[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

说明书

本发明公开了基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，首先，根据开关柜高压室工作环境，建立高压室三维几何模型，结合质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程，采用有限体积法求解上述模型的流速场与温度场；然后，按照面积加权平均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并折算为对流换热系数；接着，采用不同开关柜外壳温度T_w对各壁面对流换热系数进行计算，获得对流换热系数与外壳‑环境温差的关系，并得到拟合式。最后结合斯特藩‑玻尔兹曼定律，确定外部对流与热辐射作用下外壳总辐射热流密度与外壳温度的关系，即获得了开关柜外壳热边界条件，用于开关柜内部温度‑流体场计算。

技术领域

本发明涉及电气设备温度场数值计算领域，尤其涉及一种基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法。

背景技术

随着数值计算理论与计算能力的提高，温度-流体场计算已经成为电气设备温度场计算的重要手段，能够为设备的热设计及过热故障分析提供数据支撑，可以有效节省设计成本并缩短研发周期。可靠的数值计算结果与准确的计算参数密不可分，其中一个较为重要的参数为开关柜外壳处的热力学边界条件，其反映了开关柜外部环境对开关柜温度场与流速场的作用，主要包括环境对流与热辐射引起的热交换。

描述开关柜外壳与环境的热交换的关键参数是对流换热系数，目前对于该参数的确定方法主要采用经验公式进行计算或由计算人员根据经验确定一个固定值，然而上述确定方法经验公式是针对典型平板、圆柱对流散热总结得到，应用于开关柜时不可避免会产生误差，此外公式中涉及的努谢尔数、瑞利数、近壁面温差均不是能够直接获取的计算参数，因此实用性不强，从而导致数值计算结果的准确性难以保证，无法为设备的设计、运维提供精确的数据参考。

因此，如何准确地确定对流换热系数以及外壳的热力学边界条件是开关柜温度-流体场计算过程中重要的环节，目前仍缺乏相关的方法参考。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明基于开关柜外部流场计算，提出了基于外部流场计算的开关柜外壳热边界条件确定方法，为开关柜温度-流体场计算时外壳热边界条件的选取提供可靠的数据参考。

本发明采用如下的技术方案：

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、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。

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，如式(3)所示。

步骤四、按照面积加权平均计算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，如式(4)所示。