基于ansys apdl與ansys cfx的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方法，包括下列步驟：S1、ANSYS APDL有限元模型構(gòu)建，通過單元選擇、材料設(shè)定、網(wǎng)格劃分、載荷與邊界條件的施加，計(jì)算得到電流密度隨r(m)變化的函數(shù)J(r)；S2、ANSYS CFX有限元模型構(gòu)建，通過材料設(shè)定、求解域設(shè)置、網(wǎng)格劃分、載荷施加、邊界條件施加，計(jì)算得到導(dǎo)線內(nèi)的溫度最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2；S3、ANSYS APDL有限元模型與ANSYS CFX有限元模型循環(huán)迭代，得到鋼芯鋁絞線的溫度場(chǎng)分布。該仿真方法能在物理過程上更接近導(dǎo)線的實(shí)際發(fā)熱與散熱過程，獲得更精確的鋼芯鋁絞線徑向溫度場(chǎng)分布。
【專利說明】
基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于ANSYS APDL 與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電量也快速增長，促進(jìn)了電網(wǎng)的建設(shè)。然而，在現(xiàn)在的情 況下，輸電走廊仍在一定程度上限制了電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展。建設(shè)新的輸電走廊需要耗費(fèi)大 量的資金與時(shí)間，在短期之內(nèi)并不會(huì)對(duì)輸電走廊的短缺起到緩解作用。因而，如何充分利用 現(xiàn)有的線路的輸電能力就成為了一個(gè)有實(shí)際意義的問題。
[0003] 目前，輸電線增容的主流技術(shù)包括靜態(tài)增容技術(shù)，即在環(huán)境參數(shù)按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提 高導(dǎo)線溫度運(yùn)行，另一種是動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，即根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)計(jì)算當(dāng)前條件下的 載流量。無論是動(dòng)態(tài)增容還是靜態(tài)增容，導(dǎo)線的運(yùn)行溫度較高，此時(shí)弧垂勢(shì)必要增加。目前 《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定弧垂定位溫度是40°C或者覆冰無風(fēng)條件，當(dāng)導(dǎo)線溫 度達(dá)到70°C或者更高溫度后，如果對(duì)地距離或者交叉跨越距離很可能不滿足規(guī)程規(guī)定，容 易造成對(duì)地放電、樹竹放電或者線路跳閘等危害。
[0004] 導(dǎo)線增容主要受金具發(fā)熱、導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度變化和弧垂增大的限制。一般關(guān)于張 力-溫度模型，是帶入表面溫度求解，在高溫段時(shí)，弧垂計(jì)算誤差偏大。D. A. Douglass等人對(duì) 導(dǎo)線徑向熱場(chǎng)分布的研究表明：由于各層單導(dǎo)線空氣間隙的存在，架空導(dǎo)線其鋼芯與最外 層鋁絞線存在溫度梯度。對(duì)導(dǎo)線徑向應(yīng)力分布隨時(shí)間的變化進(jìn)行了研究，隨著溫度升高，導(dǎo) 線的應(yīng)力向鋼芯處轉(zhuǎn)移。對(duì)于鋼芯鋁絞線通常在40°C到110°C的時(shí)候，單根導(dǎo)體會(huì)變得松 弛，在某個(gè)溫度時(shí)，架空線的拉力全部由鋼芯承擔(dān)。在這種狀態(tài)下，僅以表面溫度為依據(jù)計(jì) 算弧垂會(huì)造成誤差。因而有必要對(duì)于導(dǎo)線的徑向溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。
[0005] 在以往的研究中，在使用數(shù)值法對(duì)鋼芯鋁絞線的溫度分布進(jìn)行仿真的時(shí)候，對(duì)于 鋼芯鋁絞線的溫度的計(jì)算傾向于將導(dǎo)線看作一個(gè)實(shí)心的圓柱體，僅在計(jì)算交流電阻的時(shí)候 考慮集膚效應(yīng)，將生熱率均勻施加到鋼芯與鋁層，再通過摩爾根公式計(jì)算出表面對(duì)流換熱 系數(shù)后施加邊界條件。這種方法計(jì)算得到的徑向溫度分布，并未考慮到導(dǎo)線間空氣隙的存 在對(duì)于導(dǎo)線徑向傳熱的影響以及集膚效應(yīng)對(duì)于導(dǎo)線發(fā)熱源分布的影響，因而最后結(jié)果與實(shí) 驗(yàn)所得到的結(jié)果之間有著較大的差距，不利于對(duì)于三維弧垂模型的建立。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，結(jié)合LGJ300/40型導(dǎo)線的徑向溫 度的仿真，提供一種同時(shí)使用ANSYS APDL與ANSYS CFX的考慮集膚效應(yīng)與導(dǎo)線內(nèi)部空隙的 鋼芯鋁絞線的徑向溫度分布仿真方法。
