CN112149290A - 一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，包括以下步骤：P1建立简化的除冰电缆束几何模型；P2将几何模型导入Hypermesh中并生成网格；P3在Hypermesh导出Fluent能识别的cas网格文件，导入Fluent中；P4在Fluent中定义材料属性；P5分别加载多种工况的热功率密度、边界条件，进行求解设置并求解；P6求解计算后电缆束中是否有电缆达到允许温度，若得出的结论为是，则仿真结束，除冰电缆中的电流即为除冰电缆载流量；若得出的结论为否，进入步骤P7；P7搜索并改变通过除冰电缆的电流值，重复循环执行步骤P5至步骤P6。该方法可以很好的解决除冰电缆载流量计算的工程问题，并且精确反映多种工况下除冰多芯电缆束的温度分布情况，为除冰策略的制定和除冰系统的选型提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及电力电缆技术领域，尤其是涉及一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法。
背景技术
目前为保证风力发电机在低温环境下正常运行，需加装除冰系统。除冰供电电缆主要给除冰系统中的鼓风机和加热器供电，与风机轮毂供电电缆、其他通讯电缆构成电缆束敷设于齿轮箱空心轴中心的穿线管内。除冰电缆供电电流的大小不仅影响电缆束中其他电缆的温升，还直接决定了加热器和鼓风机的功率大小，进而影响除冰系统的除冰效率。而且为使电缆温升更小，需增大电缆的截面积，因此准确计算除冰电缆的载流量，对于提高除冰电缆的使用率及供电系统的稳定性具有极其重要的意义。
除冰电缆载流量是指含除冰电缆的电缆束在满足除冰的多种工况下稳定运行的允许温度时除冰电缆中通过的最大电流。现有技术中，对于载流量的计算主要采用国际电工委员会(IEC)计算标准IEC60287。该标准的计算公式基于等效热路法，是一种简化的稳态解析算法，计算步骤繁琐，计算结果偏于保守，而且具有应用条件的局限性，只能适用于单根电缆及有限的简单排布方式的集群电缆。在除冰电缆载流量计算问题中，除了存在多回路电缆热耦合问题及复杂的排布方式和边界条件，还由于除冰系统的控制策略而具有瞬态温升问题的特征，标准IEC60287的算法已经不再适用。近二十年以来，随着计算机技术的发展，数值模拟计算方法由于可以处理复杂边界、多种负荷效应耦合等许多解析法束手无策的问题，被应用于电缆温度场的模拟计算，给工程应用带来了巨大的经济效益。
Fluent中采用的有限体积法是数值模拟计算方法中的一种，在给定多种工况的电缆束敷设条件、除冰策略、齿轮箱油温的条件下，对电缆束的温度场进行计算分析，具有很好的守恒性、计算模型贴近实际边界条件、数值计算过程易于收敛的优势，可以很好的解决除冰电缆载流量计算的工程问题。
Hypermesh作为一款专业的前处理软件，具有应用范围广，支持求解器接口多、网格划分质量高的特点，因此采用Hypermesh作为前处理软件对电缆束进行网格划分。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的计算步骤繁琐，具有应用条件的局限性，问题，提供一种对实际问题做了简化，而后基于Hypermesh生成网格文件，由电缆束的多种实际工况提取出热功率密度加载和边界条件，在有限体积法仿真软件Fluent中进行设置并仿真分析，得到电缆束温度场分布，可采用多种搜索方法进行循环迭代，获得除冰电缆在需求工作环境情况下的载流量，为除冰系统的选型设计、除冰策略的制定确定提供依据的基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，方法包括以下步骤：
P1：建立简化的除冰电缆束几何模型；
P2：将几何模型导入Hypermesh中并生成网格；
P3：在Hypermesh导出Fluent能识别的cas网格文件，导入Fluent中；
P4：在Fluent中定义材料属性；
P5：分别加载多种工况的热功率密度、边界条件，进行求解设置并求解；
P6：求解计算后电缆束中是否有电缆达到允许温度，若得出的结论为是，则仿真结束，除冰电缆中的电流即为除冰电缆载流量；若得出的结论为否，进入步骤P7；
P7：搜索并改变通过除冰电缆的电流值，重复循环执行步骤P5至步骤P6。。
