一种变压器仿真模型构建方法及系统与流程

本发明涉及变压器仿真技术领域，特别涉及一种变压器仿真模型构建方法及系统。

背景技术：

当前随着社会经济的高速发展，人们对电力的需求量日趋上升。电力变压器作为电力系统的重要组成部分，其发展面临诸多挑战。从全球电力行业的发展趋势来看，高容量、超高容量是电力变压器的一个主要发展方向。然而，传统电力变压器的设计手段在技术上存在局限性，无法适应于当前电力变压器的发展趋势。

为了对电力变压器的设计手段进行改进优化以适应电力变压器高容量的发展趋势，人们正尝试对电力变压器进行仿真，然后通过对仿真模型进行综合研究以高效解决高容量电力变压器中存在的设计难题。其中，电力变压器仿真模型的仿真效果直接决定了电力变压器仿真模型本身对后续设计过程的参考价值。而如何构建具有良好仿真效果的变压器仿真模型是目前有待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变压器仿真模型构建方法及系统，使得构建的变压器仿真模型具有良好的仿真效果。其具体方案如下：

一种变压器仿真模型构建方法，包括：

构建变压器的网格模型；

在所述网格模型的基础上，利用压力基求解器，构建所述变压器的机理模型；

其中，所述压力基求解器中包含了动量方程、湍流模型和能量方程。

优选的，所述构建变压器的网格模型的过程，包括：

预先利用ANSYS Fluent中的铺层技术，对所述变压器进行网格建模，得到动态网格模型和静态网格模型。

优选的，所述动态网格模型包括绕组网格模型；所述静态网格模型包括铁芯网格模型和箱体网格模型。

优选的，所述方法，还包括：

利用Autoblock方法，对所述变压器中的目标构件进行非结构化网格划分，得到相应的非结构化模型；

其中，所述目标构件包括铁芯外表面、换热管外表面和箱体外表面。

优选的，所述方法，还包括：

确定所述动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的合力；

利用所述合力计算所述动态网格模型的瞬时速度；

控制所述动态网格模型按照所述瞬时速度进行相应的运动。

优选的，所述确定所述动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的合力的过程，包括：

获取所述动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的电磁力；

获取所述动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的油流阻力；

对所述电磁力和所述油流阻力进行合并，得到所述合力。

优选的，所述动量方程为：

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

所述能量方程为：

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

其中，

上两式中，ρ表示所述变压器内的油密度，v表示所述变压器内的油流速度，p表示热力学压强，τ表示粘性应力张量，f_e表示单位质量油的外部体积力，E表示总能量，k表示湍流动能，e表示内能，σ表示由各向同性压力张量和所述粘性应力张量构成的应力张量，q_H表示能量源项；

所述湍流模型具体为Realizable k-ε模型。

优选的，所述压力基求解器中还包括壁面函数；其中，所述壁面函数为：

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

其中，

式中，u⁺表示近壁面速度，u_τ表示摩擦速度，u_t表示距离壁面为Δy处的已知切向速度，y⁺表示到壁面的无量纲距离，μ表示粘性系数，τ_w表示壁面剪切应力，κ表示卡门常数，E'表示经验参数；其中，所述卡门常数κ的取值为0.41，所述经验参数E'的取值为9.8。

本发明还公开了一种变压器仿真模型构建系统，包括：

第一构件模块，用于构建变压器的网格模型；

第二构件模块，用于在所述网格模型的基础上，利用压力基求解器，构建所述变压器的机理模型；

其中，所述压力基求解器中包含了动量方程、湍流模型和能量方程。

本发明中，变压器仿真模型构建方法，包括：构建变压器的网格模型；在网格模型的基础上，利用压力基求解器，构建变压器的机理模型；其中，压力基求解器中包含了动量方程、湍流模型和能量方程。本发明预先构建了变压器的网格模型，然后在网格模型的基础上，利用包含了动量方程、湍流模型和能量方程的压力基求解器，来构建变压器的机理模型，可见，本发明不仅搭建了变压器的网格模型，还在网格模型的基础上，结合压力基求解器来构建变压器的机理模型，也即，本发明在构建变压器的仿真模型的过程中，先后构建了变压器的网格模型和机理模型，由此使得构建出来的变压器仿真模型具有更好的仿真效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种变压器仿真模型构建方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种变压器仿真模型构建系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种变压器仿真模型构建方法，参见图1所示，上述方法包括：

步骤S11：构建变压器的网格模型。

其中，上述网格模型具体是在对变压器进行网格划分后得到的模型。当前存在多种网格建模的方法，可以根据实际的仿真需要以及变压器内部的每个构件的具体结构，来选取相应合适的网格建模方法来进行建模。

步骤S12：在网格模型的基础上，利用压力基求解器，构建变压器的机理模型。

其中，上述压力基求解器中包含了动量方程、湍流模型和能量方程。

本发明实施例中，变压器仿真模型构建方法，包括：构建变压器的网格模型；在网格模型的基础上，利用压力基求解器，构建变压器的机理模型；其中，压力基求解器中包含了动量方程、湍流模型和能量方程。本发明实施例预先构建了变压器的网格模型，然后在网格模型的基础上，利用包含了动量方程、湍流模型和能量方程的压力基求解器，来构建变压器的机理模型，可见，本发明实施例不仅搭建了变压器的网格模型，还在网格模型的基础上，结合压力基求解器来构建变压器的机理模型，也即，本发明实施例在构建变压器的仿真模型的过程中，先后构建了变压器的网格模型和机理模型，由此使得构建出来的变压器仿真模型具有更好的仿真效果。

