一种快速收敛的隔离开关温度场仿真方法、系统以及仿真分析终端

摘要

本发明公开了一种快速收敛的隔离开关温度场仿真方法、系统以及仿真分析终端，包括以下步骤：根据隔离开关几何结构、材料参数、额定电流建立多物理场仿真耦合计算模型；接收输入的预计算强迫风速值，设置预计算边界条件，并根据该预计算强迫风速值以及预计算边界条件基于该仿真耦合计算模型确定隔离开关的预计算流场分布数值；判断该多物理场仿真耦合计算模型的预计算是否满足收敛条件；将符合收敛条件的流场分布数值作为初始条件，入口和出口边界统一设置为开口边界，基于该多物理场仿真耦合计算模型计算隔离开关自然对流条件下的温度场。本发明快速收敛的仿真方法和系统，通过预计算流场初始值，实现了自然对流条件下温度场计算的快速收敛。

说明书

技术领域

本发明涉及输变电技术领域，具体涉及一种自然对流条件下快速收敛的隔离开关温度场仿真方法、系统以及仿真分析终端。

背景技术

隔离开关是电力系统和牵引供电系统中用量最多的开关设备，主要用于隔离电源、倒闸操作、连通和切断小电流电路，安装在断路器两侧与断路器配合使用。

隔离开关作为高压开关产品性能可靠程度直接影响着电网安全。但其密封严密、结构紧凑的特点，使得隔离开关内部导体发热严重。因此，实现对隔离开关的热点温度的监测，有利于及时了解设备的运行状态，保障隔离开关设备的可靠性，对电力系统的稳定运行十分重要。

隔离开关因为自身密闭的结构，内部导体的温度很难直接测量。现有技术中，利用传热学以及流体力学原理研究电力设备内部的热力学问题，可通过求解微分方程组得到电力设备的热点温度的计算方法。

隔离开关温度场仿真计算对分析隔离开关的故障特性、通流能力具有重要的物理意义，但是，在实际计算中由于隔离开关的温度计算需要在自然对流下计算，由于自然对流下的计算是温度场和流体力场强耦合计算即多物理场仿真耦合计算，其计算过程常常面临收敛问题。

收敛问题主要是因为强耦合多物理场仿真计算中对初始值比较敏感，一般从初始值零开始计算会出现不收敛问题。因此初始值的选择影响到了隔离开关温度场和流体力场强耦合多物理场仿真计算过程。

发明内容

基于此，为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种在自然对流条件下可对仿真分析计算输出进行快速收敛的隔离开关温度场仿真方法、系统以及仿真分析终端。

第一方面，本实施例提供一种快速收敛的隔离开关温度场仿真方法，包括以下步骤：

根据隔离开关几何结构、材料参数、额定电流建立多物理场仿真耦合计算模型；

接收输入的预计算强迫风速值，设置预计算边界条件，并根据该预计算强迫风速值以及预计算边界条件基于该仿真耦合计算模型确定隔离开关的预计算流场分布数值；

判断该多物理场仿真耦合计算模型的预计算是否满足收敛条件；不满足收敛条件时，对该预计算强迫风速值进行微调直至符合收敛条件；

将符合收敛条件的预计算强迫风速下的流场分布数值作为初始条件，入口和出口边界统一设置为开口边界，基于该多物理场仿真耦合计算模型计算隔离开关自然对流条件下的温度场。

第二方面，本申请实施例提供一种快速收敛的隔离开关温度场仿真系统，包括数据建模模块、预处理模块、收敛判断模块以及赋值模块：

该数据建模模块，用于根据隔离开关几何结构、材料参数、额定电流建立多物理场仿真耦合计算模型；

该预处理模块，用于接收输入的预计算强迫风速值，设置预计算边界条件，并根据该预计算强迫风速值以及预计算边界条件基于该仿真耦合计算模型确定隔离开关的预计算流场分布数值；

该收敛判断模块，用于判断该预计算流场分布数值的收敛性是否满足收敛条件；不满足收敛条件时，对该预计算强迫风速值进行微调直至符合收敛条件；

该赋值模块，用于将符合收敛条件的强迫风速下的流场分布数值作为初始条件，入口和出口边界统一设置为开口边界，基于该多物理场仿真耦合计算模型计算隔离开关自然对流条件下的温度场。

第三方面，本申请实施例提供一种仿真分析终端，包括存储器、处理器以及存储在该存储器中并可在该处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现上述第一方面提供的方法。

