长距GIL输电隧道围岩及空气非稳态传热计算方法与流程

本发明涉及gil输电隧道传热，具体涉及长距gil输电隧道围岩及空气非稳态传热计算方法。

背景技术：

1、气体绝缘输电线路(gas-insulated transmission lines，gil)采用金属外壳封闭导电杆、内部填充压缩气体(如sf6混合气体等)进行绝缘。gil电缆在隧道中进行长距输电工作时的发热量较大，造成隧道内部环境温度大幅度上升，高环境温度会降低gil的输电能力(载流量阈值)。

2、计算gil输电隧道非稳态传热过程，对于分析输电隧道内部环境温度，评估gil高温风险提供了依据。目前主流的cfd计算软件在处理超长大型传热物理场时需要较高的计算机算力配置，且计算时间冗长，在工程应用上的灵活性较差。

技术实现思路

1、基于背景技术所提出的技术问题，本发明的目的在于提供长距gil输电隧道围岩及空气非稳态传热计算方法，通过研究gil输电隧道非稳态传热流动模型及温度场分布规律，从而解决目前gil输电隧道传热工程计算过程繁琐、计算时间长的问题，能够可简化工程计算过程，缩短计算时间。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明第一方面提供了长距gil输电隧道围岩及空气非稳态传热计算方法，包括如下步骤：

4、步骤s1、建立隧道轴向传热模型，利用有限体积法在所述隧道轴向传热模型的隧道长度方向进行网络划分，计算划分后的单元网格任一时刻下隧道内空气温度；

5、步骤s2、建立隧道径向传热模型，采用分离变量法对所述隧道径向传热模型进行解析求解，得到隧道径向温度计算式；

6、步骤s3、将所述隧道内空气温度带入所述隧道径向温度计算式，得到该时刻单元网格围岩深度方向上的温度分布，将所述温度分布作为该时刻下一个单元网格的初始条件进行迭代计算；

7、步骤s4、将该时刻整个隧道内平均空气温度带入动态载流量计算公式，得到电缆下一时刻载流量的散热量，并带入所述隧道轴向传热模型计算下一时刻隧道内空气温度。

8、在上述技术方案中，建立隧道轴向传热模型并求解，而该隧道轴向传热模型为常物性、有内热源的一维非稳态对流传热模型。简化隧道横断面为圆型面，考虑隧道围岩与空气进行对流交换，将围岩内壁面传热边界条件视为第三类边界条件建立隧道径向传热模型，采用分离变量法进行解析求解，得到隧道径向温度计算式。将步骤s1的空气温度求解结果代入步骤s2的温度计算式，计算该时刻单元网格围岩深度方向上的温度分布，再将其中围岩壁温作为计算该时刻下一个单元网格的初始条件，代入步骤s1计算该时刻下一个单元网格内空气温度，以此方式不断迭代。从而可以同时计算得出整个隧道围岩深度方向和长度方向上不同时刻的温度分布，不同地区可通过此方法及流程进行工程计算，实现快速且准确的计算，后续可直接用于该地区的gil输电环境设计。克服了现有技术中在处理超长大型传热物理场时需要较高的计算机算力配置，且计算时间冗长，在工程应用上的灵活性较差的缺陷。

9、在一种可选的实施例中，所述隧道轴向传热模型为：

10、

11、上式中，ρ为流体密度，kg/m3；cp为流体比热容，j/(kg·k)；tf为流体温度，k；tw为围岩内壁面温度，k；u为流体在x方向上的速度，m/s；h为围岩内壁面与空气的对流换热系数，w/(m2·k)；q为gil发热量，w/m3。

12、在一种可选的实施例中，所述隧道轴向传热模型的边界条件及初始条件设置如下：

13、

14、上式中，tinlet为隧道空气入口；toutlet为隧道空气出口；t0为隧道内初始温度。

15、在一种可选的实施例中，gil发热量q的计算过程如下：

16、q＝n×i2×rc×(1+λ1)×n/s

17、上式中，n为每根电缆中的导体数；i为电缆正常运行时动态载流量，a；rc为导体在最高工作温度下单位长度的交流电阻，ω/m；λ1为外壳总损失与导体总损失的比率；n为隧道内gil根数；s为隧道内空气横截面积，㎡。

