CN112134186A - 基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法 - Google Patents

基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112134186A
CN112134186A CN202011042190.5A CN202011042190A CN112134186A CN 112134186 A CN112134186 A CN 112134186A CN 202011042190 A CN202011042190 A CN 202011042190A CN 112134186 A CN112134186 A CN 112134186A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch cabinet
shell
heat
formula
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011042190.5A
Other languages
English (en)
Inventor
闫明
刘四军
库永恒
张海星
吴占
郝雁翔
王栋
韩威
吴泳聪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xuchang Power Supply Co of Henan Electric Power Co
Original Assignee
Xuchang Power Supply Co of Henan Electric Power Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xuchang Power Supply Co of Henan Electric Power Co filed Critical Xuchang Power Supply Co of Henan Electric Power Co
Priority to CN202011042190.5A priority Critical patent/CN112134186A/zh
Publication of CN112134186A publication Critical patent/CN112134186A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B—BOARDS, SUBSTATIONS OR SWITCHING ARRANGEMENTS FOR THE SUPPLY OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B1/00—Frameworks, boards, panels, desks, casings; Details of substations or switching arrangements
    • H02B1/56—Cooling; Ventilation
    • H02B1/565—Cooling; Ventilation for cabinets
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B—BOARDS, SUBSTATIONS OR SWITCHING ARRANGEMENTS FOR THE SUPPLY OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B1/00—Frameworks, boards, panels, desks, casings; Details of substations or switching arrangements
    • H02B1/26—Casings; Parts thereof or accessories therefor
    • H02B1/30—Cabinet-type casings; Parts thereof or accessories therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，首先，根据开关柜高压室工作环境，建立高压室三维几何模型，结合质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程，采用有限体积法求解上述模型的流速场与温度场；然后，按照面积加权平均分别计算开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳的平均热流密度并折算为对流换热系数；接着，采用不同开关柜外壳温度Tw对各壁面对流换热系数进行计算，获得对流换热系数与外壳‑环境温差的关系，并得到拟合式。最后结合斯特藩‑玻尔兹曼定律，确定外部对流与热辐射作用下外壳总辐射热流密度与外壳温度的关系，即获得了开关柜外壳热边界条件，用于开关柜内部温度‑流体场计算。

Description

基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法
技术领域
本发明涉及电气设备温度场数值计算领域，尤其涉及一种基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法。
背景技术
随着数值计算理论与计算能力的提高，温度-流体场计算已经成为电气设备温度场计算的重要手段，能够为设备的热设计及过热故障分析提供数据支撑，可以有效节省设计成本并缩短研发周期。可靠的数值计算结果与准确的计算参数密不可分，其中一个较为重要的参数为开关柜外壳处的热力学边界条件，其反映了开关柜外部环境对开关柜温度场与流速场的作用，主要包括环境对流与热辐射引起的热交换。
描述开关柜外壳与环境的热交换的关键参数是对流换热系数，目前对于该参数的确定方法主要采用经验公式进行计算或由计算人员根据经验确定一个固定值，然而上述确定方法经验公式是针对典型平板、圆柱对流散热总结得到，应用于开关柜时不可避免会产生误差，此外公式中涉及的努谢尔数、瑞利数、近壁面温差均不是能够直接获取的计算参数，因此实用性不强，从而导致数值计算结果的准确性难以保证，无法为设备的设计、运维提供精确的数据参考。
因此，如何准确地确定对流换热系数以及外壳的热力学边界条件是开关柜温度-流体场计算过程中重要的环节，目前仍缺乏相关的方法参考。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明基于开关柜外部流场计算，提出了基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，为开关柜温度-流体场计算时外壳热边界条件的选取提供可靠的数据参考。
