[发明专利]一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法

权利要求书

1.一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1建立包含变压器外围空气包的三维模型，在有限元分析软件中对模型中各部件材料属性进行设置：确定变压器铁芯、绕组、内部结构件以及油箱的尺寸参数，建立包含变压器铁芯、绕组、内部结构件、油箱以及变压器外围空气包的三维仿真分析模型，根据各部分结构实际材料参数对三维仿真分析模型各部件材料属性进行设置；

S2采用四面体和六面体相配合的网格对三维仿真分析模型进行剖分：采用四面体对复杂结构进行剖分，采用六面体网格对规则结构进行剖分，获取四面体和六面体相配合的变压器整体剖分网格；

所述复杂结构至少包括变压器外壳、内部金属结构件；所述规则结构至少包括变压器绕组；

S3设置绕组、铁芯和变压器内部金属结构件和金属箱体上的损耗分布，以及外界环境边界条件：结合变压器的空载损耗和负载损耗获得变压器额定条件下的总损耗，结合变压器高低压绕组匝数、直流电阻和额定电流，确定变压器绕组上的损耗分布，同时利用额定条件下的变压器电磁场计算，获得变压器内部金属结构件和箱体上的漏磁分布，得到涡流密度J，变压器内部金属结构件和箱体上的涡流损耗P_e通过下式计算：

式中：J为涡流密度，v为划分的网格体积，σ为电导率；在变压器外界环境空气包外层加载环境温度作为边界条件；

S4采用有限体积法进行变压器温度流体场仿真计算，得到变压器温度场分布和变压器外壳热流分布：结合建立的包含变压器外围空气包的三维仿真分析模型，采用有限体积法对变压器温度流体场进行仿真计算，温度流体场控制方程通过以下三式表示，分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程：

式中，f为流体体积力，q为流体的体积热源，ρ为流体密度，v为流体流速，p为流体压力，μ为流体的动力粘度，e为流体内能，k为流体导热系数，S油粘性与流体内部热源共同作用下流体机械能转换为热能的部分；

求解结束后，在后处理中可获得变压器温度场分布和变压器外壳热流分布；

S5结合变压器外壳温度和外界环境温度以及获取的变压器外壳的热流分布，计算得到变压器外壳等效对流换热系数：基于变压器温度流体场求解模型获得变压器外壳温度分布以及变压器外壳箱体上的热流分布后，结合环境温度，计算得到变压器外壳等效对流换热系数，等效对流换热系数h具体计算方法如下式：

q＝h·(T_w-T_a)

式中：q为变压器外壳箱体上的热流，T_w为变压器外壳温度，T_a为变压器外界环境温度。

2.如权利要求1所述的一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法，其特征在于：所述步骤S1中三维模型包括铁芯、绕组、内部结构件、油箱以及变压器外围空气；

所述步骤S1中：在建立变压器的几何模型时，将高、低压侧的绕组都采用圆筒式绕组代替，并作以下假设：绕组内部热源发热均匀；

所述各部件的材料属性包括：变压器铁芯、绕组、内部结构件、油箱以及变压器外围空气材料的密度、比热容、粘度、热导率，材料属性设置时考虑温度对材料参数的影响。

3.如权利要求1所述的一种变压器多物理场计算中外壳对流换热系数确定方法，其特征在于：

所述步骤S5中，结合变压器温度流体场仿真结果计算变压器外壳对流换热系数时，首先提取变压器外壳与外界空气层相交界的单元，提取单元上的温度与热流分布，进而获得本单元的对流换热系数，最终将外壳上选中的交界面上的单元进行综合，获得对应面上的等效对流换热系数。