Comsol开关柜温度-湿度-流场耦合计算

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Comsol开关柜温度-湿度-流场耦合计算

关键词：开关柜；热湿耦合；流固耦合；有限元；数值计算

1. 开关柜温度-湿度-流场特性研究

1.1 开关柜

   开关柜是一种电气设备，开关柜外线先进入柜内主控开关，然后进入分控开关，各分路按其需要设置。如仪表，自控，电动机磁力开关，各种交流接触器等，有的还设高压室与低压室开关柜，设有高压母线，如发电厂等，有的还设有为保主要设备的低周减载。如图1所示就是开关柜实物图。

图1. 开关柜

   开关柜的主要作用是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的部件主要有断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等组成。开关柜的分类方法很多，如通过断路器安装方式可以分为移开式开关柜和固定式开关柜；或按照柜体结构的不同，可分为敞开式开关柜、金属封闭开关柜、和金属封闭铠装式开关柜；根据电压等级不同又可分为高压开关柜，中压开关柜和低压开关柜等。主要适用于发电厂、变电站、石油化工、冶金轧钢、轻工纺织、厂矿企业和住宅小区、高层建筑等各种不同场合。

1.2 开关柜温度-湿度-流场特性研究意义

   开关柜作为一种金属封闭式的开关电力设备，在我国应用十分广泛。高压金属封闭开关设备集负荷开关、隔离开关、互感器、电容器、避雷器、断路器、接触器、熔断器、母线以及相应的二次设备如控制、连锁、保护、监测、通信装置等于一个长方柜形的金属外壳内，变为一种组合式电器，这样不仅减少了这些电力设备占地面积和所占的空间，还相应地提高了变电站的效率，设备在运行情况下也会有更多的安全保障，极大程度上提高了经济效益。

   开关柜内发生故障的原因较多，且很多故障会造成造成设备锈蚀，从而导致设备的绝缘性能大幅度降低，甚至绝缘部分会被击穿，设备老化速度加快，同时还增加了产生局部放电的概率，损坏开关柜内部元器件，从而导致故障次数增多，检修成本也随即提高，故障增加的同时就无法保证电网的安全运行。因此研究开关柜温度-湿度-流场特性显得尤为重要。

Ps:因不法商家疯狂盗取本公众号截图，对工作室造成了不良影响，因此文章选图皆做水印处理，为此给大家带来不便敬请谅解。

2. 物理模型

   据实体 CAD 设计图纸，选择直接在Comsol自带的建模软件绘制开关柜三维模型，开关柜内部结构模型如图 2所示。

   模型中各部分结构材料均可在材料库中直接添加使用。仿真计算还需设置材料密度、恒压热容、导热系数和动力粘度等参数，为了计算结果的准确性，以上参数均从相关资料以现有实验数据中获得，如图3所示。

图2. 计算模型

图3. 材料参数设置

3. 物理场边界条件

   温度场和流体场仿真需要设置相应的边界条件，其中温度场需要设置湿空气、流入边界温度、流出边界、热源、热通量以及辐射散热边界，流场设置入口和出口边界，温度场和流场之间的耦合关系为非等温流。详细物理场边界条件及场路耦合模型设置如图4所示。

图4. 物理场边界条件

   网格剖分质量是影响计算过程收敛性和计算结果准确性的关键因素，网格剖分质量越高，计算结果的准确性也越高，但过于精细的剖分单元对计算机的要求越苛刻，因此，在仿真计算中对流体边界进行网格加密，其他部分在保持计算结果准确性的前提下，选择适当的剖分精度。网格剖分分布如图5所示。

图5. 计算模型网格和质量分布图

4. 结果展示

   模型采用稳态分离式求解器进行求解，通过计算得到开关柜温度、湿度、速度和压力等结果分布如下所示。

图6. 温度分布

图7. 湿度分布

图8. 速度场分布

图9. 流线分布

图10. 压力分布

编辑：热流Es

文案：RICHER

审核：赵佳乐

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