一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法及系统

技术领域

本发明属于高压直流输电工程技术领域，具体涉及一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法及系统。

背景技术

阀冷系统腐蚀和结垢特性是保证换流阀和直流系统安全运行的重要内容，且涉及到电场、流场、热场与传质场等多因素影响，如何模拟阀冷系统腐蚀和结垢特性，进而提出针对性防腐阻垢措施是亟待解决的问题。均压铂电极结垢将导致阀冷系统中电场畸变，导致泄露电流增加，影响冷却系统的散热效果，严重时甚至导致管壁击穿。目前，均压铂电极结垢程度的判断方式还有待完善，还依赖于人工定期检查来排查电极结垢情况。检查过程中，一方面可能因为操作失误等原因导致垢层脱落，进而堵塞水路，破坏水循环，导致热量堆积；另一方面，也存在检查导致电极损坏的情况。对换流阀冷却系统内多物理场情况的分析与电极结垢过程的研究是接下来的一大难题，亟需一种包含全流程的阀冷系统的多物理场仿真分析方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法及系统，本发明能够模拟阀冷系统主水路工作在正常散热条件下考虑多物理场耦合情况下各关键参数的分布情况，能够实现对阀冷系统主水路的精确仿真，判断阀冷系统主水路是否工作于正常状态及均压电极结垢程度提供参考标准。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法，包括：

S101，响应导入操作，将阀冷系统主水路的二维模型导入仿真软件中；

S102，响应材料属性赋予操作，为阀冷系统主水路的二维模型赋予材料属性；

S103，响应物理场建模操作，为阀冷系统主水路的二维模型添加所需的多种物理场，并为各种物理场设置边界条件并进行耦合；

S104，响应网格划分操作，为阀冷系统主水路的二维模型进行网格划分；

S105，响应求解仿真操作，为阀冷系统主水路的二维模型设置求解器参数，并执行阀冷系统主水路的多物理场耦合有限元仿真计算。

可选地，步骤S101之前包括：

S201，确定阀冷系统主水路的几何结构参数和外部变量的信息，所述阀冷系统主水路的几何结构参数包括阀冷系统主水路水管形状及管壁厚度、均压电极的大小及位置，所述外部变量包括额定电压、电流和冷却水温度；

S202，将阀冷系统主水路中三维的管道实体简化为二维的水路，并忽略均压电极外部均压罩及接线端子，从而建立包括水管壁、主水路进出水口、阀段进出水口及均压电极的阀冷系统主水路的二维模型。

S201，步骤S103中的多种物理场包括电化学场、湍流场、温度场和传质场。

S201，所述电化学场的函数表达式包括：

上式中，

log(

上式中，i

S201，所述湍流场的函数表达式包括：

上式中，ρ为密度，k为湍流能量，t为时间，v为流体流速，

S201，所述温度场的函数表达式包括：

上式中，f为温度的标量，t为时间，u为流体流速，

S201，所述传质场的函数表达式包括：

上式中，N

S201，步骤S105中执行阀冷系统主水路的多物理场耦合有限元仿真计算时，包括分别计算电化学场中的电位分布、电场强度分布、电流分布及均压电极表面垢层厚度分布图像，湍流场中的速度、压力分布图像，温度场中的温度分布图像，以及传质场中的各离子浓度的分布图像，以及根据下式计算电压畸变率以作为阀冷系统主水路的结垢状态：

上式中，U

此外，本发明还提供一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明方法包括将阀冷系统主水路的二维模型导入仿真软件中；为阀冷系统主水路的二维模型赋予材料属性；为阀冷系统主水路的二维模型添加所需的多种物理场，并为各种物理场设置边界条件并进行耦合；为阀冷系统主水路的二维模型进行网格划分；为阀冷系统主水路的二维模型设置求解器参数，并执行阀冷系统主水路的多物理场耦合有限元仿真计算。本发明能够模拟阀冷系统主水路工作在正常散热条件下考虑多物理场耦合情况下各关键参数的分布情况，能够对阀冷系统特有的电-流-热-传质场进行仿真建模，从而分析多物理场条件下各物理场随时间的变化情况以及结垢特性，能够实现对阀冷系统主水路的精确仿真，判断阀冷系统主水路是否工作于正常状态及均压电极结垢程度提供参考标准，为阀冷系统的进一步优化提供基础支撑。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中的电-流-热-传质耦合仿真分析的流程图。

图3为本发明实施例中主水管的三维结构示意图。

图4为本发明实施例中阀冷系统主水路的二维模型示意图。

图5为本发明实施例中仿真分析系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法包括：

S101，响应导入操作，将阀冷系统主水路的二维模型导入仿真软件中；

S102，响应材料属性赋予操作，为阀冷系统主水路的二维模型赋予材料属性；

S103，响应物理场建模操作，为阀冷系统主水路的二维模型添加所需的多种物理场，并为各种物理场设置边界条件并进行耦合；

S104，响应网格划分操作，为阀冷系统主水路的二维模型进行网格划分；

S105，响应求解仿真操作，为阀冷系统主水路的二维模型设置求解器参数，并执行阀冷系统主水路的多物理场耦合有限元仿真计算。

本实施例中，步骤S101之前包括：

S201，确定阀冷系统主水路的几何结构参数和外部变量的信息，阀冷系统主水路的几何结构参数包括阀冷系统主水路水管形状及管壁厚度、均压电极的大小及位置，外部变量包括额定电压、电流和冷却水温度；

