一種變壓器仿真模型構建方法及系統與流程

本發明涉及變壓器仿真技術領域，特別涉及一種變壓器仿真模型構建方法及系統。

背景技術：

當前隨著社會經濟的高速發展，人們對電力的需求量日趨上升。電力變壓器作為電力系統的重要組成部分，其發展面臨諸多挑戰。從全球電力行業的發展趨勢來看，高容量、超高容量是電力變壓器的一個主要發展方向。然而，傳統電力變壓器的設計手段在技術上存在局限性，無法適應于當前電力變壓器的發展趨勢。

為了對電力變壓器的設計手段進行改進優化以適應電力變壓器高容量的發展趨勢，人們正嘗試對電力變壓器進行仿真，然后通過對仿真模型進行綜合研究以高效解決高容量電力變壓器中存在的設計難題。其中，電力變壓器仿真模型的仿真效果直接決定了電力變壓器仿真模型本身對后續設計過程的參考價值。而如何構建具有良好仿真效果的變壓器仿真模型是目前有待解決的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種變壓器仿真模型構建方法及系統，使得構建的變壓器仿真模型具有良好的仿真效果。其具體方案如下：

一種變壓器仿真模型構建方法，包括：

構建變壓器的網格模型；

在所述網格模型的基礎上，利用壓力基求解器，構建所述變壓器的機理模型；

其中，所述壓力基求解器中包含了動量方程、湍流模型和能量方程。

優選的，所述構建變壓器的網格模型的過程，包括：

預先利用ANSYS Fluent中的鋪層技術，對所述變壓器進行網格建模，得到動態網格模型和靜態網格模型。

優選的，所述動態網格模型包括繞組網格模型；所述靜態網格模型包括鐵芯網格模型和箱體網格模型。

優選的，所述方法，還包括：

利用Autoblock方法，對所述變壓器中的目標構件進行非結構化網格劃分，得到相應的非結構化模型；

其中，所述目標構件包括鐵芯外表面、換熱管外表面和箱體外表面。

優選的，所述方法，還包括：

確定所述動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的合力；

利用所述合力計算所述動態網格模型的瞬時速度；

控制所述動態網格模型按照所述瞬時速度進行相應的運動。

優選的，所述確定所述動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的合力的過程，包括：

獲取所述動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的電磁力；

獲取所述動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的油流阻力；

對所述電磁力和所述油流阻力進行合并，得到所述合力。

優選的，所述動量方程為：

$\mathrm{\ρ}\frac{Dv}{Dt}\≡\mathrm{\ρ}\frac{\∂v}{\∂t}+\mathrm{\ρ}(v\·\▿)v=-\▿p+\▿\·\mathrm{\τ}+{\mathrm{\ρf}}_e;$

所述能量方程為：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}E}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρ}vE\right)=\▿\·(k\▿T)+\▿\·(\mathrm{\σ}\·v)+{\mathrm{\ρf}}_e\·v+q_H;$

其中，

上兩式中，ρ表示所述變壓器內的油密度，v表示所述變壓器內的油流速度，p表示熱力學壓強，τ表示粘性應力張量，f_e表示單位質量油的外部體積力，E表示總能量，k表示湍流動能，e表示內能，σ表示由各向同性壓力張量和所述粘性應力張量構成的應力張量，q_H表示能量源項；

所述湍流模型具體為Realizable k-ε模型。

優選的，所述壓力基求解器中還包括壁面函數；其中，所述壁面函數為：

$u^{+}=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_t}{u_{\mathrm{\τ}}}=\frac{1}{\mathrm{\κ}}ln\left(E^{\′}{y}^{+}\right);$

其中，

式中，u⁺表示近壁面速度，u_τ表示摩擦速度，u_t表示距離壁面為Δy處的已知切向速度，y⁺表示到壁面的無量綱距離，μ表示粘性系數，τ_w表示壁面剪切應力，κ表示卡門常數，E'表示經驗參數；其中，所述卡門常數κ的取值為0.41，所述經驗參數E'的取值為9.8。

