本发明涉及特高压气体绝缘输电
技术领域：
，特别涉及一种基于workbench的廊管gil三维温度场及胀缩形变计算方法。
背景技术：
：气体绝缘输电线路(gil)具有电压等级高、输送容量大、电能损耗低、电磁干扰小等优点，且在传统架空线路受约束的区域，如需跨越海峡、大江大海等条件下具有巨大优势，因此gil将得到广泛应用。在运行过程中，由于焦耳热损耗，输电线路一直处于发热状态，导致线路温度升高。温升不仅降低了线路的最大载流能力，而且温度超过一定限度时将影响内部非导电材料的绝缘性能，降低线路使用寿命，甚至发生严重的放电事故；同时温度的变化会使输电管道发生热变形，由热变形产生的应力及疲劳损伤对管路寿命及运行情况有很大影响。因此在设计阶段对线路的运行温度进行合理的预测，并计算管路热应力及热变形对输电线路的结构设计及运行条件的控制有着重要意义。目前，gil温度计算方法主要有两种：解析法和有限元法。解析法通过建立焦耳热损耗与对流换热、辐射换热的热平衡关系迭代求解导体与外壳的温度，该方法计算速度快，可以根据运行条件很快的计算出输电线路导体及外壳的温度，但不能反映gil整体温度的分布。有限元法主要有两种：一种是吴晓文等人建立的包含外部空气域在内的二维多物理场耦合有限元模型，避免了在固体表面施加对流换热边界条件；一种是王健等人建立的不包含外部空气域的三维多物理场耦合模型，该模型可以同时得到输电线路径向与轴向的温度分布，但是需要在固体表面施加对流及辐射换热边界条件。而且以上两种有限元方法都无法考虑在有风速的情况下的gil管道温度分布。在计算出管路温度场的情况下对管路的热变形进行计算，可以对管路的设计，如伸缩节伸缩量的选择，连接、固定装置的设计等有一定的指导意义及参考价值。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有方法的不足，提供一种基于workbench的廊管gil三维温度场及胀缩形变计算方法，建立了三维仿真模型，通过设置空气域出入口边界条件，来计算在考虑廊管内由风机通风的情况下gil管道的温度分布，通过设置气体域的辐射项，并对气体边界设置合理的辐射系数，辐射换热自动迭代求解；简化了边界条件的设置过程，仿真结果与实验结果的误差在5％以内，并且在计算出管路温度场的温度后，可以计算管路热变形，对管路的设计有参考价值。为了达到上述目的，本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于workbench的廊管gil三维温度场及胀缩形变计算方法，包括以下步骤：a：根据结构特性，对模型进行简化，使用solidworks软件建立包含绝缘气体及环境空气的计算模型；b：把物理模型的几何文件导入网格划分软件ansysicemcfd中，进行流体和固体模块的网格划分；c：在workbench中建立cfx模块，将网格导入cfx中，建立流体、固体域，并对各个计算域进行设置；d：在固体计算域上施加考虑集肤效应的焦耳热载荷；e：对流、固计算域进行耦合，并施加边界条件，然后在cfx模块中进行温度场计算；f：将固体域网格文件导入workbench稳态或瞬态热分析模块，并将cfx的计算结果导入到热分析模块中的模型的对应边界上，再次对导体及外壳进行温度场计算；g：将热分析模块中的计算结果导入workbench的静态或瞬态结构分析模块，计算热变形。所述步骤a包括以下步骤：a1：对模型进行简化。由于每一段管道两端的触头处的接触良好，导电性能优良，所以可以忽略触头处的热损耗对管道温度的影响，所以模型只截取部分轴向长度的管道来计算温度场的分布，所得温度场计算结果依然较准确。a2：使用solidworks进行建模，建立的模型包括空气域、圆筒状导体，圆筒状外壳，导体内部的圆柱形绝缘气体区域即内层绝缘气体)，导体和外壳之间的圆筒形绝缘气体区域即外层绝缘气体。所述步骤b网格划分具体为：将建立好的各个区域模型分别导入icemcfd软件中，采用分块划分网格的方式得到o型及h型结构化网格，并对气体域定义边界层，对边界层网格进行加密。