热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟2.docx
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热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟2
石家庄铁道大学毕业设计
热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟
TEMPERATUREDISTRIBUTIONBYTHEFLUENT
SOFTWAREINOIL一IMMERSEDTRANSFORMER
USINGHEATPIPE
2012届机械工程学院
专业建筑环境与设备工程
学号20080751
学生姓名杨小军
指导老师郝长生
完成日期2012年5月25日
毕业设计成绩单
学生姓名
杨小军
学号
20080751
班级
机0802-2
专业
建筑环境与设备工程
毕业设计题目
热管在变压器中的温度分布的fluent数值模拟
指导教师姓名
郝长生
指导教师职称
讲师
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长（主任）签字：
年月日
任务书
开题报告
摘要
随着工业的进一步发展，电力已经成为我们社会的最重要动力且需求日益强劲，而我们面临这一强大能源最主要的是它的输送问题，变压器是电力系统的主要设备，它对电能的经济运输，灵活分配，安全使用等具有重要意义。
目前电力上用的大部分是油浸式变压器，但是这种变压器是靠自然循环散热，一旦埋入地下或者在一些非开阔空间放置时，工作产生的热量不能及时散发出去造成油温过高，性能大打折扣，严重可引起爆炸等事故。
本课题针对这一问题展开模拟实验，所采用的是具有高效传热效率的重力热管对油浸式变压器进行散热，利用重力热管能更好的解决变压器在地坑或者其它特殊环境中的散热问题，具有广泛的前景和经济社会效益。
本文利用Fluent软件对加热功率为500w和1000时热管在油浸式变压器内的换热情况以及不同结构内变压器换热情况进行了模拟计算，计算结果与实验基本吻合，本文所作的工作为以后的设计计算及应用提理论依据，避免了实验的盲目性和经验理论指导的不准确性。
关键词：
重力热管温度场fluent软件
英文摘要
目录
符号说明9
第1章绪论1
1.1课题研究的背景和意义1
1.2热管简介3
1.2.1基本简介3
1.2.2基本工作3
1.2.3基本特性4
1.2.4相容性及寿命5
1.3fluent软件介绍5
1.3.1软件简介5
1.3.2Fluent可以计算的流动类型6
1.3.3Fluent的计算步骤6
1.4国内外研究概况7
1.5本课题主要研究内容8
第2章热管式变压器油温升实验10
2.1实验内容10
2.2实验目的11
2.3实验仪器11
2.4实验结果12
2.4.1变压器器身散热测量实验12
2.4.2重力热管功率及油温升测量实验12
第3章热管式变压器的计算模型14
3.1物理模型14
3.2数学模型14
3.2.1数学模型的建立14
3.2.2变压器中油的物性参数15
第4章采用fluent软件模拟热管在油浸式变压器中17
的温度场和流场17
4.1模拟油浸式变压器实验工况下的温度场和流场17
4-1-1加热功率为500w时变压器的温度场和流场17
参考文献22
致谢23
符号说明
本文中的符号，若文中没有特别说明，其意义均如下所示。
文中特别说明所赋符号意义仅限于说明处有效。
x一笛卡尔坐标，m。
y一笛卡尔坐标，m。
z一笛卡尔坐标，m。
t一时间，s。
一密度，kg/
。
u一速度，m/s。
-速度，m/s。
u一运动粘度，m/s。
P一压力，Pa。
h一流体的比烩，J/kg。
一导热系数，w/（m·k）。
Cp一定压比热容，J/（kg·k）。
v一速度，m/s。
一动力粘度，Pa·S。
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
能源是人类生产、生活的物质基础，能源的利用推动了社会经济的进步和人民生活水平的提高。
古代人类以柴草、畜力、风力、水力等为主要能源，产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源。
随着科学、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，并于20世纪60年代超过煤炭。
此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。
随着改革开放20余年的积累，GDP的持续增长，综合国力得到增强。
我国消费结构开始进入住宅、汽车领域。
因此带动了冶金、水泥、铝材高耗能工业超常发展;全球经济化又促使外资大量涌入;这些都导致电力供应紧张局面进一步加剧。
虽然2003年全国电力装机容量已达到38573亿kw，年发电量19110亿kw/h，两者都居世界第二位，但人均年电力消费只有1470kwh，而发达国家人均电力消费一般在6000kwh以上。
我国离小康社会的电力目标尚远，电力事业还需继续发展图。
2006年国民经济以平稳较快速度发展，对电力的需求仍然强劲，各行业用电持续快速增长，虽然高耗能行业受国家宏观调控增速会有所放慢，但是对电力的需求仍会以较快的速度递增。
2006年全社会用电量增长率在12%左右，电力供应能力将进一步增强，发电装机投产规模较大。
据初步调查，2006年新增发电装机在7500万kW左右，是建国以来发电机组投产最多的一年，如此大的机组投产规模将决定着全国及各地区电力供应形势的变化。
随着西北一华中电网的联网成功，全国除新疆、西藏和海南外，其他省区电网实际上已经联成一个全国性的大电网，电网联系将更加紧密，互供、保障及相互支援的能力将进一步增强。
虽然全国电力供需矛盾依然存在，但缺电程度和缺电范围将大大降低。