本发明采用如下的技术方案：
步骤一、根据开关柜高压室几何尺寸，以开关柜外壳为内边界，高压室外墙为外边界，建立高压室三维几何模型；
步骤二、采用ICEM对几何模型进行网格剖分，形成适用于有限体积法数值求解的网格单元与节点，进一步将离散后的模型导入基于有限体积法的流体场数值求解软件CFX或Fluent，由软件根据质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程(1)按节点位置及单元形函数进行插值并构建代数方程，对代数方程进行求解最终得到开关柜外部空间中的流速、温度及压强分布。求解时，模型内壁面(开关柜外壳)给定外壳温度Tw作为热力学边界条件，模型外壁面(高压室外墙)给定环境温度T0作为热力学边界条件，如式(2)所示。
Figure BDA0002706982840000021
Figure BDA0002706982840000022
式中：ρ为气体密度，v为流速矢量，f为体积力，p为压强，μ为流体黏度，cp为流体比热容，k为流体热导率，k为热导率,β为转化比例,
Figure BDA0002706982840000025
为粘性耗散。
步骤三、根据温度场分布，提取内壁面(开关柜外壳)上各点热流密度，热流密度Hflux通过计算各点温度T的法向梯度得到，如式(3)所示。
Figure BDA0002706982840000023
步骤四、按照面积加权平均计算分别计算开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳的平均热流密度，如式(4)所示。
Figure BDA0002706982840000024
式中：Havg,i表示第i个壁面的平均热流，Hflux,k，Ak分别表示对应壁面上第k个单元的热流密度与面积。
步骤五、对流换热系数hc与热流密度Hflux的关系如式(5)所示，式中(Tw-T0)为外壳-环境温差，为已知量，分别将步骤四所得各壁面的平均热流Havg,i(1,2,…,5)代入Hflux，分别得到开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳5个壁面的对流换热系数hc,i，由于开关柜底部与地面接触，因此不计算器对流换热系数。
Hflux＝hc(Tw-T0) (5)
步骤六、改变模型内壁面(开关柜外壳)Tw，根据步骤二～步骤五计算不同外壳-环境温差(Tw-T0)下的对流换热系数hc。根据所得数据，采用最小二乘线性回归或多项式拟合得到hc有关外壳-环境温差(Tw-T0)的拟合公式。
步骤七、开关柜与外部环境的热交换包括对流换热作用与热辐射作用，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，开关柜外壳通过热辐射作用向环境释放的热流密度可以描述为式(6)。结合式(5)(6)，开关柜外壳上各点与环境的热交换的总热流密度Hsum可以表示为式(7)。式(7)即开关柜外壳的热边界条件，描述了外部对流与热辐射作用下开关柜外壳边界处法向热流密度与外壳温度的关系，其中对流换热系数hc是由步骤一到步骤六计算得到的参数，反映了开关柜自身发热与工作环境变化对外壳散热效率的影响。
Figure BDA0002706982840000031
Figure BDA0002706982840000032
式中：ε为开关柜外壳发射率，σb为黑体辐射常数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、采用数值计算代替经验公式确定开关柜外壳对流换热系数与热边界条件，提高温度-流体场计算精度；
2、考虑了实际开关柜工作环境尺寸、通风措施及外壳温度对外壳对流换热系数及热边界条件的影响，代替以往采用定值的加载方式，使温度-流体场计算结果更符合实际；
3、分别对开关柜前门、后门、左侧板、右侧板、顶部隔板提取对流换热系数，考虑了各壁面结构、朝向差异对外部对流的影响；
附图说明
图1是本发明方法的一种具体流程图。
图2是本发明方法的涉及的计算模型。
图3是开关柜各壁面对流换热系数h与外壳-环境温差Tw-T0的关系，
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明技术方案作进一步说明。
步骤一、如图2所示，根据开关柜高压室几何尺寸，以开关柜外壳为内边界，高压室外墙为外边界，建立高压室三维几何模型；模型中，两组台开关柜分别并列运行，各组并列开关柜数为5台。
步骤二、采用ICEM对几何模型进行网格剖分，形成适用于有限体积法数值求解的网格单元与节点，进一步将离散后的模型导入基于有限体积法的流体场数值求解软件CFX，由软件根据质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程(1)按节点位置及单元形函数进行插值并构建代数方程，对代数方程进行求解最终得到开关柜外部空间中的流速、温度及压强分布。求解时，模型内壁面(开关柜外壳)给定外壳温度Tw作为热力学边界条件，模型外壁面(高压室外墙)给定环境温度T0作为热力学边界条件，如式(2)所示。
Figure BDA0002706982840000041
Figure BDA0002706982840000042
式中：ρ为气体密度，v为流速矢量，f为体积力，p为压强，μ为流体黏度，cp为流体比热容，k为流体热导率，k为热导率,β为转化比例,
Figure BDA0002706982840000045
为粘性耗散。
步骤三、根据温度场分布，提取内壁面(开关柜外壳)上各点热流密度，热流密度Hflux通过计算各点温度T的法向梯度得到，如式(3)所示。
Figure BDA0002706982840000043
步骤四、按照面积加权平均计算分别计算开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳的平均热流密度，如式(4)所示。
Figure BDA0002706982840000044
式中：Havg,i表示第i个壁面的平均热流，Hflux,k，Ak分别表示对应壁面上第k个单元的热流密度与面积。
步骤五、对流换热系数hc与热流密度Hflux的关系如式(5)所示，式中(Tw-T0)为外壳-环境温差，为已知量，分别将步骤四种所得各壁面的平均热流Havg,i(1,2,…,5)代入Hflux，分别得到开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳5个壁面的对流换热系数hc,i，由于开关柜底部与地面接触，因此不计算器对流换热系数。
Hflux＝hc(Tw-T0) (5)
步骤六、改变模型内壁面(开关柜外壳)Tw，根据步骤二～步骤五计算不同外壳-环境温差(Tw-T0)下的对流换热系数hc，针对图2模型得到外壳各壁面的对流换热系数h c与外壳-环境温差(Tw-T0)下的关系如表1及图3所示。根据所得数据，采用最小二乘多项式拟合得到hc有关外壳-环境温差(Tw-T0)的拟合公式。对表1数据进行最小二乘线性回归得到前门、后门、左侧板、右侧板、顶部外壳的对流换热系数拟合式如式(6)所示。
