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)的重要設備之一，熱點溫升關系到油浸式電力變壓器的使用壽命及運行的安全穩(wěn)定性。油浸式電力變壓器的溫升計算問題是一個電磁場、流場及溫度場相互耦合的多物理場耦合計算問題。論文圍繞油浸式電力變壓器內(nèi)部溫升計算過程中流場方程的計算問題、流固耦合傳熱問題、流場與溫度場耦合計算問題、考慮隨機特性的溫度場計算方法等問題展開研究，主要研究工作有:
　　(1)針對穩(wěn)態(tài)流場的計算問題，推導了求解穩(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。以方腔項蓋驅(qū)動流模型為基本算例分析了最小二乘有限元法計算穩(wěn)態(tài)流場方程的基本特征，驗證了計算方法的有效性。
　　(2)針對計算瞬態(tài)流場問題時方程自由度過大、計算效率過低的問題，提出了求解瞬態(tài)流場問題的降階最小二乘有限元方法。該方法首先應用最小二乘有限元法計算部分時刻流場的解構成瞬像矩陣，然后對瞬像矩陣進行特征正交分解

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

4、算方法。該方法應用最小二乘有限元法計算油流的流場控制方程，得到油道中的油流速度分布。構建流固耦合傳熱問題的整場計算模型，采用流線迎風有限元法計算整場傳熱方程，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。應用該方法計算了一臺油浸式電力變壓器局部繞組結構模型的溫度分布，計算結果與Fluent軟件對比驗證了計算方法的準確性。
　　(4)結合油浸式電力變壓器餅式繞組的基本

5、結構，應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，結合變壓器設計理論，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計參數(shù)對繞組結構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理，為變壓器繞組散熱結構設計及繞組溫升過熱分析提供指導。
　　(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溫度場分布的降階蒙特卡洛隨機有限元方法。首先，