热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟-2

热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟-2 石家庄铁道大学毕业设计 热管在变压器中的温度分布的fluent 数值模拟 TEMPERATURE DISTRIBUTION BY THE FLUENT SOFTWARE IN OIL一IMMERSED TRANSFORMER USING HEAT PIPE 2012 届 机械工程 学院 专 业 建筑环境与设备工程 学 号 20080751 学生姓名 杨小军 指导老师 郝长生 完成日期 2012年5月25日 毕业设计成绩单 学生姓名 杨小军 学号 20080751 班级 机0802- 2 专业 建筑环境与设备工程 毕业设计题目 热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟 指导教师姓名 郝长生 指导教师职称 讲师 评 定 成 绩 指导教师 得分 评阅人 得分 答辩小组组长 得分 成绩: 院长(主任) 签字: 年 月 日 任务书 开题报告 摘要 随着工业的进一步发展，电力已经成为我们社会的最重要动力且需求日益强劲，而我们面临这一强大能源最主要的是它的输送问题，变压器是电力系统的主要设备，它对电能的经济运输，灵活分配，安全使用等具有重要意义。目前电力上用的大部分是油浸式变压器，但是这种变压器是靠自然循环散热，一旦埋入地下或者在一些非开阔空间放置时，工作产生的热量不能及时散发出去造成油温过高，性能大打折扣，严重可引起爆炸等事故。 本课题针对这一问题展开模拟实验，所采用的是具有高效传热效率的重力热管对油浸式变压器进行散热，利用重力热管能更好的解决变压器在地坑或者其它特殊环境中的散热问题，具有广泛的前景和经济社会效益。 本文利用Fluent软件对加热功率为500w和1000时热管在油浸式变压器内的换热情况以及不同结构内变压器换热情况进行了模拟计算，计算结果与实验基本吻合，本文所作的工作为以后的设计计算及应用提理论依据，避免了实验的盲目性和经验理论指导的不准确性。 关键词:重力热管 温度场 fluent软件 英文摘要 目录 符号 ...................................................................................................................9 第1章 绪论............................................................................................................1 1.1 课题研究的背景和意义 ............................................................................1 1.2 热管简介 ...................................................................................................3 1.2.1 基本简介 ........................................................................................3 1.2.2 基本工作 ........................................................................................3 1.2.3 基本特性 ........................................................................................4 1.2.4 相容性及寿命 .................................................................................5 1.3 fluent软件介绍 .........................................................................................5 1.3.1 软件简介 ........................................................................................5 1.3.2 Fluent可以计算的流动类型 ..........................................................6 1.3.3 Fluent的计算步骤 ..........................................................................6 1.4 国内外研究概况 .......................................................................................7 1.5 本课题主要研究内容 ................................................................................8 第2章 热管式变压器油温升实验 ....................................................................... 