其中，n是垂直于壁面的局部坐标；

ε可按下式计算：

ϵ=Cμ3/4kp3/2kΔyp---(16)]]>

由方程(7)～(16)联立求解，即可求得绕组区域温度场。