一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法

1.本发明涉及传热学计算技术领域，具体为一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法。


背景技术：

2.在以高压柔性直流输电工程为代表的新型输电方式的逐渐推广，对于相关电工装备的相关要求在逐步提升。在这样的压力之下，传统的粗放式的电工装备设计和优化方案以及结果已经不能满足相关要求。在这其中，对相关装备进行温度分布的优化是重要性和难度系数均很高的一个重要方面。实现相关优化的基础便是更为清晰和直观的温度分布描述方法，其将为相关优化过程提供重要的方向参考。
3.在相关领域尚无直接描述复杂背景温度分布下的大型电工装备温度分布的方法。传统的热路分析方法利用解析方法可以给出相关参数对于温度分布的影响，但是在分析的过程中进行了大量的简化，而且仅考虑单一方向的导热情况，无法适应更为复杂的实际工况。后起的有限元分析方法虽然可以充分考虑实际情况，但是该计算方法采用的是基于微元的迭代方法，在得到相关结果的同时无法给出清晰的相关参数对于温度分布的影响情况，难以为相关的优化工作提供有效参考。
4.因此我们提出了一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法来解决上述问题。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法，在得到等效热路以及温度分布情况的同时，为装备的设计优化工作提供参考。
7.(二)技术方案
8.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
9.一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法，包括以下步骤：
10.s1、完成装备初始等效热路的构建；
11.s11、根据装备现有设计情况，得到其纵向截面上的不同材料特性区域的分布情况，同时确定装备在实际运行过程中各侧表面的温度场边界特性；
12.s12、采用矩形单元对各材料区域进行合理地初始划分，即保证每个单元仅对应于一种材料，在这个过程中，需要保证各单元的所占面积或体积处在合理区间；
13.在各单元中按照传热方向的不同划分为：对轴向传热情况进行等效的轴向单元以及对径向传热情况进行等效的径向单元，二者必须间隔布置；另外，对于等温度分布的边界处需要将传热方向与之平行的单元替换为与之垂直的传热单元，对于热能注入边界处的单元同样需要进行类似的处理；在计算热阻的过程中，对于轴向单元，位于轴向上的两个侧面
分别作为热通量流过的截面，轴向上的长度则作为长度进行考虑，其对应的热阻为：
[0014][0015]
式中，rz代表轴向单元的热阻，ρ为该单元对应材料的热阻率，sz为轴向截面的面积，lz为单元在轴向上的长度；同时，对于径向单元，位于径向上的各曲面作为热通量流过的截面，考虑到径向上固有的放射特性，这里采用微积分的思想该种单元的热阻进行精细化的计算，从而可以得到对应的热阻为：
[0016][0017]
式中，rr代表轴向单元的热阻，hr为单元在轴向上的高度，ro为单元的外径，ri为单元的内径；
[0018]
s13、在完成全部单元的热阻计算后，将轴向位置一致的径向单元依次进行串联连接，并且将位于其上下两侧处的轴向单元对应连接至径向位置对应的径向单元的连接节点处，在完成整体热阻网络的搭建工作后，即可完成相应装备的初始等效热路的构建工作；
[0019]
s2、完成对于初始热路的求解；
[0020]
s21、在完成热阻网络的构建后，在具体的求解步骤前需要添加对应的激励源，其中，对于等温边界处的径向单元或轴向单元的末端处需要布置等效的温度源，同时，对于热能注入边界处的径向单元或轴向单元的末端处则需要布置等效的热源；
[0021]
s22、将前一个步骤得到的热阻网络以及本步骤中添加的等效源对应转化为等值的电阻网络以及电源，即热阻的数值和电阻的数值一一对应，相应的连接关系也一一对应，等效的温度源对应于相应数值的电压源，等效的热源则对应于相应数值的电流源；
[0022]
s23、利用包括节点电压法在内的电路分析方法完成相应的电网络的求解可以完成对于初始热路的求解，求解结果中的电压数值即和相应节点处的温度数值相对应；
[0023]
s3、完成对于初始划分结构的进一步细化；
[0024]
对网络中所有热阻两侧的温度梯度进行计算，并且计算其均值，针对于其中插值要明显大于其他热阻的单元，重新进行单元的划分，从而构建得到更为精细的单元划分结构；在完成全部的单元细化分割后则按照步骤s1当中的热阻计算方法完成新的热阻网络的构建和计算；
[0025]
s4、完成对于重新划分后的热阻网络的计算；
[0026]
在完成重新划分而得到的新的热阻网络的基础上在边界处再次添加对应的温度源或热源，并且再次利用电路中的有关方法再次进行计算即可。
[0027]
进一步地，所述步骤s1中，在靠近轴向热源边界处的轴向单元的径向宽度减小为同一轴向位置处的其他热阻的二分之一，从而模拟靠近边界处的轴向的热能传递；同时，对于最为靠近轴向温度边界的两个轴向单元，其中和轴向温度边界有交集的一个单元变为径向单元，而对于与之靠近的轴向单元则从轴向的二分之一处一分为二，变为两个更小的轴向单元，二者之间的节点和前面的新的径向单元形成新的连接；对于和径向温度边界相连的轴向单元，其轴向单元的高度为其他轴向位置处的其他正常轴向单元的二分之一。
[0028]
(三)有益效果
[0029]
与现有技术相比，本发明提供了一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热