10 2.1 实验内容 ................................................................................................. 10 2.2 实验目的 ................................................................................................. 11 2.3 实验仪器 ................................................................................................. 11 2.4 实验结果 ................................................................................................. 12 2.4.1 变压器器身散热测量实验 ........................................................... 12 2.4.2 重力热管功率及油温升测量实验 ................................................ 12 第3章 热管式变压器的计算模型 ....................................................................... 14 3.1 物理模型 ................................................................................................. 14 3.2 数学模型 ................................................................................................. 14 3.2.1 数学模型的建立 ........................................................................... 14 3.2.2 变压器中油的物性参数 ............................................................... 15 第4章 采用fluent软件模拟热管在油浸式变压器中 ......................................... 17 的温度场和流场 ...................................................................................................... 17 4.1 模拟油浸式变压器实验工况下的温度场和流场 ................................... 17 4-1-1 加热功率为500w时变压器的温度场和流场 ............................. 17 参考文献 ................................................................................................................. 22 致谢 ......................................................................................................................... 23 符号说明 本文中的符号，若文中没有特别说明，其意义均如下所示。文中特别说明所赋符 号意义仅限于说明处有效。 x一笛卡尔坐标，m。 y一笛卡尔坐标，m。 z一笛卡尔坐标，m。 t一时间，s。 3ρ一密度，kg/。 m u一速度，m/s。 -速度，m/s。 w u一运动粘度，m/s。 P一压力，P。 a h一流体的比烩，J/kg。 一导热系数，w/(m?k)。 , Cp一定压比热容，J/(kg?k)。 v一速度，m/s。 ,一动力粘度，P?S。 a 石家庄铁道大学毕业 第1章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 能源是人类生产、生活的物质基础，能源的利用推动了社会经济的进步和人民生活水平的提高。古代人类以柴草、畜力、风力、水力等为主要能源，产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源。随着科学、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，并于20世纪60年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。 