Figure BDA0002706982840000051
式中：对流换热系数hc单位为W/(m2·℃)，外壁温度Tw与环境温度T0取单位℃代入计算。
表1对流换热系数统计结果
Figure BDA0002706982840000052
Figure BDA0002706982840000061
步骤七、开关柜与外部环境的热交换包括对流换热作用与热辐射作用，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，开关柜外壳通过热辐射作用向环境释放的热流密度可以描述为式(7)。结合式(6)(7)，开关柜外壳上各点与环境的热交换的总热流密度Hsum可以表示为式(8)。式(8)即开关柜外壳的热边界条件，描述了外部对流与热辐射作用下开关柜外壳边界处法向热流密度与外壳温度的关系，其中对流换热系数hc是由步骤一到步骤六计算得到的参数，反映了开关柜自身发热与工作环境变化对外壳散热效率的影响。
Figure BDA0002706982840000062
Figure BDA0002706982840000063
式中：ε为开关柜外壳发射率，σb为黑体辐射常数。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，包括步骤：
步骤一、根据开关柜高压室几何尺寸，以开关柜外壳为内边界，高压室外墙为外边界，建立高压室三维几何模型；
步骤二、根据1建立的模型，求解质量守恒方程、动量守恒方程、能量方程提取开关柜外壳对流换热系数，代替依赖经验与经验公式的对流换热系数选取方法；
步骤三、根据温度场分布，提取内壁面(开关柜外壳)上各点热流密度，热流密度Hflux通过计算各点温度T的法向梯度得到；
步骤四、按照面积加权平均方法分别计算开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳的平均热流密度；
步骤五、对流换热系数hc与热流密度Hflux的关系如式(5)所示，式中(Tw-T0)为外壳-环境温差，为已知量，分别将步骤四所得各壁面的平均热流Havg,i(1,2,…,5)代入Hflux，分别得到开关柜前门、后门、左侧边、右侧板及顶部外壳5个壁面的对流换热系数hc,i，由于开关柜底部与地面接触，因此不计算其对流换热系数；
Hflux＝hc(Tw-T0) (5)
步骤六、改变模型内壁面(开关柜外壳)Tw，根据步骤二～步骤五计算不同外壳-环境温差(Tw-T0)下的对流换热系数hc；根据所得数据，采用最小二乘线性回归或多项式拟合得到hc有关外壳-环境温差(Tw-T0)的拟合公式；
步骤七、开关柜与外部环境的热交换包括对流换热作用与热辐射作用，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，开关柜外壳通过热辐射作用向环境释放的热流密度可以描述为式(6)；结合式(5)(6)，开关柜外壳上各点与环境的热交换的总热流密度Hsum可以表示为式(7)；式(7)即开关柜外壳的热边界条件，描述了外部对流与热辐射作用下开关柜外壳边界处法向热流密度与外壳温度的关系，其中对流换热系数hc是由步骤一到步骤六计算得到的参数，反映了开关柜自身发热与工作环境变化对外壳散热效率的影响；
Figure FDA0002706982830000011
Figure FDA0002706982830000012
式中：ε为开关柜外壳发射率，σb为黑体辐射常数。
2.如权利要求1所述的基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，其特征在于：采用ICEM对几何模型进行网格剖分，形成适用于有限体积法数值求解的网格单元与节点，进一步将离散后的模型导入基于有限体积法的流体场数值求解软件CFX或Fluent，由软件根据质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程(1)按节点位置及单元形函数进行插值并构建代数方程，对代数方程进行求解最终得到开关柜外部空间中的流速、温度及压强分布；求解时，模型内壁面(开关柜外壳)给定外壳温度Tw作为热力学边界条件，模型外壁面(高压室外墙)给定环境温度T0作为热力学边界条件，如式(2)所示；
Figure FDA0002706982830000021
Figure FDA0002706982830000022
式中：ρ为气体密度，v为流速矢量，f为体积力，p为压强，μ为流体黏度，cp为流体比热容，k为流体热导率，k为热导率,β为转化比例,
Figure FDA0002706982830000025
为粘性耗散。
3.如权利要求1所述的基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，其特征在于：热流密度Hflux通过式(3)得到：
Figure FDA0002706982830000023
4.如权利要求1所述的基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，其特征在于：平均热流密度通过式(4)得到：
Figure FDA0002706982830000024
式中：Havg,i表示第i个壁面的平均热流，Hflux,k，Ak分别表示对应壁面上第k个单元的热流密度与面积。
CN202011042190.5A 2020-09-28 2020-09-28 基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法 Pending CN112134186A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011042190.5A CN112134186A (zh) 2020-09-28 2020-09-28 基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011042190.5A CN112134186A (zh) 2020-09-28 2020-09-28 基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112134186A true CN112134186A (zh) 2020-12-25

Family