18、在一种可选的实施例中，电缆正常运行时动态载流量i的计算过程如下：

19、pf+pd＝i2rc

20、上式中，i为运行电缆的电流，a；rc为设定温度下的交流电阻，ω/m；pf为单位长度辐射散热功率；pd为单位长度对流散热功率；

21、单位长度辐射散热功率计算公式为：

22、

23、外壳工作时的温度为ty，单位k；

24、ty＝tf+δt1

25、上式中，r为电缆外径，m；l为电缆长度，m；α为电缆表面辐射散热系数，不同材料的散热系数不同；β＝5.6704×10-8w·m-2·k-4；δt1为电缆运行时的平均温度变化大小；tf为电缆周围空气温度，k；ts为电缆非运行条件下表面温度气温，k；

26、其中，外壳工作时的温度为ty通过gil导体和外壳之间绝缘气体热阻与电缆单位长度的导热热流量计算得出；

27、gil导体和外壳之间绝缘气体的热阻为等效热阻，表示对流和辐射引起的热传递；

28、gil辐射传热热量和对流传热热量的具体计算公式如下:

29、

30、

31、上式中，wr为辐射传热热量，w/m；wl为对流传热热量，w/m；tc为到导体温度，k；ty为外壳温度，k；εc为导体表面发射率，一般取0.2；εe为外壳表面发射率，一般取0.2；δt2为导体相对于外壳的温升，k；p为绝缘气体绝对压力，bar；k0为对流系数，对于sf6，k0＝11.3；dw为外壳内径，m；dc为导体外径，m；

32、等效辐射热阻rr为：

33、

34、等效对流热阻rl为：

35、

36、其中，绝缘气体的等效热阻是对流热阻和等效辐射热阻并联的结果；

37、由辐射热阻和对流热阻并联而成的等效热阻为：

38、

39、绝缘气体的热导率为：

40、

41、电缆单位长度的导热热流量为：

42、

43、单位长度对流散热功率计算公式为：

44、pd＝0.57πfctcre0.485

45、式中，fc为导线表面空气层的传热系数，w/(m·℃)；re为雷诺数。

46、

47、υ＝1.32×10-5+9.6(ta/2+δt1/2)×10-8

48、式中，v为电缆周围风速，m/s；为风向与电缆的夹角；υ为电缆表面空气层的运动粘度，m2/s，整理得到：

49、

50、在一种可选的实施例中，导体在最高工作温度下单位长度的交流电阻rc的计算过程如下：

51、rc＝εiδr′c

52、r′c＝r0c[1+α20(θm-20)]

53、上式中，r0c为导体20℃时的单位长度的直流电阻，ω/m；r′c为导体最高工作温度下单位长度的直流电阻，ω/m；ε为电缆交流电阻与直流电阻比(和电流相关，ε＝0.8042)；δ为电流值系数，δ＝0.0363；α20为导体材料20℃时的电阻率温度系数,0.00425℃；θm为导体的最高运行温度，℃。

54、在一种可选的实施例中，所述隧道径向传热模型建立如下：

55、在一种可选的实施例中，所述隧道径向传热模型的边界和初始条件为：

56、

57、上式中，a为隧道围岩的热扩散率，㎡/s；t(ri,τ)为τ时刻围岩内壁面处的温度值，k；ri为隧道围岩内壁面的当量半径，m；hw为隧道围岩内璧面与空气的对流换热系数，hw＝6.76×v0.8+0.74，w/(㎡.k)，v是隧道内断面的平均风速，m/s；tf为空气的温度值，k；t(ro,τ)为围岩远边界的温度值，k；t0为围岩的初始温度值，k。

58、在一种可选的实施例中，所述隧道径向温度计算式为：

59、

60、

61、

62、

63、

64、

65、ψm＝βmri

66、上式中，为围岩的无因次温度；γ为围岩的无因次深度；bi为围岩的毕渥数；fo为围岩的傅里叶数；λ为围岩的无因次远边界半径；ψ为围岩的无因次内壁面半径，m为取值个数。

67、在一种可选的实施例中，所述隧道径向温度计算式采用无量纲计算式。

68、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

69、相较于现有技术而言，本发明所提出的长距gil输电隧道围岩及空气非稳态传热计算方法可以同时计算得出整个隧道围岩深度方向和长度方向上不同时刻的温度分布，不同地区可通过此方法及流程进行工程计算，实现快速且准确的计算，后续可直接用于该地区的gil输电环境设计。