一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能源系统动态特性及控制领域，特别是一种用于户内变电站主变 室流场温度场计算的快速计算方法。
【背景技术】
[0002] 计算流体力学技术：计算流体力学（CFD)是近代流体力学，数值数学和计算机科 学结合的产物，它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问 题进行数值实验、计算机模拟和分析研宄，以解决各种实际问题。
[0003] 由于计算流体力学技术具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点，因此 采用计算流体力学的方法对户内变电站主变室的流场和温度场进行分析具有重要的工程 实用价值。但是常规的CFD计算中，前期的外观建模、绘制网格以及后期计算中所涉及到 的求解方法需要耗费大量的计算时间和计算内存，不仅对使用人员的建模能力、网格绘制 经验的要求较高，而且对于计算机的内存空间和计算性能也有很高的要求，计算耗时长、内 存占用量大、计算结果受人为因素影响严重等问题已称为阻碍CFD计算推广应用的主要瓶 颈。
【发明内容】
[0004] 本发明的其中一个目的就是提供一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模 拟的快速计算方法，可以实现智能的网格划分过程，大幅缩短计算求解时长以及减小计算 机所占内存，为户内变电站主变室流场与温度场的计算提供便捷、快速且满足工程精度需 要的数值计算手段。
[0005] 本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，它包括有如下的具体步骤：
[0006] 1)根据参数化外观建模算法以及智能网格划分算法、速度场快速求解算法以及温 度场快速求解算法所需的输入参数和输出参数，建立输入、输出参数表；
[0007] 2)根据参数化外观建模算法、智能网格划分算法对户内变电站主变室的计算空间 进行外观建模和网格划分；
[0008] 3)将上述网格划分的结果输入到速度场快速求解算法以及温度场快速求解算法 中进行计算，并将流场的计算结果存储到输出参数表；
[0009] 4)将输出参数表中的数据输入到流场可视化程序中。
[0010] 进一步，步骤1)中所述的输入参数表用于存储流场温度场数值模拟计算的参数， 包括户内变电站主变室参数化建模和网格划分所需的整体尺寸参数、户内变电站主变室用 于内部的障碍物及边界尺寸参数、速度场快速求解算法以及温度场快速求解算法所需的参 数；所述的输出参数表用于存储计算结果。
[0011] 进一步，步骤2)中所述的参数化外观建模算法，具体步骤为：
[0012] 2-1-1)读取用户输入的变电站主变室整体的尺寸信息；
[0013] 2-1-2)经系统自动检查无误后，依次读入障碍物的位置及尺寸信息，进出口位置、 尺寸及方向信息，风扇的位置、尺寸及方向信息；
[0014] 2-1-3)自动完成变电站主变室的外观建模，并且将外观建模的信息传递到智能网 格生成算法中。
[0015] 进一步，步骤2)中所述的智能网格划分算法的具体步骤为：
[0016] 2-2-1)读入由参数化外观建模算法生成的信息，包括障碍物位置及尺寸信息、进 出口位置以及尺寸和方向信息、风扇的位置以及尺寸和方向信息、还有从输入参数表中读 取的X、Y、Z三个坐标轴的网格整体数量；
[0017] 2-2-2)采用障碍物和边界的坐标值将X、Y、Z三个坐标轴分成若干段；
[0018] 2-2-3)将分成的每一段的长度逐一求出。
[0019] 进一步，步骤3)中所述的速度场求解算法包括密度简化算法、微分方程分布投影 算法以及湍流方程求解快速算法。
[0020] 进一步，所述的密度简化法采用的是Boussinesq近似，即将密度以及流场的物性 参数均视为常数，其公式为
【主权项】
1. 一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算方法，其特征在于，具 体步骤如下： 1) 根据参数化外观建模算法、智能网格划分算法、速度场快速求解算法、温度场快速求 解算法建立输入参数表和输出参数表； 2) 根据参数化外观建模算法以及智能网格划分算法对户内变电站主变室的计算空间 进行外观建模和网格划分； 3) 将上述网格划分的结果输入到速度场快速求解算法以及温度场快速求解算法中进 行计算，将流场的计算结果存储到输出参数表中； 4) 将输出参数表中的数据输入到流场可视化程序中。
2. 如权利要求1和2所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计 算方法，其特征在于，步骤1)中所述的输入参数表存储用于流场温度场数值模拟计算的参 数，包括户内变电站主变室参数化建模和网格划分所需的整体尺寸参数、户内变电站主变 室内部的障碍物及边界尺寸参数，速度场快速求解算法以及温度场快速求解算法所需的参 数；所述的输出参数表用于存储计算结果。
3. 如权利要求1所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算 方法，其特征在于，步骤2)中所述的参数化外观建模算法，具体步骤为： 2-1-1)读取用户输入的变电站主变室整体的尺寸信息； 2-1-2)经系统自动检查无误后，依次读入障碍物的位置及尺寸信息，进出口位置、尺寸 及方向信息，风扇的位置、尺寸及方向信息； 2-1-3)自动完成变电站主变室的外观建模，并且将外观建模的信息传递到智能网格生 成算法中。