S202，将阀冷系统主水路中三维的管道实体(如图3所示)简化为二维的水路，三维的管道实体分别包括进水口a、出水口b、弯管c、盘管d以及均压罩e，并忽略均压电极外部均压罩(如图3中的e所示)及接线端子，从而建立包括水管壁、主水路进出水口、阀段进出水口及均压电极的阀冷系统主水路的二维模型，如图4所示，图中二维模型为左右对称结构，左右两侧的数字1～8以及1′～8′均为均压电极的安装位置。通过将阀冷系统主水路中三维的管道实体简化为二维的水路，并忽略均压电极外部均压罩及接线端子，可使得冷系统主水路的二维模型在保证仿真准确度的前提下为提高仿真效率。

本实施例中，步骤S102中为阀冷系统主水路的二维模型赋予材料属性时，所需赋予的材料包括PVDF水管、管道内去离子水及均压电极铂材料。毫无疑问，材料属性可以根据阀冷系统主水路的实际情况下进行选择。

本实施例中，步骤S103中的多种物理场包括电化学场、湍流场、温度场和传质场。添加多种物理场时，还包括设置多种物理场的材料属性，包括二次电流分布中所需要的相对介电常数、电导率、交换电流密度和平衡电位，传热场分析中所需要的导热系数，传质场分析中的扩散系数等。

本实施例中，电化学场的函数表达式包括：

上式中，

log(

上式中，i

本实施例中，湍流场的函数表达式包括：

上式中，ρ为密度，k为湍流能量，t为时间，v为流体流速，

本实施例中，温度场的函数表达式包括：

上式中，f为温度的标量，t为时间，u为流体流速，

本实施例中，传质场的函数表达式包括：

上式中，N

本实施例中，步骤S104中为阀冷系统主水路的二维模型进行网格划分，可以根据需要选择所需的网格类型，在此不再详述。

对于阀冷系统主水路，后处理中需要绘制的图像包括：电化学场中的电位分布、电场强度分布、电流分布及均压电极表面垢层厚度分布图像；湍流场中的速度、压力分布图像；温度场中的温度分布图像；传质场中的各离子浓度的分布图像。因此，本实施例步骤S105中执行阀冷系统主水路的多物理场耦合有限元仿真计算时，包括分别计算电化学场中的电位分布、电场强度分布、电流分布及均压电极表面垢层厚度分布图像，湍流场中的速度、压力分布图像，温度场中的温度分布图像，以及传质场中的各离子浓度的分布图像，以及根据下式计算电压畸变率以作为阀冷系统主水路的结垢状态：

上式中，U

综上所述，本实施例种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法实现了一种电-流-热-传质耦合仿真分析方法，定义阀冷系统主水路的额定电压、电流、冷却水温度等仿真参数；建立阀冷系统主水路的二维模型并导入仿真软件；定义主水路中材料的相对介电常数、导热系数等物理参数；添加电化学、湍流、温度、传质及多物理场模块，并设置各个物理场的边界条件；确定网格精度划分模型和设置求解器参数；进行有限元仿真计算；完成多物理场耦合下的电化学场、湍流场、温度场及传质场的分布情况的绘制；根据所得数据对阀冷系统主水路进行状态评估。本实施例能够模拟阀冷系统主水路工作在正常散热条件下，考虑多物理场耦合情况下各关键参数的分布情况，能够实现对阀冷系统主水路的精确仿真，可为判断阀冷系统主水路是否工作于正常状态及均压电极结垢程度提供参考标准。

如图5所示，作为一种可选的实施方式，本实施例还提供一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析系统，包括：

模型构建模块，用于构建阀冷系统主水路的二维模型；

物理场边界条件的确定及耦合模块，用于确定多种物理场及其耦合条件；

耦合仿真所需的材料属性确定模块，用于确定耦合仿真所需的材料属性；

阀冷系统电-流-热-传质耦合有限元仿真计算模块，用于执行电-流-热-传质耦合有限元仿真计算，即本实施例前述阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法的步骤；

阀冷系统主水路状态评估模块，用于根据电-流-热-传质耦合有限元仿真计算的结果来进行阀冷系统主水路状态评估。

其中，耦合仿真所需的材料属性确定模块用于根据阀冷系统主水路材料，分别确定进行阀冷系统主水路电-流-热-传质耦合仿真所需的材料属性；物理场边界条件的确定及耦合模块用于添加阀冷系统主水路电-流-热-传质耦合仿真分析所需的物理场，并根据实际条件及阀冷系统主水路电-流-热-传质耦合仿真分析所需参数，分别设置各个物理场的边界条件并进行耦合；阀冷系统主水路电-流-热-传质耦合有限元仿真计算模块用于设置网格精度剖分二维模型网格，并设置求解器参数加速仿真收敛，实现阀冷系统主水路电-流-热-传质耦合有限元仿真计算。阀冷系统主水路状态评估模块用于绘制阀冷系统主水路电-流-热-传质耦合仿真所得各物理场分布情况，并提取关键参数完成电压畸变率的计算，实现对阀冷系统主水路的状态评估，从而能够模拟阀冷系统主水路工作在正常散热条件下，考虑多物理场耦合情况下各关键参数的分布情况，能够实现对阀冷系统主水路的精确仿真，可为判断阀冷系统主水路是否工作于正常状态及均压电极结垢程度提供参考标准。

此外，本实施例还提供一种阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行该阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行该阀冷系统主水路的多物理场耦合仿真分析方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。