110kV油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法及系統與流程

2023-12-01 06:39:11 1

本發明涉及油浸式變壓器技術領域，尤其涉及一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法及系統。

背景技術：

現代經濟的迅速發展對電力的需求日趨上升，作為電力系統的最重要的部分之一，電力變壓器的發展也面臨諸多挑戰。從全球電力行業的發展趨勢來看，高容量、超高容量變壓器是一個主要的發展方向，超高壓/特高壓輸電在中國已有試運行線路。在新的發展階段，傳統設計手段已經無法應對電力變壓器設計中的挑戰，需求引入新的技術手段以改進設計流程。

目前，現有技術中對於高容量大型變壓器中繞組的受力情況大多數為基於對變壓器短路時的電磁場所產生的電磁力進行的分析，很少同時考慮到變壓器內部的油流湧動等特性，無法從多物理場角度對大型變壓器內部短路時的實際環境進行模擬還原，無法獲取大型變壓器內部的真實短路環境，從而缺乏有效的對變壓器壽命及運行情況的掌握。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法及系統，解決了現有技術中對於高容量大型變壓器中繞組的受力情況大多數為基於對變壓器短路時的電磁場所產生的電磁力進行的分析，很少同時考慮到變壓器內部的油流湧動等特性，無法從多物理場角度對大型變壓器內部短路時的實際環境進行模擬還原，無法獲取大型變壓器內部的真實短路環境，從而缺乏有效的對變壓器壽命及運行情況的掌握的技術問題。

本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法包括：

對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；

對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；

對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分；

植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；

通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況。

可選地，對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型包括：

對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，保留變壓器的繞組各餅層之間的窄小孔隙，並將變壓器的翅片簡化成連同的油流通道，獲得110kv油浸式變壓器分析模型。

可選地，對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分包括：

對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件通過採用從面網格，到邊界層網格，再到體網格的網格劃分策略進行壁面換熱邊界層網格劃分。

可選地，體網格包括附面層網格和四面體網格。

可選地，udf編寫程序具體包括：

讀入電磁力數據並驗證；

線性插值求解瞬時作用力；

求解瞬時加速度；

求解瞬時速度；

加載到運動剛體。

可選地，植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度之後還包括：

對udf編寫程序進行調試，測試udf編寫程序的算法的正確度以及110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動區域網格變形合理度。

本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬系統，包括：

模型處理模塊，用於對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；

第一網格劃分模塊，用於對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；

第二網格劃分模塊，用於對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分；

程序植入模塊，用於植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；

計算分析模塊，用於通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況。

可選地，模型處理模塊包括：

模型處理單元，用於對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，保留變壓器的繞組各餅層之間的窄小孔隙，並將變壓器的翅片簡化成連同的油流通道，獲得110kv油浸式變壓器分析模型。

可選地，第二網格劃分模塊包括：

網格劃分單元，用於對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件通過採用從面網格，到邊界層網格，再到體網格的網格劃分策略進行壁面換熱邊界層網格劃分。

可選地，還包括：

程序調試模塊，用於對udf編寫程序進行調試，測試udf編寫程序的算法的正確度以及110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動區域網格變形合理度。

從以上技術方案可以看出，本發明實施例具有以下優點：

本發明實施例提供了一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法及系統，包括：對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分；植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況，本發明實施例中通過建立110kv油浸式變壓器的分析模型，並對模型內部在短路情況下的電磁場、結構、流體等多物理場進行數值模擬後，獲取到在多物理場影響下通過電磁和流體耦合，再現大型變壓器在短路情況下的內部的油流湧動特性，解決了現有技術中對於高容量大型變壓器中繞組的受力情況大多數為基於對變壓器短路時的電磁場所產生的電磁力進行的分析，很少同時考慮到變壓器內部的油流湧動等特性，無法從多物理場角度對大型變壓器內部短路時的實際環境進行模擬還原，無法獲取大型變壓器內部的真實短路環境，從而缺乏有效的對變壓器壽命及運行情況的掌握的技術問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法的一個實施例的流程示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法的另一個實施例的流程示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬系統的結構示意圖。

具體實施方式

本發明實施例提供了一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法及系統，用於解決了現有技術中對於高容量大型變壓器中繞組的受力情況大多數為基於對變壓器短路時的電磁場所產生的電磁力進行的分析，很少同時考慮到變壓器內部的油流湧動等特性，無法從多物理場角度對大型變壓器內部短路時的實際環境進行模擬還原，無法獲取大型變壓器內部的真實短路環境，從而缺乏有效的對變壓器壽命及運行情況的掌握的技術問題。

為使得本發明的發明目的、特徵、優點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而非全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參閱圖1，本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法的一個實施例包括：

101、對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；

102、對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；

103、對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分；

104、植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；

105、通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況。

本發明實施例提供了一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法，包括：對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分；植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況，本發明實施例中通過建立110kv油浸式變壓器的分析模型，並對模型內部在短路情況下的電磁場、結構、流體等多物理場進行數值模擬後，獲取到在多物理場影響下通過電磁和流體耦合，再現大型變壓器在短路情況下的內部的油流湧動特性，解決了現有技術中對於高容量大型變壓器中繞組的受力情況大多數為基於對變壓器短路時的電磁場所產生的電磁力進行的分析，很少同時考慮到變壓器內部的油流湧動等特性，無法從多物理場角度對大型變壓器內部短路時的實際環境進行模擬還原，無法獲取大型變壓器內部的真實短路環境，從而缺乏有效的對變壓器壽命及運行情況的掌握的技術問題。

請參閱圖2，本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法的另一個實施例包括：

201、對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，保留變壓器的繞組各餅層之間的窄小孔隙，並將變壓器的翅片簡化成連同的油流通道，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；

