基于FLUENT强迫油循环导向结构变压器温度场三维仿真计算

基于FLUENT强迫油循环导向结构变压器温度场三维仿真计

算

摘要本文根据强迫油循环导向结构变压器特点，建立三维模型，采用ansys icem 对模型进行前处理，建立三维数值计算模型；并采用fluent软件求解变压器油流场及温度场分布。

关键词强迫油循环导向；变压器；三维模型；ansys icem；fluent 中图分类号tp3，tm41 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）87-0185-02

0 引言

变压器作为机车车辆关键部件之一，对机车车辆的安全可靠运行起着至关重要的作用。然而，变压器的热问题是变压器设计、制造和安全可靠运行的关键问题。变压器温升超标，会加快绝缘材料及变压器油的老化速度，缩短使用寿命。同时变压器温升过高，保护系统可能引起机车车辆停车，造成时间延误。

现阶段的变压器流体仿真多采用二维模型简化计算[1-3]，不考虑可能影响流动和传热的绝缘材料，计算结果可用于分析对比，但很难满足工程上全面精确计算的要求并准确找出热点。本文根据强迫油循环导向结构机车变压器特点，建立三维模型，采用ansys icem 对模型进行前处理，建立三维数值计算模型。使用fluent对强迫油循环导向结构变压器的内部油的流动性能，多油流量分布，油温分布，线圈的稳态温度场分布进行分析。三维模型的仿真计算，可全面具体并较准确的得出变压器的油流场及温度场分布，对预测变

压器的过负荷能力及对变压器冷却油路设计提供了可靠的理论依据。为提高变压器性能、延长使用寿命、合理提高变压器的输出容量、保证安全可靠运行提供了必要的参考。

1 三维模型建立与简化

变压器的温度场计算，属于流-固共轭换热分析。建立三维模型时，包含线圈、铁心、油箱、夹件等部件，也包含绝缘筒、撑条、挡油板等绝缘材料。因此需要在保证计算精度的前提下对模型进行合理简化，控制仿真分析的计算规模。简化对象的选取是依据具体结构对温度场计算的影响程度来决定的。主要进行如下简化：1）整个变压器进行半模型对称处理；2）撑条、绝缘筒、垫片、线圈光滑连接，去除小角度缝隙；3）去除小半径倒角、删除紧固件。三维模型如图1所示。

2 网格划分

2.1 划分方法

三维模型仿真计算可以得到较全面和准确的结果，但增加了前处理网格的划分的难度。本次模型的分块是按其规则程度来分块，并将线圈分为不同的子块来分别进行划分。线圈内部采用六面体网格，外部采用四面体网格，并充分利用线圈及内部绝缘材料的周期特性。

用icem cfd中的block方法切分出其中一个周期的块，在定义好各个分块名称和网格节点分布后，采用旋转复制方法，得到整个线圈周期内的block结构，然后修正关联关系，得到线圈部分的六

面体网格。

2.2 交界面设置

在选择交界面时，要充分考虑网格划分的便利性和经济性。在划分交界面时，应综合考虑两侧区域的物相，如果交界面两侧的任一边是固体，则需要在交界面上设置温度耦合（coupled wall）；如果两侧均为流体，则直接粘合即可；如果交界面两侧既有固体域，又有流体域，就需要在交界面上按不同的区域分片，分别进行粘合。

本次网格划分采用分块划分，并选择绝缘筒的中面作为六面体网格分块的交界面。在线圈两端各截去一部分区域采用四面体网格划分方式，截面作为交界面。

3 边界条件

对于本次计算，变压器内为单一流体，由于计算的变压器模型只有一个入口，根据其参数可计算出入口雷诺数。

根据入口雷诺数可以判断，变压器内流动为湍流。在fluent里，可供选择的湍流模型有很多，最常用的是k-ε模型，本次计算选择realizable k-ε模型。

损耗值作为原始输入条件，在初始计算时作为均布常数值输入。以变压器入油口流速和出油口压力作为计算的边界条件。

变压器油循环冷却的同时，模型也考虑了和周围环境的空气对流效应，其中和外界空气接触的是油箱外壳，油箱外壳的对流换热系数根据经验取为7 w/m2k。并在线圈的壁面考虑绝缘材料厚度。

4 求解设置

4.1 计算精度

一般流体问题在计算时不会直接采用二阶精度，而是先采用一阶精度计算到一个初期的场。可以在确保一阶精度收敛的前提下，换用二阶格式来提高计算的精度。对于温度场的计算，首先计算流场信息，并查看流场结果，如果流场计算收敛，同时结果也比较合理时，才将温度场并入模型一起计算。

4.2 收敛准则

收敛量分别包括连续性方程，动量方程和能量方程，k湍流动能，ε湍流耗散率。对于一般问题，物理量的收敛准则在0.001即可。在实际计算过程中，可适当调低残差收敛值，以求得到精度更高的仿真结果。

5 仿真结果

计算可得出变压器入油口静压分布，从而得出变压器内部油压力损失值。内部流速及流动状态分布，如图2所示。对比设计及试验数据，可知流场分布合理。

从以上线圈域温度分布状况可以看出，由于重力作用导致流量在线圈下端流量分布较上端高，流体带走的热量也较多。随着流动的进行，流体在流动过程中不断吸收热量，流体温度随之不断变高，因此流体介质散热能力变差，线圈温度逐渐升高。试验值：顶层油温为44.5℃、线圈1温度69.9℃、线圈2温度65.2℃。仿真顶层油温为44.6℃，线圈1温度50.8℃～90.6℃、线圈2温度52.6℃～70.9℃。线圈温度值与试验值基本一致，且分布合理。

6 结论

本文根据强迫油循环导向结构变压器特点，使用fluent对变压器的内部油流场分布，油温分布，线圈稳态温度场分布进行分析。由仿真结果可知，该三维模型的分析方法合理，可全面具体并较准确的得出变压器油流场及温度场分布，该分析为变压器冷却油路设计提供了有效的热性能参考数据。由于该计算热源损耗分布采用的是平均分布的方法，为追求更高精度的温度分布结果，可考虑采用电磁场计算结果与油流场耦合计算。

参考文献

[1]谢蓉，等.强迫油循环冷却变压器内部温度场数模拟[j].电力科学与工程，2012，28（10）：47-52.

[2]井永腾，等.基于fluent油流模型的油浸式变压器绕组温升计算[j].变压器，2010，47（4）：9-12.

[3]温波，等.油浸式电力变压器绕组温度场的二维仿真分析[j].变压器，2009，46（9）：35-38.