变压器用翅片式散热结构数值模拟研究_王绿.pdf

基金项目:国家电网公司总部科技项目-基于多场协同理论的高温大负荷户内变电站降噪技术研究（5226SX21001C）变压器用翅片式散热结构数值模拟研究王绿1，耿明昕1，赵亚林1，王莹2，苗阿乐2，杨鹏2（1.国网陕西省电力有限公司电力科学研究院，陕西 西安 710000；2.西安交通大学热流科学工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049）摘要：为了提高变压器片式散热器散热能力，本文将传统的片式散热结构和翅片相结合，构建翅片式散热片模型，利用有限元分析软件Fluent，分别对翅片式散热片和普通式散热片模型进行自然油循环下自冷和风冷散热数值模拟研究。在自然油循环自冷情况下，随油速增大，翅片式散热片换热量较普通式提高了约58%62%。在自然油循环风冷情况下，随着风速增大，翅片式散热片换热量较普通式提高了28%48%；随油速增大，翅片式散热片换热量较普通式提高了22%33%。翅片式散热片散热性能有明显提高。研究结果为片式散热结构的优化设计提供了指导作用。关键词：变压器；翅片式散热片；散热性能；数值模拟形中图分类号：TM401+.1文献标识码：B文章编号：10018425（2023）03002306Numerical Simulation of Finned Heat DissipationStructure for TransformerWANG Lv1,GENG Ming-xin1,ZHAO Ya-lin1,WAGN Ying2,MIAO A-le2,YANG Peng2（1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute,Xian 710000,China;2.Key Laboratory ofThermo-Fluid Science and Engineering of MOE,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China）Abstract：In order to improve the heat dissipation capacity of the main transformer fin ra-diator,the combination of the traditional fin type heat dissipation structure with the finsis taken to build the fin type heat dissipation model.Using the finite element analysissoftware FLUENT,the numerical simulation of air natural cooling and air forced coolingheat dissipation under oil natural circulation is carried out for the fin type heat dissipa-tion model and the ordinary heat dissipation model.In the case of natural oil circulationwith air natural cooling,with the increase of oil speed,the heat transfer of fin type heatsink is about 58%62%higher than that of ordinary type.In the case of natural oil cir-culation with air forced cooling,with the increase of wind speed,the heat exchange offin type heat sink is 28%48%higher than that of ordinary type;with the increase of oilvelocity,the heat transfer of fin type radiator is 22%33%higher than that of ordinarytype.The research results provide guidance for the optimal design of the fin heat dissi-pation structure.Key words：Transformer;Finned radiator;Heat dissipation performance;Numerical simula-tion1 引言片式散热器因具有成本低、生产方便、重量轻、节省材料等优点而被广泛应用于变压器中。变压器在工作时因为铁心和绕组内部有电流流过时产生大量热量，绝缘油吸收绕组和铁心产生的热量，受重力和浮升力的作用，在变压器油箱和片式散热器中循环流动，从而将铁心和绕组产生的热量及时散入到外界环境中，以保证变压器处于安全温度以下工作。国内外学者通过实验方法和数值模拟对片式散热器进行了大量研究。文献1采用Fluent数值模TRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.006第 60 卷拟和实验对比，证明在自然循环条件下，底吹风冷散热相对于自冷散热效果更加明显。得出强迫油循环条件下随着油流量增大，油道阻力增大、温升系数不变、散热量增加、散热性能增强的结论；文献2通过数值模拟仿真分析了四面体花纹对片式散热器散热性能的影响并得出了四面体花纹强化换热的原因；文献3通过数值模拟研究了在片式散热器两侧安装不同穿孔直径的散热板,穿孔直径对散热板的辐射换热、对流换热和综合换热性能的影响；文献4通过理论分析和模拟计算，对片式散热器的单元进行结构优化和计算分析，提出不同削减角度下的换热效率的改变。