一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及控制領(lǐng)域，特別是一種用于戶內(nèi)變電站主變 室流場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算的快速計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)：計(jì)算流體力學(xué)（CFD)是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科 學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問 題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研宄，以解決各種實(shí)際問題。
[0003] 由于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點(diǎn)，因此 采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)戶內(nèi)變電站主變室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析具有重要的工程 實(shí)用價(jià)值。但是常規(guī)的CFD計(jì)算中，前期的外觀建模、繪制網(wǎng)格以及后期計(jì)算中所涉及到 的求解方法需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算內(nèi)存，不僅對(duì)使用人員的建模能力、網(wǎng)格繪制 經(jīng)驗(yàn)的要求較高，而且對(duì)于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間和計(jì)算性能也有很高的要求，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、內(nèi) 存占用量大、計(jì)算結(jié)果受人為因素影響嚴(yán)重等問題已稱為阻礙CFD計(jì)算推廣應(yīng)用的主要瓶 頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的其中一個(gè)目的就是提供一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模 擬的快速計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)智能的網(wǎng)格劃分過程，大幅縮短計(jì)算求解時(shí)長(zhǎng)以及減小計(jì)算 機(jī)所占內(nèi)存，為戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的計(jì)算提供便捷、快速且滿足工程精度需 要的數(shù)值計(jì)算手段。
[0005] 本發(fā)明的目的之一是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括有如下的具體步驟：
[0006] 1)根據(jù)參數(shù)化外觀建模算法以及智能網(wǎng)格劃分算法、速度場(chǎng)快速求解算法以及溫 度場(chǎng)快速求解算法所需的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，建立輸入、輸出參數(shù)表；
[0007] 2)根據(jù)參數(shù)化外觀建模算法、智能網(wǎng)格劃分算法對(duì)戶內(nèi)變電站主變室的計(jì)算空間 進(jìn)行外觀建模和網(wǎng)格劃分；
[0008] 3)將上述網(wǎng)格劃分的結(jié)果輸入到速度場(chǎng)快速求解算法以及溫度場(chǎng)快速求解算法 中進(jìn)行計(jì)算，并將流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到輸出參數(shù)表；
[0009] 4)將輸出參數(shù)表中的數(shù)據(jù)輸入到流場(chǎng)可視化程序中。
[0010] 進(jìn)一步，步驟1)中所述的輸入?yún)?shù)表用于存儲(chǔ)流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算的參數(shù)， 包括戶內(nèi)變電站主變室參數(shù)化建模和網(wǎng)格劃分所需的整體尺寸參數(shù)、戶內(nèi)變電站主變室用 于內(nèi)部的障礙物及邊界尺寸參數(shù)、速度場(chǎng)快速求解算法以及溫度場(chǎng)快速求解算法所需的參 數(shù)；所述的輸出參數(shù)表用于存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果。
[0011] 進(jìn)一步，步驟2)中所述的參數(shù)化外觀建模算法，具體步驟為：
[0012] 2-1-1)讀取用戶輸入的變電站主變室整體的尺寸信息；
[0013] 2-1-2)經(jīng)系統(tǒng)自動(dòng)檢查無誤后，依次讀入障礙物的位置及尺寸信息，進(jìn)出口位置、 尺寸及方向信息，風(fēng)扇的位置、尺寸及方向信息；
[0014] 2-1-3)自動(dòng)完成變電站主變室的外觀建模，并且將外觀建模的信息傳遞到智能網(wǎng) 格生成算法中。
[0015] 進(jìn)一步，步驟2)中所述的智能網(wǎng)格劃分算法的具體步驟為：
[0016] 2-2-1)讀入由參數(shù)化外觀建模算法生成的信息，包括障礙物位置及尺寸信息、進(jìn) 出口位置以及尺寸和方向信息、風(fēng)扇的位置以及尺寸和方向信息、還有從輸入?yún)?shù)表中讀 取的X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的網(wǎng)格整體數(shù)量；