随着改革开放20余年的积累，GDP的持续增长，综合国力得到增强。我国消费结构开始进入住宅、汽车领域。因此带动了冶金、水泥、铝材高耗能工业超常发展;全球经济化又促使外资大量涌入;这些都导致电力供应紧张局面进一步加剧。虽然2003年全国电力装机容量已达到38573亿kw，年发电量19110亿kw/h，两者都居世界第二位，但人均年电力消费只有1470kwh，而发达国家人均电力消费一般在6000kwh以上。我国离小康社会的电力目标尚远，电力事业还需继续发展图。 2006年国民经济以平稳较快速度发展，对电力的需求仍然强劲，各行业用电持续快速增长，虽然高耗能行业受国家宏观调控增速会有所放慢，但是对电力的需求仍会以较快的速度递增。2006年全社会用电量增长率在12%左右，电力供应能力将进一步增强，发电装机投产规模较大。据初步调查，2006年新增发电装机在7500万kW左右，是建国以来发电机组投产最多的一年，如此大的机组投产规模将决定着全国及各地区电力供应形势的变化。随着西北一华中电网的联网成功，全国除新疆、西藏和海南外，其他省区电网实际上已经联成一个全国性的大电网，电网联系将更加紧密，互供、保障及相互支援的能力将进一步增强。虽然全国电力供需矛盾依然存在，但缺电程度和缺电范围将大大降低。 根据国家电网公司“十一五”电网规划及2020年远景目标报告，“十一五”期间，国家电网公司将新增330kV及以上输电线路6万km、变电容量3亿kV，投资9000亿元左右;电力供应紧张问题刺激了电力投资热潮，带动输变电设备行业增长可能会持续到2008年，预计变压器行业的年需求量为3.6亿一4亿kV。到2010年，跨区输电能力将达到4000多万kW、输送电量1800多亿kw/h。国家电网公司“十一五”期间平均每年投资1800亿元，考虑到南方热管在油浸式变压器中温度场分布的Fluent数值模拟电网公司投资一般为国家电网公司的1/3-1/4，国家电网跟南方电 1 石家庄铁道大学毕业论文 网的投资总和将可能达到2250亿元，和“十五”相比增幅达到了90%。据专家分析，2020年全社会用电将达到39400亿-43200亿kw/h，需要装机8.2亿-9.0亿kw;2011-2020年年均净增电量1400亿-1660亿kw/h，年均需净增装机2600万-3200万kW。变压器需求与发电设备相关，其配比按1:11测算，变压器的需求量非常可观，电气设备和输变电设备行业面临着比较光明的发展前景。 变压器是电力系统的重要设备，它对电能的经济传输、灵活分配、安全使用具有重要意义。目前，变压器在电力工程中的各个领域中获得了广泛的应用，社会生活对电气的依赖程度大大提高，对供电设备的质量要求也比过去更为严格。随着我国经济的高速发展，城市用电负荷剧增，并且城市的环境限制大，用地、用房紧张，配电变压器的数量不可能很多，导致配电变压器负载率持续增长，变压器过载现象和故障率不断上升，严重威胁电网的安全。因此配电变压器的安全、环保、防火、防爆等性能成了人们备加关注的问题。 目前电网上运行的变压器大部分仍为油浸式变压器，而且其中80cy0以上是采用自然油循环的冷却方式。但是这种变压器由于采用片式散热器，使得自身横向体积庞大，运输及维修都很不方便，且片式散热器散热效率较低，变压器经常由于油温升过高，造成变压器油绝缘性能下降、油流带电、线圈老化甚至造成变压器起火、爆炸等事故。因此改进自然油循环冷却变压器的冷却结构、提高其冷却效率，不论从节能降耗，还是延长变压器的使用寿命、减少热事故方面，都将带来巨大的社会经济效益。 国外已经提出按照城市生态设计理念，城市变压器可以像埋地下管线一样将变压器埋藏于地下，使其既不产生噪音，又不占用有限的城市空间。而将发热少、操作多、体积小的电气柜设在地面，从而达到减少占地、便于操作、美化环境的目的。但是传统油浸式变压器当需要安装在地下时，就遇到一个难以解决的问题:变压器在地坑中靠自然对流难以散热，以致造成变压器油温过高，经常不得不停止运行，否则将引起变压器性能严重下降，甚至引起着火、爆炸等严重事故。并且地坑条件不利于高压开关安全运行，低压柜位于地下不便读数和操作等。 本课题中的模拟计算所依据的实验模型是采用具有高效传热的重力热管对油浸式变压器进行散热，利用热管散热的变压器能够很好的解决传统变压器在地坑及特殊环境中靠自然对流难以散热的问题，具有广泛的应用前景和经济、社会效益。 2 石家庄铁道大学毕业论文 1.2 热管简介 1.2.1 基本简介 热管技术是1963年由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。 热管(heat pipe)技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于CPU的散热器上。 从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢,物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看(辐射、对流、传导)，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。 