油浸式電力變壓器流場及溫度場耦合有限元方法研究.pdf

1、油浸式電力變壓器是輸配電網(wǎng)的重要設(shè)備之一，熱點(diǎn)溫升關(guān)系到油浸式電力變壓器的使用壽命及運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。油浸式電力變壓器的溫升計(jì)算問題是一個(gè)電磁場、流場及溫度場相互耦合的多物理場耦合計(jì)算問題。論文圍繞油浸式電力變壓器內(nèi)部溫升計(jì)算過程中流場方程的計(jì)算問題、流固耦合傳熱問題、流場與溫度場耦合計(jì)算問題、考慮隨機(jī)特性的溫度場計(jì)算方法等問題展開研究，主要研究工作有:
　　(1)針對穩(wěn)態(tài)流場的計(jì)算問題，推導(dǎo)了求解穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體流動問題的最小二

2、乘有限元離散格式，研究了基于單元剛度矩陣存儲的有限元方程計(jì)算方法，提出了基于單元剛度矩陣存儲的第一類邊界條件處理方法。以方腔項(xiàng)蓋驅(qū)動流模型為基本算例分析了最小二乘有限元法計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場方程的基本特征，驗(yàn)證了計(jì)算方法的有效性。
　　(2)針對計(jì)算瞬態(tài)流場問題時(shí)方程自由度過大、計(jì)算效率過低的問題，提出了求解瞬態(tài)流場問題的降階最小二乘有限元方法。該方法首先應(yīng)用最小二乘有限元法計(jì)算部分時(shí)刻流場的解構(gòu)成瞬像矩陣，然后對瞬像矩陣進(jìn)行特征正交分解

3、(Proper Orthogonal Decomposition，POD)提取流場的特征正交基，結(jié)合離散經(jīng)驗(yàn)插值方法(Discrete Empirical Interpolation Method，DEIM)及Galerkin正交投影方法構(gòu)建求解瞬態(tài)流場方程的POD-DEIM降階計(jì)算模型。數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了降階計(jì)算方法的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率的高效性。
　　(3)針對油浸式電力變壓器內(nèi)部溫升的計(jì)算問題，提出了一種流場與溫度場耦合有限元計(jì)

4、算方法。該方法應(yīng)用最小二乘有限元法計(jì)算油流的流場控制方程，得到油道中的油流速度分布。構(gòu)建流固耦合傳熱問題的整場計(jì)算模型，采用流線迎風(fēng)有限元法計(jì)算整場傳熱方程，得到整場的溫度分布。通過順序耦合依次迭代計(jì)算流場及溫度場的有限元控制方程，得到最終的油流速度及整場溫度分布情況。應(yīng)用該方法計(jì)算了一臺油浸式電力變壓器局部繞組結(jié)構(gòu)模型的溫度分布，計(jì)算結(jié)果與Fluent軟件對比驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。
　　(4)結(jié)合油浸式電力變壓器餅式繞組的基本

5、結(jié)構(gòu)，應(yīng)用所提出的流場及溫度場耦合有限元方法分析了餅式繞組油道油流及整場溫度的分布特征。同時(shí)，結(jié)合變壓器設(shè)計(jì)理論，分析了餅式繞組水平油道高度、豎直油道寬度、分區(qū)數(shù)及入口油流速度等設(shè)計(jì)參數(shù)對繞組結(jié)構(gòu)中油流速度及溫度分布的影響，討論了油流速度分布對于繞組溫升的影響機(jī)理，為變壓器繞組散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繞組溫升過熱分析提供指導(dǎo)。
　　(5)為了研究不確定性因素對溫度場的影響，論文提出了一種求解隨機(jī)溫度場分布的降階蒙特卡洛隨機(jī)有限元方法。首先，