[0017] 2-2-2)采用障礙物和邊界的坐標(biāo)值將X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸分成若干段；
[0018] 2-2-3)將分成的每一段的長(zhǎng)度逐一求出。
[0019] 進(jìn)一步，步驟3)中所述的速度場(chǎng)求解算法包括密度簡(jiǎn)化算法、微分方程分布投影 算法以及湍流方程求解快速算法。
[0020] 進(jìn)一步，所述的密度簡(jiǎn)化法采用的是Boussinesq近似，即將密度以及流場(chǎng)的物性 參數(shù)均視為常數(shù)，其公式為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算方法，其特征在于，具 體步驟如下： 1) 根據(jù)參數(shù)化外觀建模算法、智能網(wǎng)格劃分算法、速度場(chǎng)快速求解算法、溫度場(chǎng)快速求 解算法建立輸入?yún)?shù)表和輸出參數(shù)表； 2) 根據(jù)參數(shù)化外觀建模算法以及智能網(wǎng)格劃分算法對(duì)戶內(nèi)變電站主變室的計(jì)算空間 進(jìn)行外觀建模和網(wǎng)格劃分； 3) 將上述網(wǎng)格劃分的結(jié)果輸入到速度場(chǎng)快速求解算法以及溫度場(chǎng)快速求解算法中進(jìn) 行計(jì)算，將流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到輸出參數(shù)表中； 4) 將輸出參數(shù)表中的數(shù)據(jù)輸入到流場(chǎng)可視化程序中。
2. 如權(quán)利要求1和2所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì) 算方法，其特征在于，步驟1)中所述的輸入?yún)?shù)表存儲(chǔ)用于流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算的參 數(shù)，包括戶內(nèi)變電站主變室參數(shù)化建模和網(wǎng)格劃分所需的整體尺寸參數(shù)、戶內(nèi)變電站主變 室內(nèi)部的障礙物及邊界尺寸參數(shù)，速度場(chǎng)快速求解算法以及溫度場(chǎng)快速求解算法所需的參 數(shù)；所述的輸出參數(shù)表用于存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算 方法，其特征在于，步驟2)中所述的參數(shù)化外觀建模算法，具體步驟為： 2-1-1)讀取用戶輸入的變電站主變室整體的尺寸信息； 2-1-2)經(jīng)系統(tǒng)自動(dòng)檢查無誤后，依次讀入障礙物的位置及尺寸信息，進(jìn)出口位置、尺寸 及方向信息，風(fēng)扇的位置、尺寸及方向信息； 2-1-3)自動(dòng)完成變電站主變室的外觀建模，并且將外觀建模的信息傳遞到智能網(wǎng)格生 成算法中。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算 方法，其特征在于，步驟2)中所述的智能網(wǎng)格劃分算法的具體步驟為： 2-2-1)讀入由參數(shù)化外觀建模算法生成的信息，包括障礙物位置及尺寸信息，進(jìn)出口 位置、尺寸及方向信息，風(fēng)扇的位置、尺寸及方向信息，還有從輸入?yún)?shù)表中讀取的X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸的網(wǎng)格整體數(shù)量； 2-2-2)采用障礙物和邊界的坐標(biāo)值將X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸分成若干段； 2-2-3)將分成的每一段的長(zhǎng)度逐一求出。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算 方法，其特征在于，步驟3)中所述的速度場(chǎng)求解算法包括密度簡(jiǎn)化算法、微分方程分布投 影算法以及湍流方程求解快速算法。
6. 如權(quán)利要求5中所述的速度場(chǎng)快速求解算法，其特征在于，所述的密度簡(jiǎn)化法采 用的是Boussinesq近似，即將密度看作常數(shù)，流場(chǎng)的物性參數(shù)也看作常數(shù)，其公式為：
其中R為氣體常數(shù)，取值為R = 287. IJAKg · K)，公式中Ttl為參考溫度，取值為 室外溫度值，Ptl為參考?jí)毫χ?，取值為一個(gè)大氣壓。
7. 如權(quán)利要求5所述的速度場(chǎng)快速求解算法，其特征在于，所述的微分方程分布投影 算法，將時(shí)間步從η推進(jìn)到n+1的方法是：首先從時(shí)間步η推進(jìn)到對(duì)流-擴(kuò)散中間步*，應(yīng) 用的公式為：
其中Uit為中間步*的速度項(xiàng)，un為當(dāng)前時(shí)間步η的速度項(xiàng)，UlriS上一個(gè)時(shí)間步的速度 項(xiàng)，V代表網(wǎng)格單元面中心的速度矢量，用來計(jì)算面元的通量，中間步的推進(jìn)完成之后，，通 過格點(diǎn)中心的u#的插值計(jì)算，V μ為上一個(gè)時(shí)間步的￥，而Vn+1為下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的V，v ,為 湍動(dòng)強(qiáng)度，At為時(shí)間步長(zhǎng)，Tn為當(dāng)前時(shí)間步的溫度項(xiàng)，s為控制面積，▽為拉普拉斯算子。