1.2.2 基本工作 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×(10负1,,,10负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程: 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液——汽)分界面; (1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液——汽)分 3 石家庄铁道大学毕业论文 界面; (2)液体在蒸发段内的(液——汽)分界面上蒸发; (3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段; (4)蒸汽在冷凝段内的汽(液分界面上凝结: (5)热量从(汽——液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源: (6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。 1.2.3 基本特性 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性: 1、很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限;热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。 2、优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 3、热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。 4、热流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。 5、热二极管与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。 6、恒温特性(可控热管) 4 石家庄铁道大学毕业论文 普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。 7、环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热;热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。 1.2.4 相容性及寿命 热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢,水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即:产生不凝性气体;工作液体热物性恶化;管壳材料的腐蚀、溶解。 1.3 fluent软件介绍 1.3.1 软件简介 CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 CFD-Computational Fluid Dynamics，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。是流体力学研究不可或缺的工具。CFD架起了数物模型和流动现象之间的桥梁，可再现实验现象，从而发现这种现象的数学、物理机制，以及产生、演化的条件和方式，加深对流动现象机 5 石家庄铁道大学毕业论文 理的认识。进而可以预测流动过程，发现一些新的流动现象和机理。该软件的原理是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场(如速度场、压力场等)，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看成是在流动基本方程(质量守恒、动量守恒和能量守恒)的控制下，对流动的数值模拟。 1.3.2 Fluent可以计算的流动类型 Fluent可以计算的流动类型包括: (1)任意复杂外形的二维/三维流动; (2)可压、不可压流; (3)定常、非定常流; (4)无粘流、层流和湍流; (5)牛顿、非牛顿流体流动; (6)对流传热，包括自然对流和强迫对流; (7)热传导和对流传热相祸合的传热计算; (8)辐射传热计算; (9)惯性(静止)坐标、非惯性(旋转)坐标下的流场计算; (10)多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混 合面等问题; (11)化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型; (12)源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组分源项等形式; (13)颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散项与连续项相祸合的计算; (14)多孔介质流动计算; (15)用一维模型计算风扇和换热器的性能; (16)两相流，包括带空穴流动计算; (17)复杂表面问题中带自由面流动的计算。 1.3.3 Fluent的计算步骤 计算步骤包括以下凡个方面的内容: 6 石家庄铁道大学毕业论文 (1)读入模型 (2)模型定义。包括定义计算所选用的数学模型、能量方程和湍流模型。 (3)定义材料的属性。 (4)定义操作条件。 (5)定义边界条件。 (6)进行求解计算。 (7)查看结果得出结论。 