首先，對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理。變壓器幾何處理，將會除去變壓器裡面的線路，加強板筋，以及固定的設施部件，只保留分析中關注的主要部件，如鐵芯、繞組、油枕等。其中重點考慮繞組，繞組幾何全部保留，並且為了真實短路引起的繞組動態破壞，著重保留繞組各餅層之間的窄小孔隙。本次模擬考慮繞組餅之間的微小間隙，假如再考慮繁多的翅片，本次模擬將會有龐大的網格目，這樣會直接導致本次模擬很難開展，因此將翅片簡化成連同的油流通道，以簡化分析模型，從而也大大減少網格的數目。

202、對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；

然後，對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上。

203、對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件通過採用從面網格，到邊界層網格，再到體網格的網格劃分策略進行壁面換熱邊界層網格劃分；

其次，在模擬中，壁面換熱邊界層非常重要，這是影響計算結果準確性的決定因素之一。尤其換熱管(翅片處)，箱體壁面需要有相應的換熱邊界層網格。因此對變壓器除去繞組的其他部件，因此確定採用從面網格，邊界層網格，到體網格的網格劃分策略。

針對壁面規則程度和壁面換熱的主次性，面網格劃分將採用兩種方法：patchdependent方法和autoblock方法。對於一般不規則面，或者次要換熱面，採用patchdependent方法劃分；對於規則面，或者主要換熱面，採用autoblock方法精確劃分。autoblock方法能很好控制網格從橫比和精確撲捉幾何曲率(幾何倒角等)，同時又能保證沿主流動方向和主換熱方向上的網格正交性，這正是沿換熱管等內壁網格劃分的關鍵技術點。保證沿重力方向(軸向方向)網格正交性，和沿內外筒面法向(徑向方向)的網格正交性。

體網格分兩種類型網格：附面層網格和四面體。首先，基於面網格生長附面層網格，因為在主換熱區面網格具有正交性(autoblock方法劃分)，以此為基礎將生成正交性的附面層網格，最後整體生成四面體網格。

此網格劃分策略的優點是：1，劃分簡單，生成快速，並且生成的網格質量高；2，能精準地控制換熱壁面附面層網格的首層高度，和附面層網格的增長趨勢，增長厚度，既能滿足溫度邊界層對邊界層網格的要求，又能滿足流動邊界層對邊界層網格的要求，這也是模擬結果準確性的又一決定因素；3，能精確捕捉大曲率等復發幾何特徵；4，易流程化，模塊化，並且由於變壓器主要結構部件基本一致，所以該網格劃分策略易於移植到類似的物理模型上。

204、植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；

然後，植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度。其中，udf編寫程序具體包括：

讀入電磁力數據並驗證；

線性插值求解瞬時作用力；

求解瞬時加速度；

求解瞬時速度；

加載到運動剛體。

另外，繞組在冷卻油高速運動過程中受到冷卻油阻力作用，阻力大小與繞組運動速度有關，採用compute_force_and_moment求解該阻力。

205、對udf編寫程序進行調試，測試udf編寫程序的算法的正確度以及110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動區域網格變形合理度；

在植入udf編寫程序之後，需要對udf編寫程序進行調試，測試udf編寫程序的算法的正確度以及110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動區域網格變形合理度。測試的目的主要為：1、測試udf算法是否正確，因為模型比較大，需要採用並行計算。在並行計算中，udf編寫需要慎用疊加語句。因為在並行計算中，每個運動區域都會分區計算，所以在每個分割的單區域在同一時間內速度需要保持一致。因此在每個分隔區域內疊加語句需要保持同一疊加次數，才能保證速度一致，否則各並行分割區域速度不一致，繞組運動將會出現混亂和錯位，計算就會終止；2、測試運動區域網格變形合理，因為繞組受力在某一時間段內是連續的，那麼速度要是隨之變化的，所以在此過程中，不同速度下對網格的變形是有相應的要求的，測試的目的就是保證繞組整個運動時間內，網格生長和消亡都能順利進行。網格生長和消亡能否順利進行是決定整個瞬態油流湧動仿真是否順利進行。

206、通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況。

最後，在ansys電力變壓器分析仿真中通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況。

以上為對本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬方法的另一個實施例的詳細描述，以下將對本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬系統進行詳細描述。

請參閱圖3，本發明實施例提供的一種110kv油浸式變壓器結構、流體多物理場數值模擬系統包括：

模型處理模塊301，用於對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，獲得110kv油浸式變壓器分析模型；模型處理模塊301包括：

模型處理單元3011，用於對110kv油浸式變壓器進行變壓器幾何模型處理，保留變壓器的繞組各餅層之間的窄小孔隙，並將變壓器的翅片簡化成連同的油流通道，獲得110kv油浸式變壓器分析模型。

第一網格劃分模塊302，用於對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組進行全六面體網格劃分，並對繞組的每一餅剖分出block，並關聯到相關面上和線上；

第二網格劃分模塊303，用於對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件進行壁面換熱邊界層網格劃分；第二網格劃分模塊303包括：

網格劃分單元3031，用於對110kv油浸式變壓器分析模型的繞組外的部件通過採用從面網格，到邊界層網格，再到體網格的網格劃分策略進行壁面換熱邊界層網格劃分。

程序植入模塊304，用於植入udf編寫程序，將短路過程中110kv油浸式變壓器分析模型的各繞組受到的電磁力轉化為繞組的運動速度；

程序調試模塊305，用於對udf編寫程序進行調試，測試udf編寫程序的算法的正確度以及110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動區域網格變形合理度。

計算分析模塊306，用於通過壓力耦合算法結合110kv油浸式變壓器分析模型的繞組的運動速度和受力情況計算分析110kv油浸式變壓器分析模型的瞬態油流湧動情況。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。