[发明专利]基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法

权利要求书

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H_flux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h_c与热流密度H_flux的关系如式(5)所示，式中(T_w-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H_avg,i(1,2,…,5)代入H_flux，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h_c,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；

H_flux＝h_c(T_w-T₀) (5)

步骤六、改变模型内壁面(开关柜外壳)T_w，根据步骤二～步骤五计算不同外壳-环境温差(T_w-T₀)下的对流换热系数h_c；根据所得数据，采用最小二乘线性回归或多项式拟合得到h_c有关外壳-环境温差(T_w-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H_sum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h_c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；

式中：ε为开关柜外壳发射率，σ_b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T_w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；

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，c_p为流体比热容，k为流体热导率，k为热导率,β为转化比例,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H_flux通过式(3)得到：

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：

式中：H_avg,i表示第i个壁面的平均热流，H_flux,k，A_k分别表示对应壁面上第k个单元的热流密度与面积。