所述步骤c包括以下步骤：c1：在workbench工作界面中放入cfx模块，将划分好的网格导入cfx中；c2：创建计算中所需的新材料。固体材料的热物性视为定值，通过直接赋值的方式直接输入相应的导热率、比热容等参数；气体为不可压缩流体，定压比热容视为定值，密度、动力粘度、导热系数考虑温度的影响，通过cel语言定义气体属性：密度计算公式为：导热系数计算公式为：动力粘度计算公式为：其中：ρ(t)(kg/m3)为气体密度，ρ0(kg/m3)为0℃时气体的密度；λ(t)为导热系数，λ0为0℃时气体的导热系数；η(t)(pa·s)为气体动力粘度，η0为0℃时气体的动力粘度；t0为参考温度，273k；s(k)为sutherland常数；t(k)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出。当考虑空气湿度的影响时，可以采用相同方法建立湿空气的密度、导热系数、动力粘度公式，然后赋予新材料；c3：创建流、固计算域，并为各个计算域指定相应材料；c4：对于流体计算域，需要通过添加浮力项考虑气体由于受热产生的密度变化发生的自然对流，其中浮力项参考密度计算公式为：其中ρc(kg/m3)为浮力项参考密度；tc(k)为环境温度；同时通过打开气体域辐射项，设置辐射面的辐射率考虑结构的辐射散热，只考虑气体界面上的辐射，不考虑气体内部对辐射的吸收。所述步骤d包括以下步骤：d1：考虑集肤效应的影响，导体和外壳的电阻计算公式为：其中：ri(ω/m)为导体或外壳电阻；kf为集肤效应系数；ρ20(ω·m)为20℃时导体或外壳的直流电阻率；α20为电阻温度系数；si(mm2)为导体或外壳的横截面积；ti(℃)为导体或外壳的运行温度，在迭代时由求解器实时给出；集肤效应系数计算公式为：其中：c(mm)为导体或外壳壁厚；d(mm)为导体或外壳的外径。d2：导体或外壳每米损耗功率为：p＝i2ri(7)其中：p(w/m)，为导体或外壳的每米损耗，即每米的焦耳热功率；i(a)，在导体中为gil额定电流，在外壳中为感应电流，当gil长度小于20m时，感应电流为额定的0.95，当gil长度大于20m时，感应电流等于gil额定电流。导体或外壳单位体积的焦耳热功率为：其中：pv(w/m3)，为导体或外壳单位体积的焦耳热功率。d3：通过cel语言定义导体和外壳单位体积的焦耳热功率，并将其作为生热率载荷施加在导体及外壳上。所述步骤e包括以下步骤：e1：将流体域与固体域交界面进行耦合，包含热量交换；e2：考虑空气由于受热发生自然对流时，空气域选用层流模型，空气两端面设置为开口边界条件；考虑风速时，根据廊管尺寸及空气流速综合计算空气流动的雷诺数，选择合适的流动模型，然后设置空气入口流速、温度，出口压强；空气外边界面设置为壁面，温度为环境温度，考虑环境吸收外壳的所有辐射，所以空气外边界面辐射系数设置为1；空气与输电管道交界面辐射系数根据输电管道外壳外表面的具体情况确定；e3：绝缘气体由于只发生自然对流，所以选用层流模型；端面设置为对称面；内层绝缘气体不考虑辐射；外层绝缘气体边界的辐射系数根据输电管道外壳内表面及导体外表面的具体情况确定；e4：设置求解器：包括迭代步数、时间步、收敛条件等；设置温度监测点；然后进行求解，得到温度场的分布结果。所述步骤f包括以下步骤：f1：在workbench工作界面中建立有限元建模器finiteelementmodeler模块，并在该模块中输入由icemcfd生成的.uns格式的固体域网格文件；f2：在workbench工作界面中建立稳态或瞬态热分析模块，将上述有限元建模器中的网格导入热分析模块中；f3：在热分析模块中输入材料导热率；f4：将cfx模块中的固体边界的温度计算结果导入到热分析模块中的模型的对应边界上，然后重新进行导体或外壳的温度场计算。所述步骤g包括以下步骤：g1：在workbench工作界面建立静态或瞬态结构分析模块，将有限元建模器中的网格导入结构分析模块中。