通过单元节点分解和矩阵合并来计算内部温度以确定电缆尺寸的装置和方法_3

文档序号:9493688阅读:来源:国知局
心节点表示在导电线芯AC内的热传递,以及节点N2为接口节点,该接口节点表 示在导电线芯AC和第一绝缘层Cl1之间的接口处的热传递。
[0063] 作为非限制性示例,第一中间单元C2i被分解为三个节点N2,N3和N4。节点N2与 中心单元C1的节点相同(该节点因此被共享),节点N3为中心节点,该中心节点表示第一 绝缘层CI1的固态材料,以及节点N4为接口节点,该接口节点表示第一绝缘层CI1和屏蔽 层CB之间的接口。
[0064] 作为非限制性示例,第二中间单元C22被分解为三个节点N4,N5和N6。节点N4与 第一中间单元C2i的节点相同(该节点因此被共享),节点N5为中心节点,该中心节点表示 屏蔽层CB的固态材料,以及节点N6为接口节点,该接口节点表示屏蔽层CB与第三绝缘层 CI2之间的接口。
[0065] 作为非限制性示例,第三中间单元C23被分解为三个节点N6,N7和N8。节点N6与 第二中间单元C22的节点相同(该节点因此被共享),节点N7为中心节点,该中心节点表示 第三绝缘层CI2的固态材料,以及节点N8为接口节点,该接口节点表示在第三绝缘层CI2 与周围环境MA之间的接口。
[0066] 作为非限制性示例,外部单元C3被分解为两个节点N8和N9。节点N8与第三中间 单元C23的节点相同(该节点因此被共享),以及节点N9为接口节点,该接口节点表示在周 围环境MA与外部环境(即相对于周围环境MA较远并且因此那里不受环境温度U影响) 之间的接口。注意到节点N9可被认作具有已知(但不包括在温度向量M(T)中)并且用于 限定系统的固定环境温度TMb的限制状况。
[0067] 可以理解,可用比作为示例的情况更多或更少的节点数量(但至少等于两个)来 考虑每个单元Cj的其它表示。
[0068] 优选地,每个节点Nk的通用方程式为:(G.T)+P=C. (dT/dt),其中G为表示总电 导的变量,P为表示焦耳效应功耗的变量,C为表示热容的变量,T表示内部温度(Tf)以及 t表示经历的时间。
[0069] 该通用方程式为在分解出的每个单元Cj的每个节点Nk位置上的热能量保持方程 式。
[0070] 总电导G优选地等于传导的内部电导Gint、辐射电导GJP对流电导G。之和。注意 到在材料中对流电导和辐射电导为零,在外部空气中传导电导几乎为零。
[0071] 可利用傅里叶定律来计算内部电导Gint:在环形圆柱形导电线芯AC具有导热 系数λ的情况下,Gint= 4πλ,或在绝缘层CI1,CI2或CB为环形圆柱体的情况下,
[0072]其中Rint为材料内半径,RMt为材料外半径,以及λint- 为所考虑的材料的自 内向外的导热系数。
[0073] 通过如下公式给出辐射电导Gr:Gr(Tf) =e.S.σ· (TfVU2)· (Tf+D,其中ε 为材料辐射率,σ为玻尔兹曼常数,S为辐射交换面积,Tf为以开氏为单位的内部温度。周 围环境MA此处被认为是具有大气温度的空气。
[0074]通过如下公式给出对流电导Gc:Gc(Tf) =Aair(Tf).Nu(Tf). (Tf_Tanib),其中 为空气导热系数,Nu(Tf)为努塞尔数,TMb为周围环境MA的温度,其被认为等于计算辐射电 导匕所使用的温度。如果给出对于GJPG。的周围环境MA的不同温度,可细化计算GJ口 G。,这是由于例如存在热(排放)元件,该元件例如改变了对于匕要考虑的温度。
[0075] 通过如下公式给出努塞尔数:
[0077]其中Ta(Tf)为瑞利数,Pr为普朗特数,以及η为值随对流是层流型或湍流型而变 化的参数。
[0078] 通过如下公式给出瑞利数:
[0079]
[0080] 其中g为重力,β是体积热膨胀系数,I为特征长度,α为热扩散率,以及V为运 动粘度。
[0081] 通过如下公式给出由于焦耳效应功耗Ρ:
[0082]
[0083] 其中,P2(rc为材料在20°C下的电导,acu为导电线芯AC在内部温度Tf下的温度 系数,I为流经导电线芯AC的电流强度,以及S为导电线芯AC的横截面面积。
[0084] 通过如下公式给出由一些节点Nk存储的热容C:C=e. 1.pmat.cpmat,其中e为材 料厚度,I为材料长度(在环的情况下厚度和宽度为相同的量),Pnat为材料密度以及cp_ 为比热。
[0085] 理解到,通过对单元Cj的每个节点Nk应用通用方程式,得到的耦合方程系统可具 有基本矩阵Me()的形式,该基本矩阵与该通用方程式的每个变量相关联。
[0086] 在此阶段,为基本矩阵Me(Gcj)的每个单元Cj设置不同节点Nk的总电导G,为基 本矩阵Me(Ccj)的每个单元Cj设置不同节点Nk的热容C,以及为基本矩阵Me(Pcj)的每个 单元Cj设置不同节点Nk的功耗Ρ。
[0087] 优选地,表示单元Cj总电导G的每个基本矩阵Me(Gcj)为(η,η)型并且优选地为 对角线式的方阵,其中η为单元Cj的节点Nk的数量,表示单元Cj热容C的每个基本矩阵 Me(Ccj)为(η,η)型并且优选地为对角线式的方阵,以及表示单元Cj焦耳效应功耗P的每 个基本矩阵Me(Pcj)为(n,l)型的列矩阵。
[0088] 此处对角线式方型基本矩阵的类型为(当η= 3时):
[0090] 第三种操作涉及根据与具有节点Nk的节点组相关联的对应的基本矩阵Me()为通 用方程式的每个变量G、C、P构建全局矩阵Mg()。
[0091]换句话说:
[0092]-通过由该电缆CEi的分解得到的单元Cj的不同基本矩阵Me(Gcj)来构建用于电 缆CEi总电导G的全局矩阵Mg(G),
[0093] -通过由该电缆CEi的分解得到的单元Cj的不同基本矩阵Me(Gcj)来构建用于电 缆CEi热容C的全局矩阵Mg(C),以及
[0094]-通过由该电缆CEi的分解得到的单元Cj的不同基本矩阵Me(Gcj)来构建用于电 缆CEi功耗P的全局矩阵Mg(P)。
[0095] 例如通过连续合并对应的基本矩阵Me()来构建每个全局矩阵Mg()。图7示出了 通过连续合并的构建,在该情况下,方阵表示总电导G或热容C。图8也示出了通过连续合 并的构建,在该情况下,列矩阵表示功耗P。
[0096]如图所示,由于表示同一接口节点Nk,所述构建涉及将第(m+1)个基本矩阵Me〇 的第一行和第一列的第一个值与第m个基本矩阵Me()的最后一行和最后一列的最后一个 值相加,然后使用第(m+1)个基本矩阵Me()的其它值并且保持相对于第(m+1)个基本矩阵 Me()的第一行和第一列的第一个值的各自位置来在构建中使全局矩阵Mg()完整。之后为 全局矩阵Mg()的未被基本矩阵Me〇的值或连续的两个基本矩阵Me〇 (第m个和第(m+1) 个)的值的和占据的每个位置赋予零值。
[0097] 全局矩阵Mg()的序号等于表示所考虑的电缆CEi的节点Nk总数。
[0098] 例如,如果电缆CEi可被分解为三个单元Cl,C2和C3,与中心单元C1的总电导 G相关联的初级矩阵为
与中间单元C2的总电导G相关联的初级矩阵为
,与外部单元C3的总电导G相关联的初级矩阵为
电缆CEi的总电导G相关联的全局矩阵为
·
[0099] 同理,如果电缆CEi可被分解为三个单元Cl,C2和C3,与中心单元C1的功耗P相关 联的初级矩阵为
,与中间单元C2的功耗P相关联的初级矩阵
与外部单元C3的功耗P相关联的初级矩阵为
那么与电缆CEi的功耗P相关
[0100] 第四种操作涉及通过全局矩阵Mg(G)、Mg(C)和Mg⑵对矩阵形式的通用方程式 进行数值求解来确定(用于所考虑的迭代的)所考虑的电缆CEi的内部温度Tf,即此处为 (Mg(G).M(T))+Mg(P) =Mg(C).M(d
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