[0007] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] 一種基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方法，包括下列步 驟：
[0009] S1、ANSYS APDL有限元模型構(gòu)建，該步驟具體為；
[0010] S101、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行單元選擇與材料設(shè)定；
[0011] S102、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0012] S103、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行載荷與邊界條件的施加；
[0013] S104、計(jì)算得到電流密度隨r(m)變化的函數(shù)J(r)。
[0014] S2、ANSYS CFX有限元模型構(gòu)建，該步驟具體為；
[0015] S201、ANSYS CFX有限元模型中進(jìn)行材料設(shè)定和求解域設(shè)置；
[0016] S202、ANSYS CFX有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0017] S203、ANSYS CFX有限元模型進(jìn)行載荷施加；
[0018] S204、ANSYS CFX有限元模型進(jìn)行邊界條件施加；
[0019] S205、計(jì)算導(dǎo)線內(nèi)的溫度最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2;
[0020] S3、ANSYS APDL有限元模型與ANSYS CFX有限元模型循環(huán)迭代，得到鋼芯鋁絞線的 溫度場(chǎng)分布。
[0021 ] 進(jìn)一步地，所述步驟S101具體為：
[0022] 在指定單元時(shí)，鋼芯與鋁芯使用包含VOLT與AZ自由度的PLANE53單元，空氣使用包 含AZ自由度的PLANE53單元;在指定材料時(shí)，材料的特性為指定溫度K1時(shí)的特性，其中K1為 環(huán)境溫度。
[0023] S102、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0024]在網(wǎng)格劃分的時(shí)候，由于內(nèi)部空氣形狀復(fù)雜，ANSYS APDL的網(wǎng)格劃分無法自動(dòng)實(shí) 現(xiàn)，本方法采用圓的正48邊形來替代圓，方便了ANSYS APDL中網(wǎng)格的劃分，對(duì)于最后結(jié)果的 所造成的誤差在可允許范圍內(nèi)。
[0025] 進(jìn)一步地，所述步驟S103具體為：
[0026]在選中所有的鋼芯與鋁芯的節(jié)點(diǎn)后耦合其VOLT自由度，將總電流I的峰值1.4141 作為電流載荷的數(shù)值大小施加在耦合后的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)于空氣層的外邊緣施加AZ = 0的邊界條件，設(shè)定頻率為50Hz后使用諧態(tài)仿真，得到考慮集膚效應(yīng)后導(dǎo)線的生熱率分布Q。
[0027] 進(jìn)一步地，所述步驟S104具體為：
[0028] 選取任意一條經(jīng)過中心的直線，記錄直線所經(jīng)過的網(wǎng)格的生熱率與r坐標(biāo)，根據(jù)
[0030]其中p( Q ? m)為電阻率，得到電流密度與徑向坐標(biāo)r之間的關(guān)系，使用指數(shù)函數(shù)擬 合這些離散的點(diǎn)得到J(r) (A/m2)。
[0031 ] 進(jìn)一步地，所述步驟S201具體為：
[0032] 設(shè)定材料時(shí)，鋼芯、鋁芯與空氣使用ANSYS CFX模型材料庫中對(duì)應(yīng)材料，設(shè)置求解 域時(shí)對(duì)于處于距中心指定距離以內(nèi)的空氣、鋼芯、鋁芯作為固體域求解，剩余空氣當(dāng)作流體 域求解。
[0033] 進(jìn)一步地，所述步驟S202具體為：
[0034]劃分網(wǎng)格時(shí)，使用ICEM (FD中的Blocking模式將幾何模型劃分為Z向只有一層的 網(wǎng)格并導(dǎo)入CFX-Pre中。
[0035] 進(jìn)一步地，所述步驟S203具體為：