4. 如权利要求1所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算 方法，其特征在于，步骤2)中所述的智能网格划分算法的具体步骤为： 2-2-1)读入由参数化外观建模算法生成的信息，包括障碍物位置及尺寸信息，进出口 位置、尺寸及方向信息，风扇的位置、尺寸及方向信息，还有从输入参数表中读取的X、Y、Z 三个坐标轴的网格整体数量； 2-2-2)采用障碍物和边界的坐标值将X、Y、Z三个坐标轴分成若干段； 2-2-3)将分成的每一段的长度逐一求出。
5. 如权利要求1所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算 方法，其特征在于，步骤3)中所述的速度场求解算法包括密度简化算法、微分方程分布投 影算法以及湍流方程求解快速算法。
6. 如权利要求5中所述的速度场快速求解算法，其特征在于，所述的密度简化法采 用的是Boussinesq近似，即将密度看作常数，流场的物性参数也看作常数，其公式为：
其中R为气体常数，取值为R = 287. IJAKg · K)，公式中Ttl为参考温度，取值为 室外温度值，Ptl为参考压力值，取值为一个大气压。
7. 如权利要求5所述的速度场快速求解算法，其特征在于，所述的微分方程分布投影 算法，将时间步从η推进到n+1的方法是：首先从时间步η推进到对流-扩散中间步*，应 用的公式为：
其中Uit为中间步*的速度项，un为当前时间步η的速度项，UlriS上一个时间步的速度 项，V代表网格单元面中心的速度矢量，用来计算面元的通量，中间步的推进完成之后，，通 过格点中心的u#的插值计算，V μ为上一个时间步的￥，而Vn+1为下一个时间步长的V，v ,为 湍动强度，At为时间步长，Tn为当前时间步的温度项，s为控制面积，▽为拉普拉斯算子。
8. 如权利要求5所述的速度场快速求解算法，其特征在于，所述的湍流方程快速求解 算法采用的公式为：ντ= 0. 03874VL，其中
.U1为流场中任意一点χ沿X轴 的速度，U2为点X沿Y轴的速度，u 3为点X沿Z轴的速度，L为长度尺度，取值为点X与壁面 之间的最短距离。
9. 如权利要求1所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算 方法，其特征在于，所述的温度场快速求解算法的主要公式为：
其中k为传热系数，f为中间时间步的温度项，Tn为当前时间步的温度项，T μ为上一 个时间步的温度项，St为源项，Vn+1为下一个时间步长的V。
10. 如权利要求1所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计 算方法，其特征在于，所述的参数输入表的可以自动完成对用户输入界面输入数据的存储。
11. 实现权利要求1到9所述方法的一种用于户内变电站主变室流场温度场快速计 算系统，其特征在于，包括：参数化外观建模模块、智能网格划分模块、湍流方程快速求解模 块、温度场快速求解模块以及速度场快速求解模块、流场可视化模块、输入参数模块、输出 参数模块、用户输入模块。 输入参数模块接收输入到用户输入模块中的户内变电站主变室几何参数，然后经参 数化外观建模模块进行几何建模，参数化建模数据输入智能网格划分模块自动完成网格划 分，将智能网格划分模块中输出的边界信息以及障碍物信息输入到湍流方程快速求解模块 进行计算，将其余划分结果输入到速度场快速求解模块以及温度场快速求解模块中进行计 算，再将计算结果输入到输出参数模块中，最后将输出参数表中接收到的计算结果输入到 流场可视化模块。
12. 如权利要求11所述的一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计 算系统，其特征在于，所述的输入参数模块与用户输入模块以及参数化外观建模模块相连， 用于存储用户输入模块中输入的户内变电站主变室流场温度场计算所需的尺寸、障碍物及 边界信息；所述的输出参数模块用于记录智能网格划分模块的网格划分结果、户内变电站 主变室的尺寸、温度场快速求解模块以及速度场快速求解模块求解出的流场温度场信息结 果。
13. 如权利要求12所述的输出参数表，其特征在于，所述的流场温度场信息结果包括： 变电站主变室流场中所有点的温度值、压力值和沿X、Y、Z三个轴向方向的速度。
【专利摘要】本发明公开了一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算方法，首先是建立输入参数表和输出参数表；再进行几何建模和网格划分；之后将网格划分结果输入到速度场快速求解算法以及温度场快速求解算法中进行计算，结果存储到输出参数表中。本发明还公开了一种用于户内变电站主变室流场温度场数值模拟的快速计算系统，包括了参数化外观建模模块、智能网格生成模块、湍流方程快速求解模块、温度场快速求解模块、速度场快速求解模块、输入输出模块和用户输入模块。本发明实现了户内变电站主变室流场温度场数值的快速计算，使得建模和网格划分过程变得快速、准确，且占用的内存大大的减小，以方便实际工程应用。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104679953
【申请号】CN201510076326
【发明人】徐禄文, 邹岸新, 伏进
【申请人】国网重庆市电力公司电力科学研究院, 国家电网公司
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月12日