[发明专利]一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法

说明书

一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于，包括：步骤1，为高温超导电缆波纹管构建几何模型，并对几何模型划分网格；步骤2，利用求解器对波纹管内的液氮流动进行数值模拟，从而计算出波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据；步骤3，对不同的波纹管重复步骤1和步骤2，以获得不同的波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据，并获得不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线；步骤4，基于不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线，获得波纹管不同因素对液氮流动的影响规律，以及对波纹管换热效果的影响规律。本发明方法，能准确提供多种不同参数对波纹管内液氮流动特性的仿真参考。

技术领域

本发明涉及超导电缆领域，更具体地，涉及一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法。

背景技术

超导技术在电力系统中的应用多种多样，也是近年来超导应用研究的主要方向之一。与电力电缆相比，超导电缆具有很大的优越性，例如：输电能力较强，成本节约、占用空间小、线路阻抗极低、输电损耗小、抗磁干扰能力强；允许采用相对较低的电压进行长距离输电，也可以地下输电从而避免超高压高空输电所带来的噪声、电磁污染和安全隐患，保护生态环境。

目前，将高温超导电缆封装于波纹管内并使用流动的液氮进行冷却，是现有技术中高温超导电缆的主要封装方式。因此，研究常用波纹管内流体的阻力特性对于高温超导电缆的设计和运行具有重要意义。现有技术中，已有许多采用仿真手段并在一定的工况下对波纹管的液氮流动特性进行仿真的试验。例如，背景技术：波纹管结构尺寸及内芯对管内液氮流动的影响，周绍华等，《哈尔滨工业大学学报》，第50卷第1期，2018年1月。然而，多数仿真方法与试验数据具有差异，其仿真准确性有待考量，参考价值不高。

因此，亟需一种新的高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，通过对波纹管进行几何建模和数值模拟，计算出波纹管内不同因素对液氮流动的影响规律，以及对波纹管换热效果的影响规律。

本发明采用如下的技术方案。

一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其中包括以下步骤：步骤1，为高温超导电缆波纹管构建几何模型，并对几何模型划分网格；步骤2，利用求解器对波纹管内的液氮流动进行数值模拟，从而计算出波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据；步骤3，对不同的波纹管重复步骤1和步骤2，以获得不同的波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据，并获得不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线；步骤4，基于不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线，获得波纹管不同因素对液氮流动的影响规律，以及对波纹管换热效果的影响规律。

优选地，步骤1中还包括：高温超导电缆波纹管的几何模型包括中部螺旋管段和两端直管段；划分网格包括对中部螺旋管段采用非结构网格进行划分，对两端直管段采用结构网格进行划分，在两种网格的交界面处采用两对交界面来连接网格。

优选地，划分网格时选取的全流域最大网格尺寸参数值小于波形管入口直径的十分之一。

优选地，步骤2中还包括：求解器为Ansys CFX或Ansys Fluent。

优选地，设置波纹管的一侧端面为液氮流动入口，另一侧端面为液氮压降出口，利用SST模型模拟液氮湍流，获得波纹管不同位置上的压降值。

优选地，搭建液氮流动试验平台并基于平台对波纹管内的液氮流动进行测量，以对波纹管内的液氮流动的数值模拟进行准确度验证。

优选地，步骤3中还包括：不同的波纹管为空心螺旋形波纹管的直径不同、波纹管内芯中电缆直径不同、电缆数量不同、电缆缠绕节距不同、波纹管放置方式不同中的一种或多种。