[0036] 施加生熱率載荷時(shí)，在鋼芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為
[0037] Q(r)i = J(r)2PFe(l+arFe(T-293.15))
[0038] 其中QaMW/m3)為鋼芯生熱率，J(r)(A/m2)為步驟S104中得到的電流密度隨r(m) 變化的函數(shù)，PFe( Q ? m)為293.15K時(shí)鐵的電阻率，arFe( Q ? m/K)為鐵的電阻溫度系數(shù)，T(K) 為該網(wǎng)格溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出；
[0039] 在鋁芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為
[0040] Q(r)2 = J(r)2PAi( l+arAi(T-293.15))
[0041] 其中Q(r)2(W/m3)為鋁芯生熱率，J(r)(A/m2)為電流密度隨r(m)變化的函數(shù)，pai (Q ? m)為293.15K時(shí)鋁的電阻率，arA1( Q ? m/K)為鋁的電阻溫度系數(shù)，T(K)為該網(wǎng)格溫度， 在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出。
[0042] 進(jìn)一步地，所述步驟S204具體為：
[0043] 施加邊界條件時(shí)，空氣外邊緣施加開放邊界條件，鋁芯暴露于外面的部分在流固 交界面的基礎(chǔ)上通過CEL語言施加附加熱流密度：
[0044] q - -acr(F4 -
[0045] 其中e為發(fā)射率，〇 = l.3806488(13) X10~-23(J/K)為玻爾茲曼常數(shù)，Tcmt(K)為環(huán) 境溫度，T(K)為表面溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出，其余邊界施加默認(rèn)的流固交界面或 者固固交界面。
[0046] 進(jìn)一步地，所述步驟S205具體為：
[0047] 將上述ANSYS CFX有限元模型保存為def格式文件后導(dǎo)入CFX Solver軟件內(nèi)進(jìn)行 計(jì)算，得到記錄溫度場(chǎng)的分布結(jié)果的res文件，通過CFX Post軟件進(jìn)行后處理找到導(dǎo)線內(nèi)的 溫度最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2。
[0048] 進(jìn)一步地，所述步驟S3具體為：
[0049] 首先設(shè)定一個(gè)初始K1為環(huán)境溫度，通過所述步驟S1中ANSYS APDL有限元模型得到 J(r)，之后將所述J(r)帶入所述步驟S2的ANSYS CFX有限元模型構(gòu)建中，得到導(dǎo)線內(nèi)的溫度 最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2，如果| Kl-(K2+K3)/2 | >1 (K)，則令Kl = (K2+K3)/2， 繼續(xù)循環(huán)迭代;如果I Kl-(K2+K3)/2 | < 1 (K)，將最后的ANSYS CFX模型所得到的溫度場(chǎng)分布 作為仿真的結(jié)果。
[0050] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0051] 本發(fā)明結(jié)合LGJ300/40導(dǎo)線的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，建立了徑向切面的二維仿真模型， 在同時(shí)考慮了集膚效應(yīng)與導(dǎo)線內(nèi)部空氣隙的情況下，通過使用ANSYS APDL與ANSYS CFX得 到了不同載流量下導(dǎo)線的徑向溫度分布場(chǎng)，得到了鋼芯溫度，并且通過大電流實(shí)驗(yàn)方法得 到了得到鋼芯鋁絞線型導(dǎo)線表層溫度和鋼芯層溫差隨電流變化的情況，其相對(duì)誤差均在 5%之內(nèi)，驗(yàn)證了該有限元建模方法的有效性。
【附圖說明】
[0052]圖1是本發(fā)明公開的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法流程圖；
[0053] 圖2是700A時(shí)LGJ 300/40型導(dǎo)線內(nèi)溫度場(chǎng)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì) 本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用 于限定本發(fā)明。
[0055] 實(shí)施例