本發明還公開了一種變壓器仿真模型構建系統，包括：

第一構件模塊，用于構建變壓器的網格模型；

第二構件模塊，用于在所述網格模型的基礎上，利用壓力基求解器，構建所述變壓器的機理模型；

其中，所述壓力基求解器中包含了動量方程、湍流模型和能量方程。

本發明中，變壓器仿真模型構建方法，包括：構建變壓器的網格模型；在網格模型的基礎上，利用壓力基求解器，構建變壓器的機理模型；其中，壓力基求解器中包含了動量方程、湍流模型和能量方程。本發明預先構建了變壓器的網格模型，然后在網格模型的基礎上，利用包含了動量方程、湍流模型和能量方程的壓力基求解器，來構建變壓器的機理模型，可見，本發明不僅搭建了變壓器的網格模型，還在網格模型的基礎上，結合壓力基求解器來構建變壓器的機理模型，也即，本發明在構建變壓器的仿真模型的過程中，先后構建了變壓器的網格模型和機理模型，由此使得構建出來的變壓器仿真模型具有更好的仿真效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例公開的一種變壓器仿真模型構建方法流程圖；

圖2為本發明實施例公開的一種變壓器仿真模型構建系統結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明實施例公開了一種變壓器仿真模型構建方法，參見圖1所示，上述方法包括：

步驟S11：構建變壓器的網格模型。

其中，上述網格模型具體是在對變壓器進行網格劃分后得到的模型。當前存在多種網格建模的方法，可以根據實際的仿真需要以及變壓器內部的每個構件的具體結構，來選取相應合適的網格建模方法來進行建模。

步驟S12：在網格模型的基礎上，利用壓力基求解器，構建變壓器的機理模型。

其中，上述壓力基求解器中包含了動量方程、湍流模型和能量方程。

本發明實施例中，變壓器仿真模型構建方法，包括：構建變壓器的網格模型；在網格模型的基礎上，利用壓力基求解器，構建變壓器的機理模型；其中，壓力基求解器中包含了動量方程、湍流模型和能量方程。本發明實施例預先構建了變壓器的網格模型，然后在網格模型的基礎上，利用包含了動量方程、湍流模型和能量方程的壓力基求解器，來構建變壓器的機理模型，可見，本發明實施例不僅搭建了變壓器的網格模型，還在網格模型的基礎上，結合壓力基求解器來構建變壓器的機理模型，也即，本發明實施例在構建變壓器的仿真模型的過程中，先后構建了變壓器的網格模型和機理模型，由此使得構建出來的變壓器仿真模型具有更好的仿真效果。

本發明實施例公開了一種具體的變壓器仿真模型構建方法，相對于上一實施例，本實施例對技術方案作了進一步的說明和優化。具體的：

上一實施例步驟S11中，構建變壓器的網格模型的過程，具體包括：預先利用ANSYS Fluent中的鋪層技術，對變壓器進行網格建模，得到動態網格模型和靜態網格模型。

需要說明的是，ANSYS Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包(CFD，即Computational Fluid Dynamics，計算機流體動力學)，應用范圍非常廣。

本實施例中，上述動態網格模型包括繞組網格模型；上述靜態網格模型可以包括鐵芯網格模型和箱體網格模型。可以理解的是，上述繞組網格模型是利用上述鋪層技術對變壓器內部的繞組進行動態網格建模后得到的模型，上述鐵芯網格模型和箱體網格模型是利用上述鋪層技術分別對變壓器的鐵芯以及箱體進行靜態網格建模后得到的模型。

本實施例中的變壓器仿真模型構建方法，還可以進一步包括：

利用Autoblock方法，對變壓器中的目標構件進行非結構化網格劃分，得到相應的非結構化模型；

其中，目標構件包括鐵芯外表面、換熱管外表面和箱體外表面。

需要說明的是，上述Autoblock方法能夠很好控制網格縱橫比和精確捕捉幾何曲率，同時也能保證變壓器內部的油沿主流動方向和主換熱方向的網格正交性，這樣既能滿足溫度邊界層對邊界層網格的要求，又能滿足流動邊界層對邊界層網格的要求。

本實施例中，變壓器仿真模型構建方法還可以進一步包括：確定動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的合力，然后利用合力計算動態網格模型的瞬時速度，接著控制動態網格模型按照上述瞬時速度進行相應的運動。

其中，上述確定動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的合力的過程可以有不同的情況。本實施例公開了三種不同的情況，需要說明的是，這三種情況中的動態網格模型均為上述公開的繞組網格模型。

第一種情況是，具體可以包括：獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的電磁力，然后將電磁力確定為合力。