作为优选，所述在Hypermesh中生成二维网格，在Fluent中进行求解器设置并求解。
作为优选，所述一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法仅考虑焦耳效应对电缆束发热的影响。
作为优选，所述在给定多种工况的电缆束敷设条件、除冰策略、齿轮箱油温的条件下对整个温度场进行瞬态分析。
作为优选，所述通过引入各个约束区域危险系数的定义，用危险系数的最大值的数值范围来判断除冰电缆中的电流值是否为载流量。
作为优选，所述步骤P7中搜索过程如下：除冰电缆电流的初始取值为I0，第一次循环取
则第n+2次循环的电流取：
因此，本发明具有如下有益效果：(1)在Hypermesh中生成网格，保证了生成的网格质量，确保仿真分析结果的精度，而且在Fluent中进行求解，数值计算过程易收敛，提高了计算效率；
(2)，对实际问题做了一定程度的简化，忽略电磁场与热辐射、电缆束缝隙中空气热对流及通信电缆发热的影响，保证精度的同时提高了计算效率；
(3)在给定多种工况的电缆束敷设条件、除冰策略、齿轮箱油温的条件下对整个温度场进行瞬态分析，分析模型接近实际边界条件，能分析该复杂的多回路电缆耦合问题，除了能得到温度在空间尺寸上的分布情况，还可以形成观察点温度场随时间变化曲线，直观地观察分析电缆束中各个电缆的温度情况，反应出除冰电缆载流量对整个电缆束温升状态的影响；
(4)通过引入各个约束区域危险系数的定义，用危险系数的最大值的数值范围来判断除冰电缆中的电流值是否为载流量，判据简单直观，判断方便；
(5)通过较少的循环迭代次数就能确定除冰电缆的载流量，为除冰电缆系统的选型、除冰策略的制定确定提供依据。
附图说明
图1是本发明的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法的流程步骤图
图2是本发明的一种除冰多芯电缆束的结构示意图
图3是本发明的一种除冰多芯电缆束网格划分示意图
图4是本发明的一种工况3除冰多芯电缆束各个温度约束区域随时间变化曲线
图5是本发明的一种工况3时间为5小时时除冰多芯电缆束温度分布情况
图6是本发明的一种工况3时间为7小时时除冰多芯电缆束温度分布情况
图7是本发明的一种危险系数最大值随循环次数的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法；参照图2，图2和图3展示了本实施例的模型示意图，包含电缆束、穿线管(序2)、齿轮箱空心轴(序1)、空气(序6)，其中齿轮箱空心轴外壁周围为润滑油。电缆束由轮毂电缆(序4)、除冰电缆(序3)、通讯电缆(序5)组成，敷设在穿线管(序2)中。轮毂电缆(序4)包含3根供电线和1根接地线，规格为3*35mm2+1*16mm2，线芯间用无纺布填充；除冰电缆(序3)包含3根供电线、1根地线、1根零线，规格为3*16mm2+2*10mm2，线芯间用无纺布填充；通讯电缆(序5)数量为9根。由于各电缆的绝缘层材料不尽相同，所允许的最高温度也不尽相同。
电缆束实际敷设时各电缆可能相互接触，除冰电缆工作时应满足以下两个条件：
Ⅰ电缆束中各电缆导体最高温度不大于该电缆的允许温度；
Ⅱ电缆外表皮最高温度不大于允许温度中的最小值。
通过本发明的方法计算得到同时满足以上两个条件的除冰电缆电流的最大值即为载流量。
图1是所示的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，具体包括以下流程步骤：
P1建立简化的除冰多芯电缆束几何模型；
该实施例中，所述步骤P1具体为：
根据除冰多芯电缆束的实际尺寸构建简化的几何模型(如图1所示)，其中由于通讯电缆(序5)中电流很小，忽略其发热对电缆束温升的影响，而通讯电缆绝缘层材料为聚乙烯，因此将通讯电缆简化为整体聚乙烯模型；
P2将几何模型导入Hypermesh中并生成网格；
该实施例中，所述步骤P2具体为：
将几何模型导入Hypermesh中，使用Hypermesh中的automesh模块对各区域划分面网格，网格划分结果见图3；
P3导出cas格式文件，导入Fluent；
该实施例中，所述步骤P3具体为：
P31整理网格区域，具体为：将除冰电缆导体、绝缘层、护套，轮毂电缆导体、绝缘层、护套，通讯电缆，无纺布填充层，穿线管，空心轴，空气分别建立component，命名方式为solid-区域名(区域名采用英文字母命名)，利用organize功能将对应网格分别移入其中；P32建立外壁面边界，具体为：利用edges功能，建立整个网格区域的外边界，将其重命名为wall；