g2：在结构分析模块中输入材料的密度、热膨胀系数、零热应力的参考温度。g3：施加的约束条件为在导体或外壳的一端截面施加位移约束，仅约束轴向位移，并将热分析模块中计算的温度导入结构分析模块。同时在分析选项中打开弱弹簧选项，然后进行热变形计算。本发明公开的一种基于workbench的廊管gil三维温度场及胀缩形变计算方法，建立了三维仿真模型。由于包含了气体域，对流换热自动迭代求解；通过设置气体域的辐射项，并对气体边界设置合理的辐射系数，辐射换热自动迭代求解；如此一来将简化边界条件的设置过程。同时由于是三维模型，可以通过设置空气域出入口边界条件，来计算在考虑廊管内由风机通风的情况下gil管道的温度分布。采用此方法，对minaguchi等人的实验进行仿真计算，仿真结果与实验结果的误差在5％以内。并且在计算出管路温度场的温度后，可以计算管路热变形，对管路的设计有参考价值。附图说明图1为本发明的流程图。图2为实验模型图；图3为有限元计算模型图；图4为第三组实验条件下外壳温度场分布图：其中图4a为外壳径向温度分布图，图4b为外壳轴向温度分布图；图5为第三组实验条件下外壳形变图；其中图5a为外壳总形变图，图5b为外壳轴向形变图。具体实施方式下面结合附图对本发明做详细叙述。如图1所示，本发明一种基于workbench的廊管gil三维温度场及胀缩形变计算方法，依次包括以下步骤：a：根据结构特性，对模型进行简化，使用solidworks软件建立包含绝缘气体及环境空气的计算模型，具体步骤为：以廊道内三相两回特高压gil输电线路为研究对象，对模型进行适当简化：(1)由于每一段管道两端的触头处的接触良好，导电性能优良，所以可以忽略触头处的热损耗对管道整体温度的影响，所以模型可以只截取部分轴向长度的管道来计算温度场的分布，所得温度场计算结果依然较准确。(2)忽略gil管道的支架部分，只考虑廊道内的空气及gil管道。根据以上简化，利用solidworks软件建立的模型包括：空气域、圆筒状导体，圆筒状外壳，导体内部的圆柱形绝缘气体区域(内层绝缘气体)，导体和外壳之间的圆筒形绝缘气体区域(外层绝缘气体)b：把物理模型的几何文件导入网格划分软件ansysicemcfd中，进行流体和固体模块的网格划分：将建立好的各个区域模型分别导入icemcfd软件中，采用分块划分网格的方式得到o型及h型混合结构化网格，并对气体域定义边界层，对边界层网格进行加密。c：在workbench中建立cfx模块，将网格导入cfx中，建立流体、固体域，并对各个计算域进行设置，具体步骤为：c1：在workbench工作界面中放入cfx模块，将划分好的网格导入cfx中；c2：创建计算中所需的新材料。固体材料的热物性视为定值，通过直接赋值的方式直接输入相应的密度、导热率、比热容等参数，常用的固体域材料及参数见下表。气体为不可压缩流体，定压比热容视为定值，密度、动力粘度、导热系数考虑温度的影响，通过cel语言定义气体属性：密度计算公式为：导热系数计算公式为：动力粘度计算公式为：其中：ρ(t)(kg/m3)为气体密度，ρ0(kg/m3)为0℃时气体的密度；λ(t)为导热系数，λ0为0℃时气体的导热系数；η(t)(pa·s)为气体动力粘度，η0为0℃时气体的动力粘度；t0为参考温度，273k；s(k)为sutherland常数；t(k)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出。当考虑空气湿度的影响时，可以采用相同方法建立湿空气的密度、导热系数、动力粘度公式，然后赋予新材料。c3：创建流、固计算域，并为各个计算域指定相应材料。c4：对于流体计算域，需要通过添加浮力项考虑气体由于受热产生的密度变化发生的自然对流。其中浮力项参考密度计算公式为：其中ρc(kg/m3)为浮力项参考密度；tc(k)为环境温度。同时通过打开气体域辐射项，设置辐射面的辐射率考虑结构的辐射散热，只考虑气体界面上的辐射，不考虑气体内部对辐射的吸收。