1.4 国内外研究概况 本课题所做的实验是针对采用热管技术散热的变压器进行的，热管在油箱内直接与油接触传热，热管外部通过空气自然冷却散热。该实验以测定热管式变压器的油平均温升为主，同时测量重力热管实际运行的功率以及其壁面和翅片上的温度分布情况改善设计结构，优化其传热性能做出了主要的探索。 自从20世纪60年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司均开展了多方面的开发、应用研究。目前美国、加拿大、欧洲、及日本等国家和地区都在进行将热管技术应用到变压器中的研究。如加拿大ABB公司与魁北克水电局设计出了热管式单相固体绝缘变压器，结构如图1-1所示。 图1-1 固体绝缘变压器 该变压器制造时将带有毛细管的热管分两排垂直插进变压器中，然后将环氧树 7 石家庄铁道大学毕业论文 脂注入变压器壳体内，使之融为一体。高压线柱与低压线柱分别放在变压器的两侧，从而保证了电气绝缘距离，为了强化传热，热管冷凝段都加有翅片。 他们对该变压器进行了实验，结果表明热管可以排出由变压器绕组和铁心产生的大部分热量。以魁北克水电局这台试运行的变压器为例，热管排出的热量约占满负荷(即167kVA)下变压器总耗损的42%，显然大大降低了变压器心部最热点的温度。经比较，另一台没有热管的同类变压器，其出力将限制在100kVA，且过负荷能力还要受到限制。这时，变压器最热点的温度将达到140?左右。采用热管就能克服上述限制，降低最热点温度，增加出力，并提高过负荷能力。 近年来国内也有对此技术的研究，如承德石油高等专科学校对在用的役龄较长的老式油浸变压器进行改造，采取热管技术措施强化冷却散热，他们采用在变压器箱体外面焊一个封闭的附加小油箱。在箱体壁上开了上下两个长方形油循环孔，使箱体空间与小油箱空间相通。热管的蒸发段插入小油箱，冷却段加翅片露在空气中。实验表明大大降低了油的温升，并且可以延缓内部线圈绝缘材料的老化，延长变压器的寿命。如图1-2所示。 图1-2 油浸变压器应用热管图 1.5 本课题主要研究内容 主要内容: 8 石家庄铁道大学毕业论文 了解热管在油浸式变压器中的排热机理，学习fluent软件包的操作方法。基于热管式变压器的排热原理，建立物理模型，对热管式变压器内部的元件生热、热管排热过程进行数值计算分析，研究热管排热方式各影响参数的特性。 9 石家庄铁道大学毕业论文 第2章 热管式变压器油温升实验 2.1 实验内容 本课题针对一台尺寸为外955×375×885的10kV电压等级的变压器进行分析，在室温为20?情况下，器身平均温度达85?时，器身功率约为4.2kw。根据该变压器的体积和功率，设计了一个实验台，通过一个油箱模拟变压器的运行工况，油箱为长400mm，宽350mm，高800mm壁厚4mm的变压器壳体。其中放入了体积为 30.105的变压器油，将变压器盖上开个孔，将重力热管的加热段沿孔竖直插进油m 箱中，其上端冷凝段露在空气中进行散热。由于热管蒸发段插在油中，其换热系数相对较大，而冷凝段处于空气的自然对流环境中，换热系数很小，是散热的瓶颈，因此我们在重力热管冷凝段加有12片纵向翅片进行强化传热，这样不仅改善了热管 2传热性能，而且大大增加了热管的散热面积，使其单根散热面积达到了2.361m。这种设计相对于原来用片式散热器散热有以下凡方面优点: (1)大大减小了变压器的体积，安装、运输更方便; (2)碳钢一水重力热管比其他热管成本低，运行寿命长; (3)该变压器噪音小，占用城市空间少，便于城市电网布置; (4)散热性能好，降低了变压器工作温度，延长变压器的使用寿命、减少热事故。 实验系统如图2-1所示。 在实验系统中，实验工况设定为较恶劣工况，即变压器模型处在室内，空气凡乎无流速，热管散热器只能依靠自然对流散热。其油箱中的油被电加热管加热，其功率由调压器进行调节，功率表测定。重力热管的加热段竖直插进油箱中，其上端冷凝段露在空气中进行散热。热管冷凝段的肋基和肋尖都布置有铜一康铜热电偶，在油中布置了三个热电偶，空气中布置有一个热电偶，同时由于一天的气温在不断的改变，油的时间常数很大，大约2小时多，为保证测量油温升更精确，选用了一个油杯，使其油温度与油箱中的油温保持时间同步。油杯中也放置一热电偶，所有热电偶均接入惠普公司的34970A数据采集仪，数据采集仪再接入计算机。温度测量系统经过仔细测量精度达到了0.1?。 10 石家庄铁道大学毕业论文 图2-1 热管式变压器实验系统图 2.2 实验目的 本实验是以测定热管式变压器油的平均温升为主，同时测量重力热管实际运行的功率 以及其壁面和翅片上温度分布情况。 (1)对重力热管进行实验，验证将其应用在变压器中的可行性，通过实验检验该重力热管计算功率与实验测得功率是否一致，分析加热段与冷凝段分配比和翅片的选用参数是否合理，以及比较重力热管的形状和放置方式对油平均温升的影响。 (2)通过实验进一步改善这种设计结构，优化其传热性能。 2.3 实验仪器 本实验所用到的试验设备:电源、调压器、功率表、重力热管式变压器、电加热管、油箱、计算机、数据采集仪、热电偶、恒温水箱、温度计等。具体参数列于表2-1。 11 石家庄铁道大学毕业论文 表2-1 实验仪器及参数 设备名称 个数 型号 1 调压器 额定功率:1KVA 单相50Hz 1 功率表 最大电压:600V 电流:5A 1 重力热管 热管长:2.1m 热管直径:51mm 绝热段长:100mm 壁厚:2.5mm 加热段长:700mm 加热段翅高:30mm 冷却段长:1.3m 冷却段翅高:700mm 翅厚:1.5mm 1 电加热管 直径:20mm 长度:800mm 1 油箱 尺寸:800×400×350mm 壁厚:4mm 1 HP34970A 数据采集仪 26 热电偶 铜—康铜热电偶 1 恒温水箱 510型超级自动恒温器 1 标准温度计 二等标准水银温度计(0~50? 