一種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法
2023-10-18 05:00:14
一種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，包括以下步驟：從櫃面布置圖獲取風電主控櫃體的材料屬性及其內部的斷路器及繼電器的參數；對斷路器及繼電器進行初始的幾何建模得三維模型；將三維模型進行有限元網格劃分，得有限元網格模型；獲取加熱器及風扇的設計參數；建立風電主控櫃體及內部流體的三維模型；進行流體力學網格劃分得到流場網格模型；對流場網格模型進行約束；確定流場內流體的物理參數；對流場網格模型的溫度場和流場進行計算得到流場分析結果；判斷風電主控櫃體的流場分析結果是否符合行業標準，如果符合，則結束，如果不符合，則對設計方案進行優化。本發明無需製造出實體模型就能夠得到精確的計算結果。
【專利說明】—種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，屬於風電控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著不可再生能源在世界範圍面臨枯竭的窘境，為了滿足工業化生產和人類生活的需要，人們對太陽能、風力發電等可再生能源的關注和利用日益提升。其中風力發電是一種已經發展比較成熟的能源開發技術。風力發電主控系統是風力發電系統的核心部件，所以如何合理設計風力發電主控系統成了風力發電系統開發過程中的重點之一。
[0003]風力發電主控系統通常包括風電主控系統櫃體、位於櫃體內的斷路器、繼電器等部件、控制器等。在風電主控系統的開發過程中，風電主控櫃體的散熱系統設計是其設計過程中的一個重要環節。現有的散熱系統的熱管理分析及優化主要通過理論研究和實驗研究兩種途徑來實現。
[0004]通過對現有技術研究， 申請人:發現現有技術存在以下問題:
[0005]對於理論研究來說，通過普通的計算只適用於線性和簡單的幾何問題，且受限於解析方法求解能力，無法得到精確的計算結果。
[0006]實驗研究雖然能夠得到精確的計算結果，但前提是需要製造出實體模型，耗費較高、耗時較長，並且靈活性較差。
【發明內容】
[0007]針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種無需製造出實體模型就能夠得到精確計算結果的基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法。
[0008]為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現:
[0009]本發明包括以下幾個步驟:
[0010]步驟SlOl:從櫃面布置圖獲取風電主控櫃體的材料屬性及其內部的斷路器及繼電器的參數；
[0011]步驟S102:根據步驟SlOl獲取的參數，利用3D建模軟體對斷路器及繼電器進行初始的幾何建模，得到風電主控櫃體的三維模型；
[0012]步驟S103:首先，利用有限元前處理軟體將步驟S102的三維模型進行有限元網格劃分，並將有限元網格模型的參數與風電主控櫃體內部的斷路器及繼電器的參數相匹配，得到風電主控櫃體的有限元網格模型；
[0013]步驟S104:對所述有限元網格模型進行溫度場分析，得到所述風電主控櫃體的溫度場分析結果；
[0014]步驟S201:獲取所述風電主控櫃體和風電主控櫃體內部的加熱器及風扇的設計參數；
[0015]步驟S202:根據步驟S201獲取的設計參數，利用3D建模軟體建立風電主控櫃體及內部流體的三維模型；
[0016]步驟S203:將所述步驟S202得到的三維模型導入到計算流體力學軟體中進行流體力學網格劃分，得到所述內部流體的流場網格模型；
[0017]步驟S301:將風電主控櫃體的溫度場分析結果作為邊界條件，對流場網格模型進打約束；
[0018]步驟S302:確定流場內流體的物理參數，以使得實驗條件與模擬的環境相同； [0019]步驟S303:利用流體力學計算軟體對流場網格模型的溫度場和流場進行計算，得到風電主控櫃體的流場分析結果；
[0020]步驟S304:判斷所述風電主控櫃體的流場分析結果是否符合行業標準，如果不符合，則進入步驟S305 ;如果符合，則結束；
[0021]步驟S305:對步驟S304中風電主控櫃體的設計方案進行優化，包括重新設計風電主控櫃體、加熱器及風扇的設計參數，並且根據優化後的設計方案返回步驟S201重新計
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[0022]步驟SlOl中，所述參數包括斷路器及繼電器的幾何尺寸、熱力學屬性、初始溫度和工作時的生熱率。
[0023]步驟S201中，所述風電主控櫃體的設計參數包括風電主控櫃體的幾何尺寸、風道的位置及數目設計以及風道的尺寸；
[0024]所述加熱器及風扇的設計參數包括設計位置及尺寸。