路分析方法，具备以下有益效果：
[0030]
1、本发明提供的一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法，通过综合考虑轴向和径向两个传热方向的细致的传热情况，从而可以比以往的热路分析方法更为细致的计算结果，在整体的温度分布的计算结果和有限元计算结果之间的差异得到了有效的控制。
[0031]
2、本发明提供的一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法，得到的更为细致的等效热路将为未来的电工装备的温度场优化提供更为具体和清晰的参考，从而实现更为高效的精细化的优化。
附图说明
[0032]
图1为本发明电工装备的纵截面上的单元划分示意图；
[0033]
图2为本发明各单元对应热阻之间连接方式示意图；
[0034]
图3为本发明提出计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法的等效热路构建和温度计算流程图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
实施例
[0037]
如图1所示，在严格按照一个单元内仅有一种材料，两种单元间隔布置，以及不同的边界处采用不同的处理方式这一系列原则的基础上，即可得到正确而且合理的单元分布情况。
[0038]
如图2所示，在将轴向和径向单元转化为对应方向上布置的电阻并且按照在径向单元的相互串联形成的节点之间串联连接相应的轴向单元对应的热阻后即可得到对应的热阻网络，然后添加等效的热流源和温度源即可形成可供计算的网络结构。
[0039]
如图3所示，本发明一个实施例提出的一种计及双重传热方向的轴对称电工装备等效热路分析方法，包括以下步骤：
[0040]
s1、完成装备初始等效热路的构建；
[0041]
s11、根据装备现有设计情况，得到其纵向截面上的不同材料特性区域的分布情况，同时确定装备在实际运行过程中各侧表面的温度场边界特性；
[0042]
s12、采用矩形单元对各材料区域进行合理地初始划分，即保证每个单元仅对应于一种材料，在这个过程中，需要保证各单元的所占面积或体积处在合理区间；
[0043]
在各单元中按照传热方向的不同划分为：对轴向传热情况进行等效的轴向单元以及对径向传热情况进行等效的径向单元，二者必须间隔布置；另外，对于等温度分布的边界处需要将传热方向与之平行的单元替换为与之垂直的传热单元，对于热能注入边界处的单元同样需要进行类似的处理；在计算热阻的过程中，对于轴向单元，位于轴向上的两个侧面分别作为热通量流过的截面，轴向上的长度则作为长度进行考虑，其对应的热阻为：
[0044][0045]
式中，rz代表轴向单元的热阻，ρ为该单元对应材料的热阻率，sz为轴向截面的面积，lz为单元在轴向上的长度；同时，对于径向单元，位于径向上的各曲面作为热通量流过的截面，考虑到径向上固有的放射特性，这里采用微积分的思想该种单元的热阻进行精细化的计算，从而可以得到对应的热阻为：
[0046][0047]
式中，rr代表轴向单元的热阻，hr为单元在轴向上的高度，ro为单元的外径，ri为单元的内径；
[0048]
在上述实施方案中，在靠近轴向热源边界处的轴向单元的径向宽度减小为同一轴向位置处的其他热阻的二分之一，从而模拟靠近边界处的轴向的热能传递；同时，对于最为靠近轴向温度边界的两个轴向单元，其中和轴向温度边界有交集的一个单元变为径向单元，而对于与之靠近的轴向单元则从轴向的二分之一处一分为二，变为两个更小的轴向单元，二者之间的节点和前面的新的径向单元形成新的连接；对于和径向温度边界相连的轴向单元，其轴向单元的高度为其他轴向位置处的其他正常轴向单元的二分之一；在严格按照一个单元内仅有一种材料，两种单元间隔布置，以及不同的边界处采用不同的处理方式这一系列原则的基础上，即可得到正确而且合理的单元分布情况。
[0049]
s13、在完成全部单元的热阻计算后，将轴向位置一致的径向单元依次进行串联连接，并且将位于其上下两侧处的轴向单元对应连接至径向位置对应的径向单元的连接节点处，在完成整体热阻网络的搭建工作后，即可完成相应装备的初始等效热路的构建工作；
[0050]
s2、完成对于初始热路的求解；
[0051]
s21、在完成热阻网络的构建后，在具体的求解步骤前需要添加对应的激励源，其中，对于等温边界处的径向单元或轴向单元的末端处需要布置等效的温度源，同时，对于热能注入边界处的径向单元或轴向单元的末端处则需要布置等效的热源；
[0052]
s22、将前一个步骤得到的热阻网络以及本步骤中添加的等效源对应转化为等值的电阻网络以及电源，即热阻的数值和电阻的数值一一对应，相应的连接关系也一一对应，等效的温度源对应于相应数值的电压源，等效的热源则对应于相应数值的电流源；
[0053]
s23、利用包括节点电压法在内的电路分析方法完成相应的电网络的求解可以完成对于初始热路的求解，求解结果中的电压数值即和相应节点处的温度数值相对应；
[0054]
s3、完成对于初始划分结构的进一步细化；
[0055]
对网络中所有热阻两侧的温度梯度进行计算，并且计算其均值，针对于其中插值要明显大于其他热阻的单元，重新进行单元的划分，从而构建得到更为精细的单元划分结构；在完成全部的单元细化分割后则按照步骤s1当中的热阻计算方法完成新的热阻网络的构建和计算；
[0056]
s4、完成对于重新划分后的热阻网络的计算；
[0057]
在完成重新划分而得到的新的热阻网络的基础上在边界处再次添加对应的温度源或热源，并且再次利用电路中的有关方法再次进行计算即可。
[0058]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。