P33导出cas格式文件，导入Fluent，具体为：只显示需要导出的网格区域，导出cas格式文件，导入Fluent中。
P4在Fluent中定义材料属性；
该实施例中，所述步骤P4具体为：
对于各个区域，分别赋予如下表中的材料参数：
表1材料参数表
在该实施例中忽略空气流动对电缆束温升的影响，所有区域均设置为Solid属性。
P5分别加载多种工况的热功率密度、边界条件，进行求解设置并求解；
该实施例中，所述步骤P5具体为：
P51列出所需要研究的工况。在本实施例中，轮毂电缆中最高稳定工作电流为40A。除冰系统初步给定最高运行功率为89.6KW，运行电压为690V，得到工作电流为75A；除冰策略为每次除冰系统持续运行时间2小时。结合风机可能出现的运行工作状态列出下表工况：
表2计算工况列表
P52热功率密度计算和加载。不考虑趋肤效应、邻近效应、介质损耗等影响因素，仅考虑焦耳效应的电缆热功率密度计算公式如下：
Q＝I2R20(1+α20(θC-20))/S
其中Q为热功率密度(单位为W/m3)，I为导体中的电流(单位为A)，R20为20℃时导体的直流电阻(单位为Ω/m，可直接引用标准《GB/T 3956-2008电缆的导体》中的规定值)，α20为20℃时导体的温度系数(单位为1/K，可参考标准《J/BT 10181.11-2014电缆载流量计算第11部分：载流量公式(100％负荷因数)和损耗计算一般规定》中的取值)，θC为导体的温度(单位为℃，本实施例中取90℃)，S为工作电缆导体的横截面积(单位为m2)。
通过计算，本实施例中各工况下电缆供电时相应的热功率密度按下表取值
表3各工况下电缆热功率密度汇总表
| 工况编号m | 轮毂电缆热功率密度 | 除冰电缆热功率密度 |
| 1 | 0 | 66882.4W/m<sup>3</sup> |
| 2 | 0 | 66882.4W/m<sup>3</sup> |
| 3 | 104108.8W/m<sup>3</sup> | 前5小时为0，后2小时为66882.4W/m<sup>3</sup> |
P53边界条件设置。由于齿轮箱中轮滑油与空心轴外壁面的对流换热系数较大，认为在表2工况下，中心轴外表面温度维持不变，故将步骤P32中的壁面边界wall的温度值设置为对应工况中齿轮箱的油温。
P54进行求解设置并求解。包含以下步骤：
在General模块中利用Scale功能，将模型尺度单位换算为m，在Units中将temperature单位设置为c；
在General模块中将Steady稳态求解切换为Transient瞬态求解；
在Models模块中激活Energy功能；
在Solution中的Control模块中，关闭equations中的flow选项；
在Monitors中的Residual模块中，将能量的残差值设置为10-16；
结合表2工况设置初始温度(Temperature)、时间步长(Time Step Size(s))、时间步(Number of Time Steps)如下表；
表4各工况下初始温度、时间步长、时间步汇总表
单击Calculate求解计算。
以工况3的计算结果为例，图4是本发明实施例的工况3除冰多芯电缆束各个温度约束区域(约束区域见步骤P6)随时间变化曲线；图5是本发明实施例的工况3时间为5小时时除冰多芯电缆束温度分布情况；图6是本发明实施例的工况3时间为7小时时除冰多芯电缆束温度分布情况。时间为7小时的结果中，除冰电缆护套外壁、轮毂电缆护套外壁、通讯电缆护套外壁本发明计算结果和试验测得结果分别为85.2℃、84.3℃、78.5℃和83℃、82.5℃、74.8℃，两者相差不大，误差在4℃以内，可见本发明的计算结果是可靠的。
P6求解计算后电缆束中是否有电缆达到允许温度，若得出的结论为是，则仿真结束，除冰电缆中的电流即为除冰电缆载流量；若得出的结论为否，进入步骤P7；
所述步骤P6具体为：
结合电缆束的实际敷设和电缆的接触状态，将各种电缆绝缘层的允许最高温度的限制分配到具体的区域，并将该温升约束区域依次编号。设初始时刻各种温升限制部位最高温度为θmsi，本循环的除冰电缆电流为In，温升约束区域的温度为θmni(下角标m表示第m个工况，s表示初始时刻，n表示第n个循环，i表示第i个约束区域，m、i为正整数1、2、3…，n为自然数0、1、2、3…(0表示初始循环))，相应的约束区域允许温度为θpi，定义第m个工况第n个循环第i个约束区域的危险系数