[0025]步驟步驟S302中，所述物理參數包括流體的介質材料、流速以及流入溫度。
[0026]步驟S303中，所述流場分析結果為溫度場和流場雲圖。
[0027]上述步驟S304的判斷方法為:
[0028]通過所述溫度場和流場雲圖計算風電主控櫃體內斷路器及繼電器的溫差大小，並將計算得到的溫差大小與行業標準值進行對比，當計算得到的溫差大小在行業標準的範圍內，則符合行業標準；當計算得到的溫差大小超出了行業標準的範圍，則不符合行業標準。
[0029]本發明與理論研究相比，該方法可以更多的面向非線性和複雜結構外形的問題，由於採用離散的數值方法和模擬實驗方法，可以不受數學解析能力的限制，從而具有更大的適應性和求解能力；與實驗研究相比，該方法無需製造出實體模型，分析過程經濟、迅速，並且具有更大的自由度和靈活性，可以突破實驗上物質條件的限制而獲得精確的計算結果O
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合【具體實施方式】，進一步闡述本發明。
[0032]圖1為本申請實施例提供的一種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法的流程圖。
[0033]如圖1所示，該方法包括以下步驟:[0034]步驟SlOl:獲取所述櫃體的材料屬性及內部的斷路器及繼電器的參數；
[0035]所述步驟SlOl中，參數包括:斷路器、繼電器等部件的幾何尺寸、熱力學屬性、初始溫度、斷路器和繼電器等部件工作時的生熱率。
[0036]步驟S102:建立風電主控櫃體內部的三維模型。
[0037]根據步驟SlOl中獲取的風電主控櫃體內部的斷路器、繼電器等部件的參數，利用3D建模軟體對風電主控櫃體內各部件進行初始的幾何建模，得到風電主控櫃體的三維模型。
[0038]步驟S103:首先利用有限元前處理軟體將所述步驟S102的三維模型進行有限元網格劃分，並將有限元網格模型的參數與風電主控櫃體內部的斷路器及繼電器的參數相匹配，得到風電主控櫃體的有限元網格模型(與前面的有限元網格模型是同一模型，因為如果網格的結構參數，如網格的大小與斷路器等的結構參數不相匹配，可能會導致有限元網格模型出現計算不收斂的情況)。
[0039]步驟S103:對風電主控櫃體的三維模型進行有限元網格劃分，並將有限元網格模型的參數與風電主控櫃體內部的斷路器、繼電器等部件的參數相匹配，得到風電主控櫃體的有限元網格模型。
[0040]首先利用有限元前處理軟體將風電主控櫃體的三維模型劃分成有限元網格，並且將有限元網格模型的參數與風電主控櫃體內部的斷路器、繼電器等部件的參數相匹配，即根據步驟SlOl中獲取的風電主控櫃體內部的斷路器、繼電器等部件的參數，對風電主控櫃體的有限元網格中的網格進行邊界條件和初始條件約束，其中包括:熱力學屬性、初始溫度、斷路器、繼電器等部件工作時的生熱率以及櫃體的材料屬性，最後得到風電主控櫃體的有限元網格模型。
[0041]步驟S104:對所述有限元網格模型進行溫度場分析，得到所述風電主控櫃體的溫度場分析結果；
[0042]溫度場分析具體方法為:將得到的有限元網格模型導入到溫度場分析求解器中進行求解，得到風電主控櫃體的溫度場結果及溫度分布雲圖
[0043]步驟S201:獲取所述風電主控櫃體和風電主控櫃體內部的加熱器及風扇的設計參數；
[0044]所述風電主控櫃體的設計參數包括風電主控櫃體的幾何尺寸、風道的位置及數目設計以及風道的尺寸，所述加熱器及風扇的設計參數包括設計位置及尺寸。
[0045]步驟S202:根據步驟S201獲取的參數，利用3D建模軟體建立風電主控櫃體及內部流體的三維模型。
[0046]步驟S203:對櫃體及內部流體的三維模型進行流體力學網格劃分，得到風電主控櫃體及內部流體的網格模型。
[0047]將步驟S202中得到的櫃體及內部流體的三維模型導入到計算流體力學軟體中進行流體力學劃分，得到櫃體內部流體的網格模型。
[0048]步驟S301:將所述櫃體內各部件的溫度場分析結果作為約束條件，對所述櫃體內的流體網格模型中櫃體內各部件進行約束。櫃體內的溫度場分析結果就是指S104中風電主控櫃體的溫度場分析結果，因為風電主控櫃體的溫度場包括櫃體內的溫度場分析結果。
[0049]該步驟通過溫度-流體耦合的方式，將所述櫃體內各部件的溫度場分析結果和所述櫃體內的流體網格模型進行耦合，即將所述櫃體內各部件的溫度場分析結果作為邊界條件對流場網格模型進行約束。
[0050]步驟S302:確定流場內流體的物理參數。
[0051]確定流體的物理參數，包括確認流體的介質材料、流速以及流入溫度，以使得實驗條件與模擬的環境相同。
[0052]步驟S303:對約束後的所述櫃體內流體的網格模型進行流體力學計算，得到所述櫃體的流場分析結果。
[0053]確定流體的物理參數後，利用流體力學計算軟體來對耦合後的風電主控櫃體內流體的網格模型的溫度場和流場進行計算，得到風電主控櫃體的流場分析結果，風電主控櫃體的溫度場和流場雲圖。