本发明实施例公开了一种具体的变压器仿真模型构建方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

上一实施例步骤S11中，构建变压器的网格模型的过程，具体包括：预先利用ANSYS Fluent中的铺层技术，对变压器进行网格建模，得到动态网格模型和静态网格模型。

需要说明的是，ANSYS Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包(CFD，即Computational Fluid Dynamics，计算机流体动力学)，应用范围非常广。

本实施例中，上述动态网格模型包括绕组网格模型；上述静态网格模型可以包括铁芯网格模型和箱体网格模型。可以理解的是，上述绕组网格模型是利用上述铺层技术对变压器内部的绕组进行动态网格建模后得到的模型，上述铁芯网格模型和箱体网格模型是利用上述铺层技术分别对变压器的铁芯以及箱体进行静态网格建模后得到的模型。

本实施例中的变压器仿真模型构建方法，还可以进一步包括：

利用Autoblock方法，对变压器中的目标构件进行非结构化网格划分，得到相应的非结构化模型；

其中，目标构件包括铁芯外表面、换热管外表面和箱体外表面。

需要说明的是，上述Autoblock方法能够很好控制网格纵横比和精确捕捉几何曲率，同时也能保证变压器内部的油沿主流动方向和主换热方向的网格正交性，这样既能满足温度边界层对边界层网格的要求，又能满足流动边界层对边界层网格的要求。

本实施例中，变压器仿真模型构建方法还可以进一步包括：确定动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的合力，然后利用合力计算动态网格模型的瞬时速度，接着控制动态网格模型按照上述瞬时速度进行相应的运动。

其中，上述确定动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的合力的过程可以有不同的情况。本实施例公开了三种不同的情况，需要说明的是，这三种情况中的动态网格模型均为上述公开的绕组网格模型。

第一种情况是，具体可以包括：获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的电磁力，然后将电磁力确定为合力。

第二种情况是，具体可以包括获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的电磁力，并获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的油流阻力，然后对电磁力和油流阻力进行合并，得到合力。

第三种情况是，具体可以包括获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的电磁力，以及获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的油流阻力，并获取动态网格模型的自身重力，然后对电磁力、油流阻力和自身重力进行合并，得到合力。

当然，除了上述三种情况，也可以在确定合力的过程中将绕组与铁芯之间的滑动摩擦力考虑进去，以进一步提升仿真精细度。

需要说明的是，上述三种情况中，获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的电磁力的过程，具体包括：利用UDF用户自定义函数(UDF，即User-Defined Function，用户自定义函数)中的DEFINE_INIT宏，直接读取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的电磁力。

另外，上述第二种和第三种情况中，获取动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的油流阻力的过程，具体包括：利用UDF用户自定义函数中的Compute_Force_And_Moment函数，计算得到动态网格模型在短路故障运行仿真过程中所受到的油流阻力。

更具体的，上述利用合力计算动态网格模型的瞬时速度的过程，具体包括利用合力求解动态网格模型的瞬时加速度，然后利用瞬时加速度计算动态网格模型的瞬时速度。

可以理解的是，需要结合动态网格模型的自身质量参数来求解动态网格模型的瞬时加速度。

其中，上述利用合力求解动态网格模型的瞬时加速度的过程以及利用瞬时加速度计算动态网格模型的瞬时速度的过程的具体实现可以通过利用UDF用户自定义函数中的DEFINE_CG_MOTION宏来完成。

进一步的，上一实施例步骤S12中，压力基求解器内部的动量方程为：

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

另外，压力基求解器内部的能量方程为：

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

其中，

上两式中，ρ表示所述变压器内的油密度，v表示所述变压器内的油流速度，p表示热力学压强，τ表示粘性应力张量，f_e表示单位质量油的外部体积力，E表示总能量，k表示湍流动能，e表示内能，σ表示由各向同性压力张量和所述粘性应力张量构成的应力张量，q_H表示能量源项；

其次，压力基求解器内部的湍流模型优先采用Realizable k-ε模型。

进一步的，本实施例的压力基求解器中还可以包括壁面函数；其中，壁面函数为：

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

其中，

式中，u⁺表示近壁面速度，u_τ表示摩擦速度，u_t表示距离壁面为Δy处的已知切向速度，y⁺表示到壁面的无量纲距离，μ表示粘性系数，τ_w表示壁面剪切应力，κ表示卡门常数，E'表示经验参数；其中，卡门常数κ的取值为0.41，经验参数E'的取值为9.8。

相应的，本发明实施例还公开了一种变压器仿真模型构建系统，参见图2所示，上述系统包括：

第一构件模块21，用于构建变压器的网格模型；

第二构件模块22，用于在网格模型的基础上，利用压力基求解器，构建变压器的机理模型；

其中，压力基求解器中包含了动量方程、湍流模型和能量方程。

关于上述各个模块更加详尽的工作过程可以参考前述实施例中公开的相关内容，在此不再进行一一赘述。

本发明实施例预先构建了变压器的网格模型，然后在网格模型的基础上，利用包含了动量方程、湍流模型和能量方程的压力基求解器，来构建变压器的机理模型，可见，本发明实施例不仅搭建了变压器的网格模型，还在网格模型的基础上，结合压力基求解器来构建变压器的机理模型，也即，本发明实施例在构建变压器的仿真模型的过程中，先后构建了变压器的网格模型和机理模型，由此使得构建出来的变压器仿真模型具有更好的仿真效果。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种变压器仿真模型构建方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。