[0056] 本實(shí)施例結(jié)合LGJ300/40型導(dǎo)線為仿真對(duì)象，提出一種基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方法，但該方法并不局限于LGJ300/40型導(dǎo)線，LGJ 300/40 型導(dǎo)線的2D截面圖由四層組成，由內(nèi)到外分別是圓心位于中心半徑為1.33mm的一根鋼芯、 圓心間隔均勾分布在半徑為2.66mm的圓上半徑為1.33mm的六根鋼芯、圓心間隔均勾分布在 半徑為5.985mm的圓上半徑為1.995mm的九根錯(cuò)芯、圓心間隔均勾分布在半徑為9.975mm的 圓上半徑為1.995mm的根十五根錯(cuò)芯。在已有導(dǎo)線模型的基礎(chǔ)上，外部添加半徑為0.2米的 空氣層。
[0057]具體方法包括以下步驟：
[0058] S1、ANSYS APDL有限元模型構(gòu)建；
[0059] 該步驟具體又包括下列子步驟：
[0060] S101、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行單元選擇與材料設(shè)定；
[00611 在指定單元時(shí)，鋼芯與鋁芯使用包含VOLT與AZ自由度的PLANE53單元，空氣使用包 含AZ自由度的PLANE53單元。在指定材料時(shí)，材料的特性為指定溫度K1時(shí)的特性，其中K1為 環(huán)境溫度。
[0062] S102、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0063]在網(wǎng)格劃分的時(shí)候，由于內(nèi)部空氣形狀復(fù)雜，ANSYS APDL的網(wǎng)格劃分無法自動(dòng)實(shí) 現(xiàn)，本方法采用圓的正48邊形來替代圓，方便了ANSYS APDL中網(wǎng)格的劃分，對(duì)于最后結(jié)果的 所造成的誤差在可允許范圍內(nèi)。
[0064] S103、ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行載荷與邊界條件的施加；
[0065]在選中所有的鋼芯與鋁芯的節(jié)點(diǎn)后耦合其VOLT自由度，將總電流I的峰值1.4141 作為電流載荷的數(shù)值大小施加在耦合后的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)于空氣層的外邊緣施加 AZ = 0的邊界條件，設(shè)定頻率為50Hz后使用諧態(tài)仿真。得到考慮集膚效應(yīng)后的LGJ 300/40型導(dǎo)線 的生熱率分布Q，并且由于模型的對(duì)稱性，生熱率分布基本上只與徑向坐標(biāo)r有關(guān)，因而電流 密度分布基本上只與徑向坐標(biāo)r有關(guān)。
[0066] S104、計(jì)算得到電流密度隨r(m)變化的函數(shù)J(r)。
[0067] 選取任意一條經(jīng)過中心的直線，記錄直線所經(jīng)過的網(wǎng)格的生熱率與r坐標(biāo)，根據(jù)
[0069] 其中p( Q ? m)為電阻率，得到電流密度與r之間的關(guān)系，使用指數(shù)函數(shù)擬合這些離 散的點(diǎn)得到J(r)(A/m 2)。同時(shí)，P( Q ? m)和J(r)(A/m2)的括號(hào)中分別為電阻率和函數(shù)J(r)的 單位。
[0070] S2、ANSYS CFX有限元模型構(gòu)建；
[0071] ANSYS CFX中模型的幾何尺寸如上所述，但是ANSYS CFX無法處理2D數(shù)據(jù)，故將上 述截面Z向拉伸10mm，通過之后的處理模擬2D情況。
[0072]該步驟具體又包括下列子步驟：
[0073] S201、ANSYS CFX有限元模型中進(jìn)行材料設(shè)定和求解域設(shè)置；
[0074]設(shè)定材料時(shí)，鋼芯、鋁芯與空氣使用模型材料庫中對(duì)應(yīng)材料。設(shè)置求解域時(shí)對(duì)于處 于距中心9.975mm以內(nèi)的空氣、鋼芯、鋁芯作為固體域求解，剩余空氣當(dāng)作流體域求解。 [0075] S202、ANSYS CFX有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0076]劃分網(wǎng)格時(shí)，使用ICEM (FD中的Blocking模式將幾何模型劃分為Z向只有一層的 網(wǎng)格并導(dǎo)入CFX-Pre中。
[0077] S203、ANSYS CFX有限元模型進(jìn)行載荷施加；
[0078] 施加生熱率載荷時(shí)，在鋼芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為
[0079] Q(r)i = J(r)2PFe(l+arFe(T-293.15))
[0080] 其中^OKW/m3)為鋼芯生熱率，J(r)(A/m2)為步驟S104中得到的電流密度隨r(m) 變化的函數(shù)，PFe( Q ? m)為293.15K時(shí)鐵的電阻率，arFe( Q ? m/K)為鐵的電阻溫度系數(shù)，T(K) 為該網(wǎng)格溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出。