第二種情況是，具體可以包括獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的電磁力，并獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的油流阻力，然后對電磁力和油流阻力進行合并，得到合力。

第三種情況是，具體可以包括獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的電磁力，以及獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的油流阻力，并獲取動態網格模型的自身重力，然后對電磁力、油流阻力和自身重力進行合并，得到合力。

當然，除了上述三種情況，也可以在確定合力的過程中將繞組與鐵芯之間的滑動摩擦力考慮進去，以進一步提升仿真精細度。

需要說明的是，上述三種情況中，獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的電磁力的過程，具體包括：利用UDF用戶自定義函數(UDF，即User-Defined Function，用戶自定義函數)中的DEFINE_INIT宏，直接讀取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的電磁力。

另外，上述第二種和第三種情況中，獲取動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的油流阻力的過程，具體包括：利用UDF用戶自定義函數中的Compute_Force_And_Moment函數，計算得到動態網格模型在短路故障運行仿真過程中所受到的油流阻力。

更具體的，上述利用合力計算動態網格模型的瞬時速度的過程，具體包括利用合力求解動態網格模型的瞬時加速度，然后利用瞬時加速度計算動態網格模型的瞬時速度。

可以理解的是，需要結合動態網格模型的自身質量參數來求解動態網格模型的瞬時加速度。

其中，上述利用合力求解動態網格模型的瞬時加速度的過程以及利用瞬時加速度計算動態網格模型的瞬時速度的過程的具體實現可以通過利用UDF用戶自定義函數中的DEFINE_CG_MOTION宏來完成。

進一步的，上一實施例步驟S12中，壓力基求解器內部的動量方程為：

$\mathrm{\ρ}\frac{Dv}{Dt}\≡\mathrm{\ρ}\frac{\∂v}{\∂t}+\mathrm{\ρ}(v\·\▿)v=-\▿p+\▿\·\mathrm{\τ}+{\mathrm{\ρf}}_e;$

另外，壓力基求解器內部的能量方程為：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}E}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρ}vE\right)=\▿\·(k\▿T)+\▿\·(\mathrm{\σ}\·v)+{\mathrm{\ρf}}_e\·v+q_H;$

其中，

上兩式中，ρ表示所述變壓器內的油密度，v表示所述變壓器內的油流速度，p表示熱力學壓強，τ表示粘性應力張量，f_e表示單位質量油的外部體積力，E表示總能量，k表示湍流動能，e表示內能，σ表示由各向同性壓力張量和所述粘性應力張量構成的應力張量，q_H表示能量源項；

其次，壓力基求解器內部的湍流模型優先采用Realizable k-ε模型。

進一步的，本實施例的壓力基求解器中還可以包括壁面函數；其中，壁面函數為：

$u^{+}=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_t}{u_{\mathrm{\τ}}}=\frac{1}{\mathrm{\κ}}ln\left(E^{\′}{y}^{+}\right);$

其中，

式中，u⁺表示近壁面速度，u_τ表示摩擦速度，u_t表示距離壁面為Δy處的已知切向速度，y⁺表示到壁面的無量綱距離，μ表示粘性系數，τ_w表示壁面剪切應力，κ表示卡門常數，E'表示經驗參數；其中，卡門常數κ的取值為0.41，經驗參數E'的取值為9.8。

相應的，本發明實施例還公開了一種變壓器仿真模型構建系統，參見圖2所示，上述系統包括：

第一構件模塊21，用于構建變壓器的網格模型；

第二構件模塊22，用于在網格模型的基礎上，利用壓力基求解器，構建變壓器的機理模型；

其中，壓力基求解器中包含了動量方程、湍流模型和能量方程。

關于上述各個模塊更加詳盡的工作過程可以參考前述實施例中公開的相關內容，在此不再進行一一贅述。

本發明實施例預先構建了變壓器的網格模型，然后在網格模型的基礎上，利用包含了動量方程、湍流模型和能量方程的壓力基求解器，來構建變壓器的機理模型，可見，本發明實施例不僅搭建了變壓器的網格模型，還在網格模型的基礎上，結合壓力基求解器來構建變壓器的機理模型，也即，本發明實施例在構建變壓器的仿真模型的過程中，先后構建了變壓器的網格模型和機理模型，由此使得構建出來的變壓器仿真模型具有更好的仿真效果。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上對本發明所提供的一種變壓器仿真模型構建方法及系統進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。