第n个循环时所有工况所有约束区域中的危险系数最大值为maxγn，则可通过以下条件：
0.98≤maxγn≤1
判断本循环中电缆束中是否有电缆达到允许温度，若得出的结论为是，则仿真结束，除冰电缆中的电流即为除冰电缆载流量；若得出的结论为否，则进入步骤P7；
本实施例中，各种电缆的材料和允许温度罗列于下表：
表5各电缆最高允许温度汇总表
| 电缆类型 | 绝缘层材料 | 最高允许温度(℃) |
| 除冰电缆 | 硅橡胶 | 150 |
| 轮毂电缆 | 乙丙橡胶 | 90 |
| 通讯电缆 | 聚乙烯 | 90 |
由于电缆可能互相接触，将上表允许最高温度的限制分配到具体的温度约束区域后得到相应区域的最高允许θpi温度如下表：
表6各约束区域允许温度汇总表
| 温度约束区域 | 编号i | 允许温度θ<sub>pi</sub>(℃) |
| 除冰电缆导体 | 1 | 150 |
| 除冰电缆护套外壁 | 2 | 90 |
| 轮毂电缆导体 | 3 | 90 |
| 轮毂电缆护套外壁 | 4 | 90 |
| 通讯电缆护套外壁 | 5 | 90 |
以初始循环的计算结果为例，各约束区域的危险系数如下表：
表7初始循环各约束区域危险系数汇总表
初始循环危险系数最大值得0.83，出现在工况3中区域3中。
P7搜索并改变通过除冰电缆的电流值，重复循环执行步骤P5至步骤P6。
所述步骤P7的目标为搜索到尽可能接近除冰电缆载流量的电流值，电流取值搜索方法具有多样性，这里列举三种：增量搜索法、比例搜索法和递推搜索法，多种方法可配合使用(如第n步循环采用增量搜索法，第n+1步循环采用比例搜索法，第n+2步循环采用递推搜索法)。
参考步骤P6中的数学符号含义，根据第n个循环中已知物理量可得所有工况所有约束区域中的危险系数最大值为maxγn，最有可能达到允许温度的区域为危险系数取得maxγn的区域，令其编号为b，工况编号为q，即有γqnb＝maxγn。以下对该步骤中列举的三种方法分别进行详细说明：
7a增量搜索法：若第n次循环maxγn＞1，则第n+1次循环的电流为In+1＝In-ΔIn，若第n次循环maxγn＜1，则第n+1次循环的电流为In+1＝In+ΔIn，其中第n步循环的电流差值ΔIn为一较小的电流增量，其数值为正，实际应用中可灵活取值。
7b比例搜索法：下一循环的电流取
7c递推搜索法：除冰电缆电流的初始取值为I0，第一次循环取
则第n+2次循环的电流取：
图7给出的三种搜索方法的危险系数最大值随循环次数的变化曲线，其中增量搜索法ΔIn＝2A。图中作出了两条平行于x轴的直线，其表示的危险系数分别为0.98和1.0，当循环过程中的最大危险系数落于两条直线间时，满足0.98≤maxγn≤1的条件，此时除冰电缆中的电流值即为除冰电缆载流量。由图7曲线可知，增量搜索法、比例搜索法、递推搜索法的循环次数分布为6、4、2。在本实施例中递推搜索法效率最高。
虽然经过对本发明结合具体实施进行描述，对于在本技术领域熟悉的人士，根据上文的叙述做出的替代、修改与变化将是显而易见的。因此，在这样的替代、修改与变化落入本发明的权利要求的精神和范围内时，应是被包括在本发明中的。
Claims (6)
1.一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，其特征是方法包括以下步骤：
P1：建立简化的除冰电缆束几何模型；
P2：将几何模型导入Hypermesh中并生成网格；
P3：在Hypermesh导出Fluent能识别的cas网格文件，导入Fluent中；
P4：在Fluent中定义材料属性；
P5：分别加载多种工况的热功率密度、边界条件，进行求解设置并求解；
P6：求解计算后电缆束中是否有电缆达到允许温度，若得出的结论为是，则仿真结束，除冰电缆中的电流即为除冰电缆载流量；若得出的结论为否，进入步骤P7；
P7：搜索并改变通过除冰电缆的电流值，重复循环执行步骤P5至步骤P6。
2.根据权利要求1所述的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，其特征是在Hypermesh中生成二维网格，在Fluent中进行求解器设置并求解。