[0054]步驟S304:判斷所述櫃體的流場分析結果是否符合預設條件，如果否，進入步驟S305;如果是，則結束。
[0055]得到風電主控櫃體的溫度場和流場雲圖後，通過風電主控櫃體的溫度場和流場雲圖計算該櫃體中各部件的溫差大小，並將得到的溫差大小與預設條件進行對比，這裡所說的預設條件一般為通用的行業標準。
[0056]當計算得到的溫差大小在行業標準的範圍內，即該通風系統設計合理，結束步驟；而當計算的溫差大小超出了行業標準的範圍，則該設計方案存在問題。
[0057]步驟S305:優化所述櫃體的設計方案，並根據優化後的所述櫃體的設計方案中的設計參數重新進行步驟S201。
[0058]對步驟S304中的櫃體設計方案進行優化，包括重新設計風道位置、改變風口個數或位置，並且根據優化後的設計方案中櫃體的設計參數，返回步驟S201重新計算。
[0059]本實施例中，採用Pro/E軟體建立所述櫃體內各部件的三維模型和所述櫃體及櫃體內的流體的三維模型。
[0060]採用有限元軟體ANSYS對櫃體內各部件的三維模型進行有限元網格劃分，並對所述櫃體內各部件的有限元網格模型進行溫度場分析。
[0061]採用有限元軟體ANSYS對櫃體內流體的三維模型進行流體力學網格劃分，並對約束後的所述櫃體內流體的網格模型進行流體力學計算。
[0062]採用ANSYS軟體將櫃體內各部件的溫度場分析結果作為約束條件，對所述櫃體內流體的網格模型中櫃體內各部件進行約束。
[0063]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟: 步驟SlOl:從櫃面布置圖獲取風電主控櫃體的材料屬性及其內部的斷路器及繼電器的參數； 步驟S102:根據步驟SlOl獲取的參數，利用3D建模軟體對斷路器及繼電器進行初始的幾何建模，得到風電主控櫃體的三維模型； 步驟S103:首先，利用有限元前處理軟體將步驟S102的三維模型進行有限元網格劃分，並將有限元網格模型的參數與風電主控櫃體內部的斷路器及繼電器的參數相匹配，得到風電主控櫃體的有限元網格模型； 步驟S104:對所述有限元網格模型進行溫度場分析，得到所述風電主控櫃體的溫度場分析結果； 步驟S201:獲取所述風電主控櫃體和風電主控櫃體內部的加熱器及風扇的設計參數；步驟S202:根據步驟S201獲取的設計參數，利用3D建模軟體建立風電主控櫃體及內部流體的三維模型； 步驟S203:將所述步驟S202得到的三維模型導入到計算流體力學軟體中進行流體力學網格劃分，得到所述 內部流體的流場網格模型； 步驟S301:將風電主控櫃體的溫度場分析結果作為邊界條件，對流場網格模型進行約束； 步驟S302:確定流場內流體的物理參數，以使得實驗條件與模擬的環境相同； 步驟S303:利用流體力學計算軟體對流場網格模型的溫度場和流場進行計算，得到風電主控櫃體的流場分析結果； 步驟S304:判斷所述風電主控櫃體的流場分析結果是否符合行業標準，如果不符合，則進入步驟S305 ;如果符合，則結束； 步驟S305:對步驟S304中風電主控櫃體的設計方案進行優化，包括重新設計風電主控櫃體、加熱器及風扇的設計參數，並且根據優化後的設計方案返回步驟S201重新計算。
2.根據權利要求1所述的基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，其特徵在於， 步驟SlOl中，所述參數包括斷路器及繼電器的幾何尺寸、熱力學屬性、初始溫度和工作時的生熱率。
3.根據權利要求2所述的基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，其特徵在於， 步驟S201中，所述風電主控櫃體的設計參數包括風電主控櫃體的幾何尺寸、風道的位置及數目設計以及風道的尺寸； 所述加熱器及風扇的設計參數包括設計位置及尺寸。
4.根據權利要求3所述的基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，其特徵在於， 步驟步驟S302中，所述物理參數包括流體的介質材料、流速以及流入溫度。
5.根據權利要求4所述的基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，其特徵在於，步驟S303中，所述流場分析結果為溫度場和流場雲圖。
6.根據權利要求5所述的基於有限元法的風電主控櫃體熱管理分析及優化方法，其特徵在於， 所述步驟S304的判斷方法為: 通過所述溫度場和流場雲圖計算風電主控櫃體內斷路器及繼電器的溫差大小，並將計算得到的溫差大小與行業標準值進行對比，當計算得到的溫差大小在行業標準的範圍內，則符合行業標準；當 計算得到的溫差大小超出了行業標準的範圍，則不符合行業標準。
【文檔編號】G06F17/50GK103699744SQ201310727372
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】謝李丹, 沙玉婷, 吳宏, 師毓佳, 劉海濤 申請人:國電南京自動化股份有限公司