通过计算得到上部油道最佳削减角度为20，且小油道的换热效率高于大油道的换热效率；文献5分析了散热器片数、上集油管道倾斜角度对总片组散热量、有效散热面积、出口油温的影响；文献6利用数值模拟计算了变压器油循环的温度场，得出了在设计时应尽可能安装在比较高的位置以降低绕组的热电温升与平均温升；文献7通过实验与数值模拟说明了在散热器外布置扰流片有助于起到强化传热的效果；文献8通过数值模拟研究了片式散热器不同模型的流量规律以及不同流量对于散热的影响。得出当流量分布外多内少且对称流道中的流量相当时，整体散热效果最好的结论；文献9通过CFX对强迫油循环风冷进行了数值模拟与实验研究的对照试验；文献10提出了一套计算变压器平均油温升、顶油温升和最热点温升的计算方法；文献11通过对油浸式变压器散热器进行数值模拟，确定了散热器冷却能力以及散热器截面之间的最佳间距和截面的最佳长度；文献12预测并评估了油浸自冷式电力变压器的充油设备中使用的辐射器的冷却性能；文献13采用不规则的四面体结构改变油道流油分配量，提高了片式散热器在自冷条件下的散热能力；文献14使用油道内部加入螺旋扰流铝带并通过实验证明对传热系数的提高作用；文献15研究了在不同流速下，使用扰流丝后对于换热的强化能力。强化油与片壁内侧的对流换热和强化片壁外侧与环境空气间的传热是强化片式散热器散热的手段。对片式散热器传热过程分析可知空气侧的热阻大于油侧的热阻，因此对空气侧进行强化更具有工程实用价值。本文中以实际工程中应用的普通式片式散热器为研究对象，在普通式片式散热器的基础上加工翅片，以此来增加空气侧换热面积，达到强化片式散热器空气侧对流换热的目的。通过采用Fluent进行数值模拟，从自然循环自冷和风冷角度研究不同油流速度下翅片对散热性能的影响。对比分析了有无翅片下的散热能力来证明翅片对传热性能的提高作用，并且分析了翅片的参数对片式散热器散热性能的影响，为变压器用片式散热器的设计及优化提供指导。2 模型建立2.1物理模型及简化如图1所示，变压器用片式散热器主要是由上、下集油管以及竖直平行等间距排列在上、下集油管之间的散热器组成。翅片式片式散热器是通过在普通的片式散热器油道外表面加工翅片，增大空气侧换热面积来提高散热器的散热性能，结构见图2。因波浪式翅片相较于平直翅片更有利于增强换热性能，故选用波浪形翅片作为增强空气侧换热性能的翅片类式。其中波浪形翅片结构以正弦曲线的形式构造。利用目前较为成熟的铲削工艺在油道表面铲削出翅片结构，不仅增大了空气侧换热面积，也增强了空气侧扰动。此外，翅片结构较薄，成本增加可控。为简化工作量并提高数值模拟工作效率，选取片式散热器上周期排列的油道和焊道的一个单元进行三维建模和仿真工作。建立如图3所示的模型。只图1片式散热器图2翅片结构与翅片式散热器24王绿、耿明昕、赵亚林等：变压器用翅片式散热结构数值模拟研究第 3 期选取一个油道进行研究。其中，油道宽度为32mm，高度为1560mm，厚度为9mm，相邻散热器之间的片间距为40mm，片式散热器壁厚为1mm。所加入的翅片高度为12mm，翅片间距为8mm，翅片波长为15mm，翅片波幅为2mm。翅片具有轻微倾斜角度。为了在入口处提供一致的速度分布，在上游区域构造了入口延伸部分，为了降低空气在出口处的回流对模拟结果造成的影响并使空气充分发展，向下游区域提供出口延伸。2.2控制方程片式散热器在忽略辐射的情况下，散热器流动与换热遵循的质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程分别见式（1）、式（2）和式（3）。t+(V)=Sm（1）其中，为密度，t为时间，V为速度矢量，Sm为源项。(V)t+(V2)=-P+g+F（2）其中，P为静压力，g为重力加速度，F为体积力，为粘性应力。(T)t+div(uT)=div(kCpgradT)+ST（3）其中，Cp为比热容，k为流体的传热系数，ST为粘性耗散项，div为散度符号，grad为梯度符号。2.3网格划分及边界条件考虑到变压器片式散热器的结构以及翅片厚度较小，利用Mesh采用非结构化网格对三维模型进行区域离散化。其中，模型的区域划分为油域、固体域和空气域，网格划分结果如图4所示。网格划分数量较少会影响数值模拟结果的准确性，网格数量越多会增加计算机运行的负荷，合理的网格划分结果是进行数值分析的前提和基础。将普通单片散热片模型分别划分为六种不同网格数量，入口油速和入口风速分别为0.01m/s和0.1m/s，以散热量为监测量，进行网格无关性验证，如图5所示，当网格数量大于690万时，散热量随网格数量变化较小，且网格平均质量在0.78以上，网格质量符合数值模拟计算的标准。为了保证仿真的精确性，作如下假设。1）变压器油为不可压缩流体且流动状态为稳态。2）变压器油的物性参数随温度发生变化，变压器油物性参数随温度的变化规律的拟合函数关系式如表1所示。3）假设空气为不可压缩流体。由于片式散热器竖直布置，绝缘油在流动过程中会受到重力作用，因此需定义重力加速度为g=9.8m/s2，方向为y轴负方向。在对流的条件下，空气入口设置为压力入口，空气入口温度设置为298K。变压器油入口设置为速度入口，变压器油入口油温为353K。变压器油出口采用出流出口，质量流率选择1，保持油侧流动的连续性。本文研究了自然循环图3简化模型的计算域图4计算域非结构化网格图5网格无关性验证参数数值密度/kgm31098.72-0.712T定圧比热容Cp/JkgK807.163+3.58T导热系数/WmK0.1509-7.10110-5T动力粘度系数/Pas0.085-4.010-4T+510-7T2表1变压器油物性参数25第 60 卷下，自冷散热和风冷散热两种散热方式。对于自冷散热，采用空气压力入口与压力出口边界条件，且空气物性参数采用Boussinesq假设。对于风冷散热，采用空气速度入口边界条件。变压器油和片式散热器接触的界面以及空气与片式散热器接触的界面设置为流固