3.根据权利要求1所述的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，其特征是仅考虑焦耳效应对电缆束发热的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，其特征是在给定多种工况的电缆束敷设条件、除冰策略、齿轮箱油温的条件下对整个温度场进行瞬态分析。
5.根据权利要求1所述的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，其特征是通过引入各个约束区域危险系数的定义，用危险系数的最大值的数值范围来判断除冰电缆中的电流值是否为载流量。
6.根据权利要求1所述的一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法，其特征是步骤P7中搜索过程如下：除冰电缆电流的初始取值为I0，第一次循环取
则第n+2次循环的电流取：
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| CN202010953606.2A Pending CN112149290A (zh) | 2020-09-11 | 2020-09-11 | 一种基于Hypermesh和Fluent联合仿真的除冰电缆载流量计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112149290A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2569431A1 (es) * | 2015-12-29 | 2016-05-10 | Universidad De Cantabria | Metodología para el cálculo y predicción de la ampacidad en líneas eléctricas aéreas, según la elección de los emplazamientos críticos |
| CN106295063A (zh) * | 2016-08-24 | 2017-01-04 | 大连都市发展设计有限公司 | 建筑物节点等效面传热系数计算方法 |
| CN107169216A (zh) * | 2017-05-24 | 2017-09-15 | 上海电力设计院有限公司 | 基于有限元的电缆载流量计算方法 |
| CN111177956A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-05-19 | 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 | 一种考虑土壤热湿耦合的直埋电缆载流量有限元计算方法 |
| CN111539148A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-08-14 | 西南石油大学 | 一种海底脐带缆导体载流量评估的方法 |
-
2020
- 2020-09-11 CN CN202010953606.2A patent/CN112149290A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2569431A1 (es) * | 2015-12-29 | 2016-05-10 | Universidad De Cantabria | Metodología para el cálculo y predicción de la ampacidad en líneas eléctricas aéreas, según la elección de los emplazamientos críticos |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 朱帆;赵又群;: "Hypermesh和GAMBIT在CFD应用中的优势对比研究", 机械科学与技术, no. 09 * |
| 王有元;陈仁刚;陈伟根;杜林;袁园;: "基于有限元法的XLPE电缆载流量计算及其影响因素分析", 重庆大学学报, no. 05 * |
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