[0081] 以同樣的方法在鋁芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為
[0082] Q(r)2 = J(r)2PAi( l+arAi(T-293.15))
[0083] 其中Q(r)2(W/m3)為鋁芯生熱率，J(r)(A/m2)為步驟S104中得到的電流密度隨r(m) 變化的函數(shù)，Pai( Q ? m)為293.15K時(shí)鋁的電阻率，arA1( Q ? m/K)為鋁的電阻溫度系數(shù)，T(K) 為該網(wǎng)格溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出。
[0084] S204、ANSYS CFX有限元模型進(jìn)行邊界條件施加；
[0085] 施加邊界條件時(shí)，空氣外邊緣施加開放邊界條件，鋁芯暴露于外面的部分在流固 交界面的基礎(chǔ)上通過CEL語言施加附加熱流密度：
[0086] q = -MT1 - rfj
[0087] 其中e為發(fā)射率，〇 = l.3806488(13) X10~-23(J/K)為玻爾茲曼常數(shù)，Tcmt(K)為環(huán) 境溫度，T(K)為表面溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出，其余邊界施加默認(rèn)的流固交界面或 者固固交界面。
[0088] S205、計(jì)算導(dǎo)線內(nèi)的溫度最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2;
[0089] 將上述ANSYS CFX有限元模型保存為def格式文件后導(dǎo)入CFX Solver軟件內(nèi)進(jìn)行 計(jì)算，得到記錄溫度場(chǎng)的分布結(jié)果的res文件，通過CFX Post軟件進(jìn)行后處理找到導(dǎo)線內(nèi)的 溫度最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2。
[0090] S3、ANSYS APDL有限元模型與ANSYS CFX有限元模型循環(huán)迭代；
[0091] 首先設(shè)定一個(gè)初始K1為環(huán)境溫度，通過S1中的模型得到一個(gè)J(r)(A/m2)，之后將 這個(gè)J(r) (A/m2)帶入S2的模型之中，得到K2與K3，如果| Kl-(K2+K3)/2 | >1 (K)，則令Kl = (K2 +K3)/2，繼續(xù)循環(huán)迭代;如果| Kl-(K2+K3)/2 |彡1 (K)，將最后的ANSYS CFX模型所得到的溫 度場(chǎng)分布作為仿真的結(jié)果。
[0092]圖1是該計(jì)算方法的流程圖。圖2為700A時(shí)LGJ 300/40型導(dǎo)線內(nèi)溫度場(chǎng)分布，從仿 真結(jié)果可以看到剛芯鋁絞線截面溫度場(chǎng)分布并不是均勻，由于空氣間隙的存在，導(dǎo)線的徑 向溫度存在梯度。而且鋼芯的溫度比表層的溫度要高。
[0093]模型效果分析
[0094] 利用步驟S3中所示的方法分別計(jì)算I為40(^、50(^、60(^、70(^，環(huán)境溫度為19 (°C)，發(fā)射率e為0.3的情況下LGJ 300/40型導(dǎo)線的溫度分布，得到以下結(jié)果：
[0095] 表1 LGJ 300/40型導(dǎo)線的仿真溫度與實(shí)際溫度比較
[0096]
[0097] 將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較可得，在無風(fēng)無日照條件下，本模型的計(jì)算誤差 在5%以內(nèi)，而且電流較小時(shí)，誤差更小，基本滿足工程上的需要。
[0098] 模型計(jì)算所的結(jié)果與實(shí)際的結(jié)果之間相符的較好，這主要是由于在模型中計(jì)算鋼 芯鋁絞線的生熱率的時(shí)候，并沒有將其看作一個(gè)均勻生熱的整體也沒有采用較為不準(zhǔn)確的 導(dǎo)線的交流電阻率計(jì)算生熱率，而是在ANSYS CFX進(jìn)行計(jì)算時(shí)通過溫度實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)線的電 阻率變化對(duì)于生熱率的影響，在每次ANSYS CFX計(jì)算結(jié)束之后通過得到的溫度作為ANSYS APDL的設(shè)置參數(shù)重新計(jì)算鋼芯鋁絞線內(nèi)的電流密度分布，作為下一次ANSYS CFX內(nèi)計(jì)算鋼 芯鋁絞線內(nèi)各點(diǎn)生熱率的依據(jù)。總的來說，由于模型中使用電流密度與溫度作為聯(lián)系A(chǔ)NSYS APDL與ANSYS CFX的橋梁，在計(jì)算鋼芯鋁絞線內(nèi)的生熱率的分布時(shí)，該模型可以同時(shí)考慮肌 膚效應(yīng)和導(dǎo)線溫度變化本身對(duì)于導(dǎo)線生熱率的影響，更加接近鋼芯鋁絞線發(fā)熱的物理本 質(zhì)，能夠?yàn)橛邢拊Ｐ偷挠?jì)算施加在位置上與數(shù)值上更為準(zhǔn)確的熱源激勵(lì)，因而在計(jì)算鋼 芯鋁絞線內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布時(shí)最終獲得的結(jié)果與實(shí)際之間的誤差變得更小。