8. 如權(quán)利要求5所述的速度場(chǎng)快速求解算法，其特征在于，所述的湍流方程快速求解 算法采用的公式為：ντ= 0. 03874VL，其中
.U1為流場(chǎng)中任意一點(diǎn)χ沿X軸 的速度，U2為點(diǎn)X沿Y軸的速度，u 3為點(diǎn)X沿Z軸的速度，L為長(zhǎng)度尺度，取值為點(diǎn)X與壁面 之間的最短距離。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算 方法，其特征在于，所述的溫度場(chǎng)快速求解算法的主要公式為：
其中k為傳熱系數(shù)，f為中間時(shí)間步的溫度項(xiàng)，Tn為當(dāng)前時(shí)間步的溫度項(xiàng)，T μ為上一 個(gè)時(shí)間步的溫度項(xiàng)，St為源項(xiàng)，Vn+1為下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的V。
10. 如權(quán)利要求1所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì) 算方法，其特征在于，所述的參數(shù)輸入表的可以自動(dòng)完成對(duì)用戶輸入界面輸入數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
11. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1到9所述方法的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)快速計(jì) 算系統(tǒng)，其特征在于，包括：參數(shù)化外觀建模模塊、智能網(wǎng)格劃分模塊、湍流方程快速求解模 塊、溫度場(chǎng)快速求解模塊以及速度場(chǎng)快速求解模塊、流場(chǎng)可視化模塊、輸入?yún)?shù)模塊、輸出 參數(shù)模塊、用戶輸入模塊。 輸入?yún)?shù)模塊接收輸入到用戶輸入模塊中的戶內(nèi)變電站主變室?guī)缀螀?shù)，然后經(jīng)參 數(shù)化外觀建模模塊進(jìn)行幾何建模，參數(shù)化建模數(shù)據(jù)輸入智能網(wǎng)格劃分模塊自動(dòng)完成網(wǎng)格劃 分，將智能網(wǎng)格劃分模塊中輸出的邊界信息以及障礙物信息輸入到湍流方程快速求解模塊 進(jìn)行計(jì)算，將其余劃分結(jié)果輸入到速度場(chǎng)快速求解模塊以及溫度場(chǎng)快速求解模塊中進(jìn)行計(jì) 算，再將計(jì)算結(jié)果輸入到輸出參數(shù)模塊中，最后將輸出參數(shù)表中接收到的計(jì)算結(jié)果輸入到 流場(chǎng)可視化模塊。
12. 如權(quán)利要求11所述的一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì) 算系統(tǒng)，其特征在于，所述的輸入?yún)?shù)模塊與用戶輸入模塊以及參數(shù)化外觀建模模塊相連， 用于存儲(chǔ)用戶輸入模塊中輸入的戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算所需的尺寸、障礙物及 邊界信息；所述的輸出參數(shù)模塊用于記錄智能網(wǎng)格劃分模塊的網(wǎng)格劃分結(jié)果、戶內(nèi)變電站 主變室的尺寸、溫度場(chǎng)快速求解模塊以及速度場(chǎng)快速求解模塊求解出的流場(chǎng)溫度場(chǎng)信息結(jié) 果。
13. 如權(quán)利要求12所述的輸出參數(shù)表，其特征在于，所述的流場(chǎng)溫度場(chǎng)信息結(jié)果包括： 變電站主變室流場(chǎng)中所有點(diǎn)的溫度值、壓力值和沿X、Y、Z三個(gè)軸向方向的速度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算方法，首先是建立輸入?yún)?shù)表和輸出參數(shù)表；再進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分；之后將網(wǎng)格劃分結(jié)果輸入到速度場(chǎng)快速求解算法以及溫度場(chǎng)快速求解算法中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果存儲(chǔ)到輸出參數(shù)表中。本發(fā)明還公開了一種用于戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的快速計(jì)算系統(tǒng)，包括了參數(shù)化外觀建模模塊、智能網(wǎng)格生成模塊、湍流方程快速求解模塊、溫度場(chǎng)快速求解模塊、速度場(chǎng)快速求解模塊、輸入輸出模塊和用戶輸入模塊。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了戶內(nèi)變電站主變室流場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)值的快速計(jì)算，使得建模和網(wǎng)格劃分過程變得快速、準(zhǔn)確，且占用的內(nèi)存大大的減小，以方便實(shí)際工程應(yīng)用。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104679953
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510076326
【發(fā)明人】徐祿文, 鄒岸新, 伏進(jìn)
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年2月12日