50~100?) 2.4 实验结果 2.4.1 变压器器身散热测量实验 为了测量出热管式变压器模型通过热管散热的功率及其与油平均温升的关系，必须先测量出变压器油箱的散热功率与油平均温升的关系，因此首先我们设定数据采集仪扫描时间间隔为30秒，然后通过操作调压器来调节电加热管的电压，根据功率表的读数，确定所要输入的功率，等油的温度趋于稳定(即连续三个小时内油温的变化不超过loC)，用数据采集仪热电偶温度的变化值。然后改变电加热管的输入功率，用数据采集仪采集各个热电偶在不同功率下的温度值，从而可以得到不同功率下的油平均温度。当得到了油箱内的温度与环境温度后，计算出油平均温度与环境温度的差值，从而得出温差与功率之间的关系，并绘制成图表。 变压器油箱传热功率与油平均温升的实验结果汇总如表2-2所示。 表2-2 邮箱散热量与油温升的关系 总功率(W)油平均温度(?) 环境温度(?)油的平均温(?) 150 29.02 19.31 9.71 250 39.72 23.33 16.39 360 43.78 19.99 23.79 480 54.80 20.58 34.22 600 62.31 19.88 42.43 2.4.2 重力热管功率及油温升测量实验 测量方法同上，当数据采集仪采集完所设定的工况下的温度值后，得出总散热功率与油平均温升的关系，进而结合变压器器身与油平均温度之间的关系，得出热管散热功率与油平均温升的关系，绘制其关系图。并通过数据采集仪所测的热管管壁温度分布情况，来分析热管工作性能情况及其启动过程，同时根据从油中所测得 12 石家庄铁道大学毕业论文 数据也能得到变压器模型中油温分布情况。整理了热管式变压器传热功率与油平均温升的实验结果，汇总如表2-3所示。 表2-3 变压器传热量与油温升的关系 总散热(W) 油平均温度(?) 环境温度(?)油温升( ?) 500 44.26 21.87 22.39 600 49.21 21.45 27.76 700 51.62 19.75 31.87 800 54.95 18.87 36.08 900 61.00 22.12 38.89 1000 64.34 23.43 40.91 1160 72.10 26.86 45.24 从上面的表格中可以得出热管的散热功率和油温升的关系如下图所示: 2 Q,247.07099,13.74577,t，0.42965,t 通过利用重力热管在变压器中冷却散热实验研究，可以得出如下结论: (l)重力热管在内部工质为30?左右时，即可以启动，并且启动后热管具有良好的等温性。 (2)热管的加热段与冷凝段面积比必须合适，整体肋片布置恰当，才能获得良好的传热性能。 (3)热管长度的设计需要在满足散热面积的前提下应尽量减小，否则热管冷却段顶部散热较差，影响整体散热性能。 (4)通过实验发现如果将热管蒸发段提高一些，油平均温度会下降，若提高更多一些，油温又有上升的趋势，经过分析认为油箱中的油由于自然对流的原因，上部温度较高，所以如果热管的蒸发段处于油箱中平均温度较高的地方，吸收的热量会更多，散热效果也会更好，但是散热还与散热面积有关系，热管提高了一部分，那么散热面积将会下降。所以热管蒸发段在油中的位置和散热面积对热管散热功率有很大影响，设计时应考虑这些因素。 13 石家庄铁道大学毕业论文 第3章 热管式变压器的计算模型 3.1 物理模型 本课题设计的物理模型是一个长400mm，宽350mm，高800mm，壁厚为4mm 3的钢制密封容器。其中放入了体积为0.105的变压器油，假设油是充满整个箱体m 的。加热管简化为半径10mm，高700mm的圆柱体，将其放在油箱的中间部位。热管尺寸为半径25mm，高700mm，将其放在加热管与油箱壁中间的位置。加热管散出的热量通过热管和油箱壁面散出。因热管具有良好的热稳定性，假设其加热段和冷凝段的功率相等，只取其在油箱内部的蒸发段部分作为计算模型。热管冷凝段做等效简化处理。 3.2 数学模型 3.2.1 数学模型的建立 数学模型的建立包括假定条件和控制方程: (1)数学模型是建立在以下假定条件之上的: 第一:油的初始状态为稳态; 第二:油为牛顿流体和不可压缩流体; 第三:流体的参数随着温度的变化而变化; 第四:流动状态为层流、定常、三维流动。 (2)控制方程为: 控制方程包括三个:即连续方程、动量方程和能量方程。这三个方程都是在直角坐标系下建立的。 连续方程: (3-1) ,,(u),(v),(w),,,, ，，，,0,t,x,y,z 式中的第2，3，4项是质量流密度(单位时间内通过单位面积的流体质量)的散度，可用矢量符号写出为: (3-2) ,, ，div(,U),0,t 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为 14 石家庄铁道大学毕业论文 (3-3) div(U),0 动量方程: (3-4),(u),p,，div(uU),div(gradu)，S,,,u,t,x ,,(v),v，div(vU),div(gradv)，S,,,v,t,y ,(w),p,，div(wU),div(gradw)，S, ,,w,t,z 其中S，S，S为3个动量方程的广义源项，其表达式为: uvw (3-5) ,,,,,,,uvw,，，，S,(),()(,)(,divU) u,,,,,,,xxyxzxx ,,,,,,,uvw,，，，S,(),()(,)(,divU) v,,,,,,,xyyyzyy ,,,,,,,uvw,，，，S,(),()(,)(,divU) u,,,,,,,xzyzzzz ,其中为流体的动力粘度。 