ID=73844287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011042190.5A Pending CN112134186A (zh) 2020-09-28 2020-09-28 基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112134186A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104036125A (zh) * 2014-05-30 2014-09-10 河北省电力建设调整试验所 一种油浸式变压器内部温度场的精确计算方法
CN105373859A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 国网重庆市电力公司电力科学研究院 一种小区配电房的散热优化方法及系统
CN108388693A (zh) * 2018-01-23 2018-08-10 西安理工大学 印刷包装行业voc处理设备性能的优化方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104036125A (zh) * 2014-05-30 2014-09-10 河北省电力建设调整试验所 一种油浸式变压器内部温度场的精确计算方法
CN105373859A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 国网重庆市电力公司电力科学研究院 一种小区配电房的散热优化方法及系统
CN108388693A (zh) * 2018-01-23 2018-08-10 西安理工大学 印刷包装行业voc处理设备性能的优化方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《力学词典》编辑部: "《力学词典》", 30 June 1990, 中国大百科全书出版社 *
吴泳聪等: "开关柜温度-流体场优化计算研究", 《电机与控制学报》 *
谭平: "《建筑材料实训》", 28 February 2010, 华中科技大学出版社 *
邹广严: "《能源大辞典》", 31 January 1997, 四川科学技术出版社 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rane et al. Grid deformation strategies for CFD analysis of screw compressors
CN107169157A (zh) 一种结构传热分析有限元建模方法
CN114186437A (zh) 一种面向电源系统可靠性仿真分析的多物理场耦合退化模型降阶方法
CN104950261B (zh) 电池的硬件在环仿真测试方法及系统
CN112134186A (zh) 基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法
Zhang et al. Performance and regression analysis of air-cooled thermoelectric cooling system using response surface methodology and numerical simulation
Sakaino Local and global dimensional CFD simulations and analyses to optimize server-fin design for improved energy efficiency in data centers
CN117711503A (zh) 一种基于高精度模型的氦气定压比热容计算方法及系统
Strauss et al. Evaluation of a second order simulation for Sterling engine design and optimisation
CN109657368B (zh) 一种空调散热器的优化方法
Tian et al. A new mathematical model for multi-scale thermal management of data centers using entransy theory
Bastida et al. Effective one‐dimensional dynamic modelling of latent heat thermal energy storage units for heating applications
CN112364552B (zh) 一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法
CN112035957B (zh) 一种空空中冷器性能预测方法
CN114818377A (zh) 一种换热设备寿命损耗检测方法、装置及电子设备
Jahani et al. Evaluating the Performance of a Multi-Resolution Scheme for Modelling High Prandtl Number Fluids
CN118424035B (zh) 用于多管程绕管式换热器的高效换热控制方法
CN118246296B (zh) 一种散热器散热效率的评估方法、装置、电子设备及存储介质
Zhi-Yong et al. NUMERICAL ANALYSIS OF FLOW FIELDS IN A SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER.
Halassi Bacar et al. A predictor–corrector meshless based scheme for incompressible Navier–Stokes flows
Yue et al. Numerical analysis of flow fields in a shell and tube heat exchanger
Lei et al. Optimization design of power supply plug box heat dissipation based on Kriging surrogate of model
CN118690604A (zh) 一种基于pcm的电池热管理系统的分析方法
Zhang et al. Design and optimization of heat dissipation for a high-voltage control box in energy storage systems
Lanez et al. Modeling and Analysis of Passive Solar Trombe Wall Systems Through Computational Fluid Dynamics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201225