d：在固体计算域上施加考虑集肤效应的焦耳热载荷，具体步骤为：d1：考虑集肤效应的影响，导体和外壳的电阻计算公式为：其中：ri(ω/m)为导体或外壳电阻；kf为集肤效应系数；ρ20(ω·m)为20℃时导体或外壳的直流电阻率；α20为电阻温度系数；si(mm2)为导体或外壳的横截面积；ti(℃)为导体或外壳的运行温度，在迭代时由求解器实时给出。集肤效应系数计算公式为：其中：c(mm)为导体或外壳壁厚；d(mm)为导体或外壳的外径。d2：导体或外壳每米损耗功率为：p＝i2ri(7)其中：p(w/m)，为导体或外壳的每米损耗，即每米的焦耳热功率；i(a)，在导体中为gil额定电流，在外壳中为感应电流，当gil长度小于20m时，感应电流为额定的0.95，当gil长度大于20m时，感应电流等于gil额定电流。导体或外壳单位体积的焦耳热功率为：其中：pv(w/m3)，为导体或外壳单位体积的焦耳热功率。d3：通过cel语言定义导体和外壳单位体积的焦耳热功率，并将其作为生热率载荷施加在导体及外壳上。e：对流、固计算域进行耦合，并施加边界条件，然后在cfx模块中进行温度场计算，具体步骤为：e1：将流体域与固体域交界面进行耦合，包含热量交换。e2：考虑空气由于受热发生自然对流时，空气域选用层流模型，空气两端面设置为开口边界条件；考虑风速时，根据廊管尺寸及空气流速综合计算雷诺数，根据雷诺数判断空气流动状态，然后选择合适的流动计算模型，设置空气入口流速、温度，出口压强；空气外边界面设置为壁面，温度为环境温度，考虑环境吸收外壳的所有辐射，所以空气外边界面辐射系数设置为1；空气与输电管道交界面辐射系数根据输电管道外壳外表面的具体情况确定。e3：绝缘气体由于只发生自然对流，所以选用层流模型；端面设置为对称面；内层绝缘气体不考虑辐射；外层绝缘气体边界的辐射系数根据输电管道外壳内表面及导体外表面的具体情况确定。e4：设置求解器：包括迭代步数、时间步、收敛条件等；设置温度监测点；然后进行求解。当温度监测点的温度达到稳定时，即视为求解收敛，最后在后处理器中进行后处理，得到温度场的分布等其他结果。f：将固体域网格文件导入workbench稳态或瞬态热分析模块，并将cfx的计算结果导入到热分析模块中的模型的对应边界上，再次对导体及外壳进行温度场计算，具体步骤为：f1：在workbench工作界面中建立finiteelementmodeler(有限元建模器)模块，并在该模块中输入由icemcfd生成的.uns格式的固体域网格文件。f2：在workbench工作界面中建立稳态或瞬态热分析模块，将上述有限元建模器中的网格导入热分析模块中。f3：在热分析模块中输入材料导热率。f4：将cfx模块中的固体边界的温度计算结果导入到热分析模块中的模型的对应边界上，然后重新进行导体或外壳的温度场计算。g：将热分析模块中的计算结果导入workbench的静态或瞬态结构分析模块，计算热变形，具体步骤为：g1：在workbench工作界面建立静态或瞬态结构分析模块，将有限元建模器中的网格导入结构分析模块中。g2：在结构分析模块中输入材料的密度、热膨胀系数、零热应力的参考温度。g3：将热分析模块中计算的温度导入结构分析模块；由于计算模型为部分管道模型，所以在管道端面不施加位移约束，只需在分析选项中打开弱弹簧选项即可；最后进行热应力、热变形计算。实施例按本发明提出的方法，对minaguchi等人的实验进行仿真计算，实验模型如图2所示：导体及外壳尺寸参数如下：内径/mm外径/mm导体140160外壳480490实验环境为：室内，无太阳辐射；环境空气为自然对流状态。根据实验结果得到，在此环境下，管道整体的温度场分布在轴向上是均匀的。