能量方程: (3-6) ,,,,,(h),(uh),(vh),(wh)，，，,,pdivU，div(,gradT)，,，S h,t,x,y,z ,其中是流体的导热系数，Sh为流体的内热源，为由于粘性作用机械能转换, 为热能的部分，称为耗散函数。其计算式如下: ,, ，，,u,v,w,u,v,u,u,v,w222222,2()，()，()，(，)，(，)，(，)，divU,,,,,,,,x,y,z,y,x,z,x,z,y，，,, (3-7) pdivU系表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略;对于理想气体，及固 C体可以取，进一步取为常数，并把耗散函数纳入到源项h,CT,pp 于是可以得到: S(S,S，,)tTh (3-8) ,,,(T)，div(UT),div(gradT)，S,T ,tcp 对于不可压缩流体有: (3-9),S,TT ，div(UT),div(gradT)，,,,tcp 3.2.2 变压器中油的物性参数 在用fluent进行模拟时，由于该模型是一个封闭模型，变压器中油主要依靠浮 升力的作用循环流动，不断地传递热量。物性参数随着温度的变化而变化。根据变 15 石家庄铁道大学毕业论文 压器油实测物性数据整理得到: (3-10) 密度: ,,872,0.6T 0.754(3-11) C,,1606.27,T比热: 1.788 (3-12)运动粘度: v,0.0373126/(32，1.8，T) 16 石家庄铁道大学毕业论文 第4章 采用fluent软件模拟热管在油浸式变压器中 的温度场和流场 4.1 模拟油浸式变压器实验工况下的温度场和流场 4-1-1 加热功率为500w时变压器的温度场和流场 4-1-1-1 变压器的结构 如图4-1所示。 图4-1 加热功率为500W时的变压器结构图 17 石家庄铁道大学毕业论文 在图4.1中，变压器x、y、z方向上的尺寸分别为0.35*0.4*0.7，单位是m。网格单元采用Tet/Hybrid，类型采用T Grid，间距采用0.01，共有120426个网格节点，其中左边的为加热管，右边的为热管。加热管内部也有网格的划分，在下面的结构中都考虑了加热管内部的网格划分。由于计算机计算能力的限制，没有再进行细化，所以计算得出的模型存在有一定的误差。 图4-2为划分网格后的变压器结构图。 图4-1 划分网格后的变压器结构图 4.1.1.2 计算过程 以加热功率500w为例，介绍一下具体的求解过程: (1)将上述所画网格导入fluent并进行检查。 (2)设定求解器:解算器选为三维、稳态、非祸合隐式方程;选定能量方程;湍流模型选择层流。 (3)定义物性参数。根据第三章介绍的油的物性参数随温度的变化关系将其输入到物性面板中。 2，并设定它的操作密度为 (4)操作条件项:设定z方向上重力加速度为-9.8m/s 3845kg/m。 (5)边界条件项:包括加热管、热管和油箱的边界条件设定。 在该模型结构中，因为只考虑到了油箱内热管蒸发段的结构，而没有考虑到热管冷凝段的结构，所以将热管冷凝段作等效处理。即将热管冷凝段的散热转换到蒸 18 石家庄铁道大学毕业论文 发段的散热中去。所依据的是 (4-1) hA(t,t),hA(t,t) 1wa12wa 2式中，h——油箱内热管外壁面的对流换热系数(W/); m,K 2h——试验中热管冷凝侧的对流换热系数(W/); m,K1 2——实际模型中热管的尺寸面积0.l; Am1 2A——热管冷凝段的面积为2.18; m2 t——热管的壁面温度(?); w t——环境温度(?)。 a a)加热管的边界条件: 已知加热管的功率为500W和体积，可以算出加热管的体发热量为 32000000W/; m b)热管的边界条件: 2热管设定为三类边界条件，对流换热系数为62.46W/(?K)，流体温度设定为m 293k。数值的确定见下面的求解过程。 c)油箱的边界条件: 2油箱设定为三类边界条件，对流换热系数为3.42W/(?K)，流体温度设定为m 293k。 热管和油箱的边界条件具体求解过程如下: 根据油箱内一电加热管、热管和油箱三个能量方程迭代求解算出热管和油箱的 壁温。 油箱内一电加热装置产生的总的能量方程可以表述为: (4-2) Q,hA(T,T)，hA(T,T)zbibiobtitiot式中，T——油的温度即平均温度(?); o T——热管的壁面温度(?); b T——油箱的壁面温度(?); t 2h——热管壁与油之间的换热系数[W/(m?K)]; bi 2h——油箱与油之间的换热系数[W/(?K)]; mti 2A——热管蒸发段的对流换热面积(m); bi 2A——油箱与油之间的对流换热面积(m); ti Q——电加热装置中的产生的总的热量(W)。 z 式(4-2)右边的第一项表示热管散出的热量，第二项表示油箱壁散出的热量。 