[0099] 模型計(jì)算所的結(jié)果與實(shí)際的結(jié)果之間相符的較好，這主要是由于在模型中計(jì)算鋼 芯鋁絞線的生熱率的時(shí)候，并沒有將其看作一個(gè)均勻生熱的整體也沒有采用較為不準(zhǔn)確的 導(dǎo)線的交流電阻率計(jì)算生熱率，而是在ANSYS CFX進(jìn)行計(jì)算時(shí)通過溫度實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)線的電 阻率變化對(duì)于生熱率的影響，在每次ANSYS CFX計(jì)算結(jié)束之后通過得到的溫度作為ANSYS APDL的設(shè)置參數(shù)重新計(jì)算鋼芯鋁絞線內(nèi)的電流密度分布，作為下一次ANSYS CFX內(nèi)計(jì)算鋼 芯鋁絞線內(nèi)各點(diǎn)生熱率的依據(jù)?？偟膩碚f，由于模型中使用電流密度與溫度作為聯(lián)系A(chǔ)NSYS APDL與ANSYS CFX的橋梁，在計(jì)算鋼芯鋁絞線內(nèi)的生熱率的分布時(shí)，該模型可以同時(shí)考慮肌 膚效應(yīng)和導(dǎo)線溫度變化本身對(duì)于導(dǎo)線生熱率的影響，更加接近鋼芯鋁絞線發(fā)熱的物理本 質(zhì)，能夠?yàn)橛邢拊Ｐ偷挠?jì)算施加在位置上與數(shù)值上更為準(zhǔn)確的熱源激勵(lì)，因而在計(jì)算鋼 芯鋁絞線內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布時(shí)
[0100] 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方法，其特征在于，包 括下列步驟： 51、 ANSYS APDL有限元模型構(gòu)建，該步驟具體為： 5101、 ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行單元選擇與材料設(shè)定； 5102、 ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 5103、 ANSYS APDL有限元模型中進(jìn)行載荷與邊界條件的施加； 5104、 計(jì)算得到電流密度隨r(m)變化的函數(shù)J(r); 52、 ANSYS CFX有限元模型構(gòu)建，該步驟具體為： 5201、 ANSYS CFX有限元模型中進(jìn)行材料設(shè)定和求解域設(shè)置； 5202、 ANSYS CFX有限元模型中進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 5203、 ANSYS CFX有限元模型進(jìn)行載荷施加； 5204、 ANSYS CFX有限元模型進(jìn)行邊界條件施加； 5205、 計(jì)算導(dǎo)線內(nèi)的溫度最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2; 53、 ANSYS APDL有限元模型與ANSYS CFX有限元模型循環(huán)迭代，得到鋼芯鋁絞線的溫度 場(chǎng)分布。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S101具體為： 在指定單元時(shí)，鋼芯與鋁芯使用包含VOLT與AZ自由度的PLANE53單元，空氣使用包含AZ 自由度的PLANE53單元;在指定材料時(shí)，材料的特性為指定溫度K1時(shí)的特性，其中K1為環(huán)境 溫度； 所述步驟S102具體為： 在網(wǎng)格劃分的時(shí)候，采用圓的正48邊形來替代圓。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S103具體為： 在選中所有的鋼芯與鋁芯的節(jié)點(diǎn)后耦合其VOLT自由度，將總電流I的峰值1.4141作為 電流載荷的數(shù)值大小施加在親合后的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)于空氣層的外邊緣施加 AZ = 0的 邊界條件，設(shè)定頻率為50Hz后使用諧態(tài)仿真，得到考慮集膚效應(yīng)后導(dǎo)線的生熱率分布Q。