实验在三组运行条件下进行：第一组第二组第三组运行电流/(a)260044005600环境温度/(℃)261624根据以上描述，对于此实验的模拟本方法依次包括以下步骤：a：根据结构特性，对模型进行简化，使用solidworks软件建立包含绝缘气体及环境空气的计算模型，具体步骤为：对模型进行适当简化：由于管道两端的触头处的接触良好，导电性能优良，所以可以忽略触头处的热损耗对管道整体温度的影响，模型可以只截取部分轴向长度的管道来计算温度场的分布。因此，根据导体及外壳尺寸，利用solidworks软件建立的模型如图3所示，自外向内包括：空气域、圆筒状外壳，导体和外壳之间的圆筒形绝缘气体区域(外层绝缘气体)，圆筒状导体，导体内部的圆柱形绝缘气体区域(内层绝缘气体)。其中空气域半径为750mm，建立的模型的轴向(z轴方向)长度为100mm。：b：把物理模型的几何文件导入网格划分软件ansysicemcfd中，进行流体和固体模块的网格划分：将建立好的各个区域模型分别导入icemcfd软件中，采用分块划分网格的方式得到o型结构化网格，并对气体域定义边界层，对边界层网格进行加密。c：在workbench中建立cfx模块，将网格导入cfx中，建立流体、固体域，并对各个计算域进行设置，具体步骤为：c1：在workbench工作界面中建立cfx模块，将划分好的网格导入cfx模块中；c2：创建计算中所需的新材料。固体材料的热物性视为定值，通过直接赋值的方式直接输入相应的密度、导热率、比热容等参数，实验模型中导体及外壳的材料热物性参数如下：空气及绝缘气体视为不可压缩流体，定压比热容视为定值，密度、动力粘度、导热系数考虑温度的影响，通过cel语言定义气体属性：密度计算公式为：导热系数计算公式为：动力粘度计算公式为：其中：ρ(t)为气体密度，ρ0(kg/m3)为0℃时气体的密度；λ(t)为导热系数，λ0(w/(m·k))为0℃时气体的导热系数；η(t)为气体动力粘度，η0(pa·s)为0℃时气体的动力粘度；t0(k)为参考温度；s(k)为sutherland常数；t(k)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出。0℃时气体的物性参数如下：空气绝缘气体sf6ρ0/(kg/m3)1.29322.82λ0/(w/(m·k))2.44*10-21.206*10-2η0/(pa·s)1.72*10-51.42*10-5比热/(j/(kg·k))1005665.18热物性参数计算公式中的常数值为：c3：创建流、固计算域，并为各个计算域指定相应材料。c4：对于流体计算域，由于不同位置气体的温度不同，因此会导致不同位置气体的密度不同，从而在重力作用下气体发生自然对流。此时需要打开流体域浮力项，考虑气体的自然对流传热。其中浮力项的重力方向为y轴方向，大小为-9.8m/s2，浮力项参考密度计算公式为：其中ρc(kg/m3)为浮力项参考密度；tc(k)为预期的气体域平均温度。通过打开气体域辐射项，考虑模型的辐射传热。考虑到气体发射和吸收辐射的能力，将气体视为热辐射的透明体，因此辐射模型选择discretetransfer模型，辐射模式为surfacetosurface，通过在边界上设置辐射面的辐射率计算模型的辐射传热。通过这种方法考虑模型的辐射散热，将大大简化辐射散热边界条件的施加。d：在固体计算域上施加考虑集肤效应的焦耳热载荷，作为发热源，具体步骤为：d1：考虑集肤效应的影响，通过cel语言定义导体和外壳的电阻计算公式为：其中：ri(ω/m)为导体或外壳电阻；kf为集肤效应系数；ρ20(ω·m)为20℃时导体或外壳的直流电阻率；α20为电阻温度系数；si(mm2)为导体或外壳的横截面积；ti(℃)为导体或外壳的运行温度，在迭代时由求解器实时给出。公式中的参数如下：ρ20/(ω·m)导体0.0290.004外壳0.0330.004通过cel语言定义集肤效应系数计算公式为：其中：c(mm)为导体或外壳壁厚；d(mm)为导体或外壳的外径。d2：通过cel语言定义导体或外壳每米损耗功率为：p＝i2ri(7)其中：p(w/m)，为导体或外壳的每米损耗，即每米的焦耳热功率；i(a)，在导体中为gil额定电流，在外壳中为感应电流，当gil长度小于20m时，感应电流为额定电流的0.95，当gil长度大于20m时，感应电流等于gil额定电流。