热管的能量方程可以表述为: (4-3) hA(T,T),hA(T,T)bibiobboboba 19 石家庄铁道大学毕业论文 式中，T——环境温度(?); a 2h——热管冷凝段与空气的对流换热系数[W/(?K)]; mbo 2A——热管冷凝段的对流换热面积(m); bo 油箱的能量方程可以表述为: (4-4) hA(To,T),hA(T,T)titittotota 2式中，h——油箱与空气的换热系数[W/(?K)]; mto 2 A——油箱与空气之间的对流换热面积(); mto 联立式(4-2——4-4)三个方程，经过迭代可得出在加热功率为500W时，热管的 壁温为33.47度，油箱的壁温为39.85度;加热功率为I000W时，热管的壁温为44.65 度。油箱的壁温为55.11度。在上面三个方程中，忽略了辐射的影响。 下面计算油箱内的热管外壁面和油箱外壁的对流换热系数。 空气的物性参数为: 定性温度下的运动黏度: 23 v,0.000013286，0.0000000829967，t，0.00000000271，t,0.00000000001157，t (4-5) 定性温度下的膨胀系数: 23 ,,0.00355,0.00000230631，t,0.000000298675，t，0.0000000327536，t (4-6) 定性温度下的普朗克特数: (4-7) 23p,0.707,0.0002252，t，0.000001024，t,0.00000006944，t r 定性温度下的热传导率: (4-8) 23 ,,0.0244，0.000825，t,0.00000135，t，0.0000000081，t热管冷凝侧的对流换系数计算过程如下: 定性温度为:? t,(33.47，20)/2,26.735 经计算得知: 2 v,0.000015676m/s ,1 ,,0.003337k Pr,0.70159 ,,0.02652w/m,k 3g,tl, 9格拉晓夫数:Gr,,3.94*102v0.39怒塞尔数: Nu,0.0292(Gr,pr),140.45 Nu，,2热管冷凝侧的对流换热系数: hl,,2.8652W/(m,k)l 20 石家庄铁道大学毕业论文 在该模型中，热管冷凝侧作等效简化处理即将热管冷凝侧的对流换热系数折合 到油箱内热管的对流换热系数中去。将h带入式(4-1)中经计算可得出: 1 A22 h,hl,62.46W/m,kA1 油箱侧对流换热系数计算过程如下: 定性温度为: t,(39.85，20)/2,29.925? 经计算得知: 2 v,0.000015698m/s -1 ,,0.0033k pr,0.701 ,,0.026769w/(m,k) 3g,tl,9 Gr,格拉晓夫数:=1.29*102v 0.39怒塞尔数: Nu,0.0292(Gr,pr),102.31 Nu，,2油箱侧的对流换热系数: hl,,3.42W/(m,k)l 同理可算出加热功率为1000W时，热管的边界条件为对流换系数70.59 22W/(?K)，流体温度为293k。油箱的边界条件设定为对流换热系数3.91 W/(?K)，mm 流体温度设定为293k。 在以下的模拟中，所设定的边界条件都是依据上述方法算出的。 由于在实际的散热中，对流换热系数是变化的，所以在模拟的过程中会存在着 一定的误差。 (6)控制方程设置中，选择Simple算法;能量的亚松驰因子设定为0.8;压力的离 散化方法根据分离求解器经验选定为PRESTO～ (7)流场初始化并开始进行迭代计算。 (8)检查计算结果。 (9)保存数据，并进行图形的后处理工作。 21 石家庄铁道大学毕业论文 参考文献 [1] 刘宝琛(急待深入研究的地铁建设中岩土力学课题[J](铁道建筑技术，2000(3):1~3 [2] 高大钊(岩土工程的回顾与前瞻[M](北京:人民交通出版社，2001.120~180 [3] 冯国栋译(太沙基为岩土技术创刊(1938)所写的前言[J](土工基础，1999(6):15~20 [4] GB/T 50279-98，岩土工程基本术语标准[S] [5] 卢肇钧(太沙基传[A](陈善蕴选编(卢肇钧院士科技论文选集[C](北京:中国建筑工业出版社，1997，174~178 [6] 沈珠江(理论土力学[M](北京:中国水利水电出版社，2000，120~130 [7] 方晓阳(21世纪环境岩土工程展望[J](岩土工程学报，2000，22(1):1~11 [8] 曲永新，张永双，冯玉勇(当前环境地质工程(环境岩土工程)研究的热点领域及其相关技术[J](工程地质学 报，1998，6(4):301~304 [9] 钱七虎(岩土工程的第四次浪潮[J](地下空间，1999，19(4):1~6 [10] 袁建新(环境岩土工程问题综述[J](岩土力学，1996，17(2):88~93 注:参考文献小五号宋体、单倍行距、居左，序号统一采用半角方括号、空半个字符，同一参考文献如两行，则第二行悬挂缩进与第一行参考文献内容对齐。 22 石家庄铁道大学毕业论文 致谢 历经一个学期的毕业论文就要完成了，首先我真诚地感谢我的老师郝长生郝老师，虽然平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从认识软件到现在，遇到了很多问题，老师每次都给予了我及我们组每个同学悉心的指导。 此外，我还想感谢和我同组的同学们，他们在毕业设计中给了我很多帮助和建，我才能顺利地完成此篇论文。 议 从这次毕业设计中我不仅学到了很多知识，还培养了自己的责任心和耐心。最后，我想感谢学校给我这样锻炼的机会，以后我将用踏实务实的态度走上工作岗位、回报社会。 23 石家庄铁道大学毕业论文 24