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S104具體為： 選取任意一條經(jīng)過中心的直線，記錄直線所經(jīng)過的網(wǎng)格的生熱率與r坐標(biāo)，根據(jù)其中P(Q ?!!!)為電阻率，得到電流密度與徑向坐標(biāo)r之間的關(guān)系，使用指數(shù)函數(shù)擬合這 些離散的點(diǎn)得到J(r)(A/m2)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S201具體為： 設(shè)定材料時(shí)，鋼芯、鋁芯與空氣使用ANSYS CFX模型材料庫中對(duì)應(yīng)材料，設(shè)置求解域時(shí) 對(duì)于處于距中心指定距離以內(nèi)的空氣、鋼芯、鋁芯作為固體域求解，剩余空氣當(dāng)作流體域求 解。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S202具體為： 劃分網(wǎng)格時(shí)，使用ICEM (FD中的Blocking模式將幾何模型劃分為Z向只有一層的網(wǎng)格 并導(dǎo)入CFX-Pre中。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S203具體為： 施加生熱率載荷時(shí)，在鋼芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為 Q(r)i = J(r)2PFe(l+arFe(T-293.15)) 其中Q(rMW/m3)為鋼芯生熱率，J(r)(A/m2)為步驟S104中得到的電流密度隨r(m)變化 的函數(shù)，PFe( Q ? m)為293.15K時(shí)鐵的電阻率，arFe( Q ? m/K)為鐵的電阻溫度系數(shù)，T(K)為該 網(wǎng)格溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出； 在鋁芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為 Q(r)2 = J(r)2PAi(l+arAi(T-293.15)) 其中Q(r)2(W/m3)為鋁芯生熱率，J(r)(A/m2)為電流密度隨r(m)變化的函數(shù)，pai( Q ? m) 為293.15K時(shí)鋁的電阻率，arA1 ( Q ? m/K)為鋁的電阻溫度系數(shù)，T (K)為該網(wǎng)格溫度，在迭代 時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S204具體為： 施加邊界條件時(shí)，空氣外邊緣施加開放邊界條件，鋁芯暴露于外面的部分在流固交界 面的基礎(chǔ)上通過CEL語言施加附加熱流密度： q = scrip - Tl) 其中e為發(fā)射率，〇 = l.3806488(13) X10~-23(J/K)為玻爾茲曼常數(shù)，Tcmt(K)為環(huán)境溫 度，T(K)為表面溫度，在迭代時(shí)由求解器實(shí)時(shí)給出，其余邊界施加默認(rèn)的流固交界面或者固 固交界面。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S205具體為： 將上述ANSYS CFX有限元模型保存為def?格式文件后導(dǎo)入CFX Solver軟件內(nèi)進(jìn)行計(jì)算， 得到記錄溫度場(chǎng)的分布結(jié)果的res文件，通過CFX Post軟件進(jìn)行后處理找到導(dǎo)線內(nèi)的溫度 最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ANSYS APDL與ANSYS CFX的鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真方 法，其特征在于，所述步驟S3具體為： 首先設(shè)定一個(gè)初始K1為環(huán)境溫度，通過所述步驟S1中ANSYS APDL有限元模型得到J (r)，之后將所述J(r)帶入所述步驟S2的ANSYS CFX有限元模型構(gòu)建中，得到導(dǎo)線內(nèi)的溫度 最高點(diǎn)的溫度K3與溫度最低點(diǎn)的溫度K2，如果| Kl-(K2+K3)/2 | >1 (K)，則令Kl = (K2+K3)/2， 繼續(xù)循環(huán)迭代;如果I Kl-(K2+K3)/2 | < 1 (K)，將最后的ANSYS CFX模型所得到的溫度場(chǎng)分布 作為仿真的結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK106055387SQ201610471503
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】劉剛, 李煬, 陳垣, 陳宇航
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)