根据国家电网公司“十一五”电网规划及2020年远景目标报告，“十一五”期间，国家电网公司将新增330kV及以上输电线路6万km、变电容量3亿kV，投资9000亿元左右;电力供应紧张问题刺激了电力投资热潮，带动输变电设备行业增长可能会持续到2008年，预计变压器行业的年需求量为3.6亿一4亿kV。
到2010年，跨区输电能力将达到4000多万kW、输送电量1800多亿kw/h。
国家电网公司“十一五”期间平均每年投资1800亿元，考虑到南方热管在油浸式变压器中温度场分布的Fluent数值模拟电网公司投资一般为国家电网公司的1/3-1/4，国家电网跟南方电网的投资总和将可能达到2250亿元，和“十五”相比增幅达到了90%。
据专家分析，2020年全社会用电将达到39400亿-43200亿kw/h，需要装机8.2亿-9.0亿kw；2011-2020年年均净增电量1400亿-1660亿kw/h，年均需净增装机2600万-3200万kW。
变压器需求与发电设备相关，其配比按1:
11测算，变压器的需求量非常可观，电气设备和输变电设备行业面临着比较光明的发展前景。
变压器是电力系统的重要设备，它对电能的经济传输、灵活分配、安全使用具有重要意义。
目前，变压器在电力工程中的各个领域中获得了广泛的应用，社会生活对电气的依赖程度大大提高，对供电设备的质量要求也比过去更为严格。
随着我国经济的高速发展，城市用电负荷剧增，并且城市的环境限制大，用地、用房紧张，配电变压器的数量不可能很多，导致配电变压器负载率持续增长，变压器过载现象和故障率不断上升，严重威胁电网的安全。
因此配电变压器的安全、环保、防火、防爆等性能成了人们备加关注的问题。
目前电网上运行的变压器大部分仍为油浸式变压器，而且其中80cy0以上是采用自然油循环的冷却方式。
但是这种变压器由于采用片式散热器，使得自身横向体积庞大，运输及维修都很不方便，且片式散热器散热效率较低，变压器经常由于油温升过高，造成变压器油绝缘性能下降、油流带电、线圈老化甚至造成变压器起火、爆炸等事故。
因此改进自然油循环冷却变压器的冷却结构、提高其冷却效率，不论从节能降耗，还是延长变压器的使用寿命、减少热事故方面，都将带来巨大的社会经济效益。
国外已经提出按照城市生态设计理念，城市变压器可以像埋地下管线一样将变压器埋藏于地下，使其既不产生噪音，又不占用有限的城市空间。
而将发热少、操作多、体积小的电气柜设在地面，从而达到减少占地、便于操作、美化环境的目的。
但是传统油浸式变压器当需要安装在地下时，就遇到一个难以解决的问题:
变压器在地坑中靠自然对流难以散热，以致造成变压器油温过高，经常不得不停止运行，否则将引起变压器性能严重下降，甚至引起着火、爆炸等严重事故。
并且地坑条件不利于高压开关安全运行，低压柜位于地下不便读数和操作等。
本课题中的模拟计算所依据的实验模型是采用具有高效传热的重力热管对油浸式变压器进行散热，利用热管散热的变压器能够很好的解决传统变压器在地坑及特殊环境中靠自然对流难以散热的问题，具有广泛的应用前景和经济、社会效益。
1.2热管简介
1.2.1基本简介
热管技术是1963年由美国洛斯阿拉莫斯（LosAlamos）国家实验室的乔治格罗佛（GeorgeGrover）发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管（heatpipe）技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。
现在常见于CPU的散热器上。
从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？
物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。
从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中热传导最快。
热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。
一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。
热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。
管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。
热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。
这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。
1.2.2基本工作
典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×（10负1－－－10负4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。
管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。
当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。
如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。
热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：
热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液——汽）分界面；
（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液——汽）分界面；
（2）液体在蒸发段内的（液——汽）分界面上蒸发；
