摘要 本文根据强迫油循环导向结构变压器特点，建立三维模型，采用ANSYS ICEM 对模型进行前处理，建立三维数值计算模型；并采用FLUENT软件求解变压器油流场及温度场分布。
关键词 强迫油循环导向；变压器；三维模型；ANSYS ICEM；FLUENT
中图分类号TP3，TM41 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0185-02
0 引言
变压器作为机车车辆关键部件之一，对机车车辆的安全可靠运行起着至关重要的作用。然而，变压器的热问题是变压器设计、制造和安全可靠运行的关键问题。变压器温升超标，会加快绝缘材料及变压器油的老化速度，缩短使用寿命。同时变压器温升过高，保护系统可能引起机车车辆停车，造成时间延误。
现阶段的变压器流体仿真多采用二维模型简化计算[1-3]，不考虑可能影响流动和传热的绝缘材料，计算结果可用于分析对比，但很难满足工程上全面精确计算的要求并准确找出热点。本文根据强迫油循环导向结构机车变压器特点，建立三维模型，采用ANSYS ICEM 对模型进行前处理，建立三维数值计算模型。使用FLUENT对强迫油循环导向结构变压器的内部油的流动性能，多油流量分布，油温分布，线圈的稳态温度场分布进行分析。三维模型的仿真计算，可全面具体并较准确的得出变压器的油流场及温度场分布，对预测变压器的过负荷能力及对变压器冷却油路设计提供了可靠的理论依据。为提高变压器性能、延长使用寿命、合理提高变压器的输出容量、保证安全可靠运行提供了必要的参考。
1 三维模型建立与简化
变压器的温度场计算，属于流-固共轭换热分析。建立三维模型时，包含线圈、铁心、油箱、夹件等部件，也包含绝缘筒、撑条、挡油板等绝缘材料。因此需要在保证计算精度的前提下对模型进行合理简化，控制仿真分析的计算规模。简化对象的选取是依据具体结构对温度场计算的影响程度来决定的。主要进行如下简化：1）整个变压器进行半模型对称处理；2）撑条、绝缘筒、垫片、线圈光滑连接，去除小角度缝隙；3）去除小半径倒角、删除紧固件。三维模型如图1所示。
2 网格划分
2.1 划分方法
三维模型仿真计算可以得到较全面和准确的结果，但增加了前处理网格的划分的难度。本次模型的分块是按其规则程度来分块，并将线圈分为不同的子块来分别进行划分。线圈内部采用六面体网格，外部采用四面体网格，并充分利用线圈及内部绝缘材料的周期特性。
用ICEM CFD中的BLOCK方法切分出其中一个周期的块，在定义好各个分块名称和网格节点分布后，采用旋转复制方法，得到整个线圈周期内的BLOCK结构，然后修正关联关系，得到线圈部分的六面体网格。
2.2 交界面设置
在选择交界面时，要充分考虑网格划分的便利性和经济性。在划分交界面时，应综合考虑两侧区域的物相，如果交界面两侧的任一边是固体，则需要在交界面上设置温度耦合（coupled wall）；如果两侧均为流体，则直接粘合即可；如果交界面两侧既有固体域，又有流体域，就需要在交界面上按不同的区域分片，分别进行粘合。
本次网格划分采用分块划分，并选择绝缘筒的中面作为六面体网格分块的交界面。在线圈两端各截去一部分区域采用四面体网格划分方式，截面作为交界面。
3 边界条件
对于本次计算，变压器内为单一流体，由于计算的变压器模型只有一个入口，根据其参数可计算出入口雷诺数。
根据入口雷诺数可以判断，变压器内流动为湍流。在FLUENT里，可供选择的湍流模型有很多，最常用的是k-ε模型，本次计算选择Realizable k-ε模型。
损耗值作为原始输入条件，在初始计算时作为均布常数值输入。以变压器入油口流速和出油口压力作为计算的边界条件。
变压器油循环冷却的同时，模型也考虑了和周围环境的空气对流效应，其中和外界空气接触的是油箱外壳，油箱外壳的对流换热系数根据经验取为7 W/m2K。并在线圈的壁面考虑绝缘材料厚度。
4 求解设置
4.1 计算精度
一般流体问题在计算时不会直接采用二阶精度，而是先采用一阶精度计算到一个初期的场。可以在确保一阶精度收敛的前提下，换用二阶格式来提高计算的精度。对于温度场的计算，首先计算流场信息，并查看流场结果，如果流场计算收敛，同时结果也比较合理时，才将温度场并入模型一起计算。
4.2 收敛准则
收敛量分别包括连续性方程，动量方程和能量方程，k湍流动能，ε湍流耗散率。对于一般问题，物理量的收敛准则在0.001即可。在实际计算过程中，可适当调低残差收敛值，以求得到精度更高的仿真结果。
5 仿真结果
计算可得出变压器入油口静压分布，从而得出变压器内部油压力损失值。内部流速及流动状态分布，如图2所示。对比设计及试验数据，可知流场分布合理。
从以上线圈域温度分布状况可以看出，由于重力作用导致流量在线圈下端流量分布较上端高，流体带走的热量也较多。随着流动的进行，流体在流动过程中不断吸收热量，流体温度随之不断变高，因此流体介质散热能力变差，线圈温度逐渐升高。试验值：顶层油温为44.5℃、线圈1温度69.9℃、线圈2温度65.2℃。仿真顶层油温为44.6℃，线圈1温度50.8℃～90.6℃、线圈2温度52.6℃～70.9℃。线圈温度值与试验值基本一致，且分布合理。
6 结论
本文根据强迫油循环导向结构变压器特点，使用FLUENT对变压器的内部油流场分布，油温分布，线圈稳态温度场分布进行分析。由仿真结果可知，该三维模型的分析方法合理，可全面具体并较准确的得出变压器油流场及温度场分布，该分析为变压器冷却油路设计提供了有效的热性能参考数据。由于该计算热源损耗分布采用的是平均分布的方法，为追求更高精度的温度分布结果，可考虑采用电磁场计算结果与油流场耦合计算。
参考文献
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