在实验中，导体和外壳是直接连通的，所以流过两者的电流大小相同。通过cel语言定义导体或外壳单位体积的焦耳热功率为：其中：pv(w/m3)，为导体或外壳单位体积的焦耳热功率。d3：通过cel语言建立好体积焦耳热功率计算公式后，在导体及外壳计算域中设置子域，将导体及外壳单位体积的焦耳热功率施加在子域上作为生热源。e：对流、固计算域进行耦合，并施加边界条件，然后在cfx模块中进行温度场计算，具体步骤为：e1：将流体域与固体域交界面进行耦合，考虑流固体域之间的换热，需要在耦合面上打开传热选项；同时由于流、固体域网格划分的密度不同，所以耦合面上网格的连接方式选择ggi连接方式。e2：在此实验中，由于实验环境为室内无风速条件，所以环境空气的流动状态为由于受热而发生自然的对流。此时空气域选用层流计算模型，空气两端面设置为开口边界条件。空气外边界面设置为无滑移等温壁面，温度为环境温度。空气与外壳交界面辐射系数根据外壳外表面的具体情况确定，在此实验中，外壳外表面的辐射系数为0.8；考虑环境吸收外壳发出的所有辐射，所以空气外边界面辐射系数设置为1。e3：绝缘气体处于封闭空间内，只因受热不均发生自然对流，所以气体流动状态为层流，选用层流计算模型。由于只对部分管道进行了建模仿真，所以两部分绝缘气体域的端面都设置为对称面。由于导体内壁面温差不大，所以不考虑其辐射传热，所以不启用内层绝缘气体域的热辐射选项。由于导体与外壳间的温差较大，需要考虑两者之间的辐射传热，所以需要使用外层绝缘气体域的热辐射选项，具体设置如c3中所述，外层绝缘气体边界的辐射系数根据外壳内表面及导体外表面的具体情况确定，在此实验中，外壳内表面辐射系数为0.9，导体外表面辐射系数为0.9。e4：设置求解器：包括迭代步数、时间步、收敛条件等；设置温度监测点；然后进行求解。当温度监测点的温度达到稳定时，即视为求解收敛，最后在后处理器中进行后处理，得到温度场、流场等结果。其中对第三组实验进行仿真计算得到外壳的温度场结果如图4所示：f：将固体域网格文件导入workbench稳态或瞬态热分析模块，并将cfx的计算结果导入到热分析模块中的模型的对应边界上，再次对导体及外壳进行温度场计算，具体步骤为：f1：在workbench工作界面中建立finiteelementmodeler(有限元建模器)模块，并在该模块中导入由icemcfd生成的.uns格式的固体域网格文件。f2：在workbench工作界面中建立稳态或瞬态热分析模块，将上述有限元建模器中的网格导入热分析模块中。f3：在热分析模块中输入材料导热率。f4：将cfx模块中的固体边界的温度计算结果导入到热分析模块中的模型的对应边界上，然后重新进行导体或外壳的温度场计算。g：将热分析模块中的计算结果导入workbench的静态或瞬态结构分析模块，计算热变形，具体步骤为：g1：在workbench工作界面建立静态或瞬态结构分析模块，将有限元建模器中的网格导入结构分析模块中。g2：在结构分析模块中输入材料的密度、热膨胀系数、零热应力的参考温度。对于此实验，零热应力参考温度为每组实验条件下的环境温度，材料的热膨胀系数如下：材料热膨胀系数/(1/℃)导体a60632.34*10-5外壳a50052.38*10-5g3：将热分析模块中计算的温度导入结构分析模块；由于计算模型为部分管道模型，所以在管道端面不施加位移约束，只需在分析选项中打开弱弹簧选项即可；最后进行热应力、热变形计算。其中对第三组实验进行仿真计算得到外壳的形变场结果如图5所示。以上即为本方法的完整过程，使用本方法对minaguchi等人的三组实验分别进行仿真计算，得到的温度结果对比如下：可以看到，使用本方法进行仿真计算，误差最大为2.13％，说明本方法能有效求解gil温度场的分布，并以温度场计算结果为依据进行应力、应变计算是可行的。当前第1页12