（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；
（4）蒸汽在冷凝段内的汽．液分界面上凝结：
（5）热量从（汽——液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：
（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。
1.2.3基本特性
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性：
1、很高的导热性
热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。
与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。
当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善（径向热管除外）。
2、优良的等温性
热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
3、热流密度可变性
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。
4、热流方向酌可逆性
一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。
此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。
5、热二极管与热开关性能
热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。
6、恒温特性（可控热管）
普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。
但人们发展了另一种热管——可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。
7、环境的适应性
热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。
1.2.4相容性及寿命
热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。
相容性在热管的应用中具有重要的意义。
只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。
碳钢－水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。
影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：
产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。
1.3fluent软件介绍
1.3.1软件简介
CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。
灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
CFD-ComputationalFluidDynamics，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
是流体力学研究不可或缺的工具。
CFD架起了数物模型和流动现象之间的桥梁，可再现实验现象，从而发现这种现象的数学、物理机制，以及产生、演化的条件和方式，加深对流动现象机理的认识。
进而可以预测流动过程，发现一些新的流动现象和机理。
该软件的原理是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场（如速度场、压力场等），用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
CFD可以看成是在流动基本方程（质量守恒、动量守恒和能量守恒）的控制下，对流动的数值模拟。
1.3.2Fluent可以计算的流动类型
Fluent可以计算的流动类型包括：
（1）任意复杂外形的二维/三维流动；
（2）可压、不可压流；
（3）定常、非定常流；
（4）无粘流、层流和湍流；
（5）牛顿、非牛顿流体流动；
（6）对流传热，包括自然对流和强迫对流；
（7）热传导和对流传热相祸合的传热计算；
（8）辐射传热计算；
（9）惯性（静止）坐标、非惯性（旋转）坐标下的流场计算；
（10）多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混
合面等问题；
（11）化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型；
（12）源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组分源项等形式；
（13）颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散项与连续项相祸合的计算；
（14）多孔介质流动计算；
（15）用一维模型计算风扇和换热器的性能；
（16）两相流，包括带空穴流动计算；
（17）复杂表面问题中带自由面流动的计算。
1.3.3Fluent的计算步骤
计算步骤包括以下凡个方面的内容:
（1）读入模型
（2）模型定义。
包括定义计算所选用的数学模型、能量方程和湍流模型。
（3）定义材料的属性。
（4）定义操作条件。
（5）定义边界条件。
（6）进行求解计算。
（7）查看结果得出结论。
1.4国内外研究概况
本课题所做的实验是针对采用热管技术散热的变压器进行的，热管在油箱内直接与油接触传热，热管外部通过空气自然冷却散热。
该实验以测定热管式变压器的油平均温升为主，同时测量重力热管实际运行的功率以及其壁面和翅片上的温度分布情况改善设计结构，优化其传热性能做出了主要的探索。
自从20世纪60年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司均开展了多方面的开发、应用研究。
目前美国、加拿大、欧洲、及日本等国家和地区都在进行将热管技术应用到变压器中的研究。
如加拿大ABB公司与魁北克水电局设计出了热管式单相固体绝缘变压器，结构如图1-1所示。
图1-1固体绝缘变压器
该变压器制造时将带有毛细管的热管分两排垂直插进变压器中，然后将环氧树脂注入变压器壳体内，使之融为一体。
高压线柱与低压线柱分别放在变压器的两侧，从而保证了电气绝缘距离，为了强化传热，热管冷凝段都加有翅片。
他们对该变压器进行了实验，结果表明热管可以排出由变压器绕组和铁心产生的大部分热量。
以魁北克水电局这台试运行的变压器为例，热管排出的热量约占满负荷（即167kVA）下变压器总耗损的42%，显然大大降低了变压器心部最热点的温度。
经比较，另一台没有热管的同类变压器，其出力将限制在100kVA，且过负荷能力还要受到限制。
这时，变压器最热点的温度将达到140℃左右。
采用热管就能克服上述限制，降低最热点温度，增加出力，并提高过负荷能力。
近年来国内也有对此技术的研究，如承德石油高等专科学校对在用的役龄较长的老式油浸变压器进行改造，采取热管技术措施强化冷却散热，他们采用在变压器箱体外面焊一个封闭的附加小油箱。
在箱体壁上开了上下两个长方形油循环孔，使箱体空间与小油箱空间相通。
热管的蒸发段插入小油箱，冷却段加翅片露在空气中。
实验表明大大降低了油的温升，并且可以延缓内部线圈绝缘材料的老化，延长变压器的寿命。
如图1-2所示。
图1-2油浸变压器应用热管图
1.5本课题主要研究内容
主要内容：
了解热管在油浸式变压器中的排热机理，学习fluent软件包的操作方法。
基于热管式变压器的排热原理，建立物理模型，对热管式变压器内部的元件生热、热管排热过程进行数值计算分析，研究热管排热方式各影响参数的特性。
第2章热管式变压器油温升实验
2.1实验内容
本课题针对一台尺寸为外955×375×885的10kV电压等级的变压器进行分析，在室温为20℃情况下，器身平均温度达85℃时，器身功率约为4.2kw。
根据该变压器的体积和功率，设计了一个实验台，通过一个油箱模拟变压器的运行工况，油箱为长400mm，宽350mm，高800mm壁厚4mm的变压器壳体。
其中放入了体积为0.105
的变压器油，将变压器盖上开个孔，将重力热管的加热段沿孔竖直插进油箱中，其上端冷凝段露在空气中进行散热。
由于热管蒸发段插在油中，其换热系数相对较大，而冷凝段处于空气的自然对流环境中，换热系数很小，是散热的瓶颈，因此我们在重力热管冷凝段加有12片纵向翅片进行强化传热，这样不仅改善了热管传热性能，而且大大增加了热管的散热面积，使其单根散热面积达到了2.361m2。
这种设计相对于原来用片式散热器散热有以下凡方面优点：
（1）大大减小了变压器的体积，安装、运输更方便；
（2）碳钢一水重力热管比其他热管成本低，运行寿命长；
（3）该变压器噪音小，占用城市空间少，便于城市电网布置；
（4）散热性能好，降低了变压器工作温度，延长变压器的使用寿命、减少热事故。
实验系统如图2-1所示。
在实验系统中，实验工况设定为较恶劣工况，即变压器模型处在室内，空气凡乎无流速，热管散热器只能依靠自然对流散热。
其油箱中的油被电加热管加热，其功率由调压器进行调节，功率表测定。
重力热管的加热段竖直插进油箱中，其上端冷凝段露在空气中进行散热。
热管冷凝段的肋基和肋尖都布置有铜一康铜热电偶，在油中布置了三个热电偶，空气中布置有一个热电偶，同时由于一天的气温在不断的改变，油的时间常数很大，大约2小时多，为保证测量油温升更精确，选用了一个油杯，使其油温度与油箱中的油温保持时间同步。
油杯中也放置一热电偶，所有热电偶均接入惠普公司的34970A数据采集仪，数据采集仪再接入计算机。
温度测量系统经过仔细测量精度达到了0.1℃。
图2-1热管式变压器实验系统图
2.2实验目的
本实验是以测定热管式变压器油的平均温升为主，同时测量重力热管实际运行的功率
以及其壁面和翅片上温度分布情况。
（1）对重力热管进行实验，验证将其应用在变压器中的可行性，通过实验检验该重力热管计算功率与实验测得功率是否一致，分析加热段与冷凝段分配比和翅片的选用参数是否合理，以及比较重力热管的形状和放置方式对油平均温升的影响。
（2）通过实验进一步改善这种设计结构，优化其传热性能。
2.3实验仪器
本实验所用到的试验设备:
电源、调压器、功率表、重力热管式变压器、电加热管、油箱、计算机、数据采集仪、热电偶、恒温水箱、标准温度计等。
具体参数列于表2-1。
表2-1实验仪器及参数
设备名称
个数
型号
调压器
1
额定功率：
1KVA单相50Hz
功率表
1
最大电压:
600V电流：
5A
重力热管
1
热管长：
2.1m热管直径：
51mm绝热段长：
100mm
壁厚：
2.5mm加热段长：
700mm加热段翅高：
30mm
冷却段长：
1.3m冷却段翅高：
700mm翅厚：
1.5mm
电加热管
1
直径：
20mm长度：
800mm
油箱
1
尺寸：
800×400×350mm壁厚：
4mm
数据采集仪
1
HP34970A
热电偶
26
铜—康铜热电偶
恒温水箱
1
510型超级自动恒温器
标准温度计
1
二等标准水银温度计（0~50℃50~100℃）
2.4实验结果
2.4.1变压器器身散热测量实验
为了测量出热管式变压器模型通过热管散热的功率及其与油平均温升的关系，必须先测量出变压器油箱的散热功率与油平均温升的关系，因此首先我们设定数据采集仪扫描时间间隔为30秒，然后通过操作调压器来调节电加热管的电压，根据功率表的读数，确定所要输入的
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