本申请实施例的快速收敛的隔离开关温度场仿真方法以及系统，通过预计算符合模型收敛条件的流场初始值，赋值给实时的计算模型，实现了自然对流条件下温度场计算的快速收敛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本实施例的快速收敛的隔离开关温度场仿真方法的主流程图；

图2为本实施例的快速收敛的隔离开关温度场仿真方法的示例流程图；

图3为本实施例的多物理场仿真耦合计算模型的几何模型；

图4为本实施例的快速收敛的隔离开关温度场仿真系统模块结构图；

图5为本实施例的仿真分析终端的硬件结构框图；

图6为本实施例的预计算中流体力场的流速分布规律图；

图7为本实施例特定的预计算强迫风速值(0.1米/秒)下的隔离开关温度计算结果示意图；

图8为本实施例自然对流条件下的隔离开关温度计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1以及图3所示，本申请实施例的自然对流条件下快速收敛的隔离开关温度场仿真方法，为运行在PC机或者服务器上的可执行程序。

该快速收敛的隔离开关温度场仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：根据隔离开关10几何结构、材料参数、额定电流建立多物理场仿真耦合计算模型。

步骤2：接收输入的预计算强迫风速值，设置预计算边界条件并进行网格化，并根据该预计算强迫风速值以及预计算边界条件基于该仿真耦合计算模型确定隔离开关10的预计算流场分布数值。如图6所示流体力场分布规律图，右侧为速率值对照条。

步骤3：判断该多物理场仿真耦合计算模型的预计算是否满足收敛条件。请一并参考图2，在本实施例中，初始的预计算强迫风速值的推荐值为0.1米/秒。在该初始值下模型计算结果一般满足收敛性的要求。

步骤4：比较当前预计算强迫风速值计算的流场分布数值下函数模型的收敛性与收敛阈值，不满足收敛条件时，对该预计算强迫风速值进行微调，再返回步骤3再次运算，直至微调的预计算强迫风速值符合收敛条件；符合收敛条件的则进入步骤5。比如，取强迫风速为推荐值0.1米/秒，并开展所述多物理场仿真耦合计算模型计算，判断模型计算结果是否满足收敛性要求，不满足时，将该推荐值增加0.01米/秒，返回上一步进行验算。

步骤5：将符合收敛条件的预计算强迫风速下的流场分布数值作为初始条件，入口和出口边界统一设置为开口边界，基于该多物理场仿真耦合计算模型计算隔离开关10自然对流条件下的温度场。

通过以上预计算符合模型收敛条件的流场初始值，赋值给实时的计算模型，实现了自然对流条件下温度场计算的快速收敛。

请一并参考图3，其中，该预计算边界条件为建立几何空间模型，三维空间边界：以垂直重力的第一表面以及第二表面为入口边界和出口边界，平行重力的第三至第六表面为滑移边界。

在步骤1中，该根据隔离开关10几何结构、材料参数、额定电流建立多物理场仿真耦合计算模型的步骤包括：

控制方程：

热力学方程：

其中，热平衡方程为：

Q＝Q

其中，ρ

如图2所示，该入口边界以及出口边界的入口流速选自0.1米/秒—2米/秒范围，包括端点范围之间的任意值。

该开口边界如下所示：

其中，P

实施例2

请参考图4，所示为本实施例的快速收敛的隔离开关温度场仿真系统50，包括数据建模模块51、预处理模块52、收敛判断模块53以及赋值模块54：

该数据建模模块51，用于根据隔离开关几何结构、材料参数、额定电流建立多物理场仿真耦合计算模型。

该预处理模块52，用于接收输入的预计算强迫风速值，设置预计算边界条件，并根据该预计算强迫风速值以及预计算边界条件基于该仿真耦合计算模型确定隔离开关的预计算流场分布数值。

该收敛判断模块53，用于判断该预计算流场分布数值的收敛性是否满足收敛条件；不满足收敛条件时，对该预计算强迫风速值进行微调直至符合收敛条件。

该赋值模块54，用于将符合收敛条件的强迫风速下的流场分布数值作为初始条件，入口和出口边界统一设置为开口边界，基于该多物理场仿真耦合计算模型计算隔离开关自然对流条件下的温度场。

该预计算边界条件为建立三维空间边界：

以垂直重力的第一表面以及第二表面为入口边界和出口边界，平行重力的第三至第六表面为滑移边界模拟静触头的测试边界。该入口边界以及出口边界的入口流速选自0.1米/秒—2米/秒包括端点范围之间的任意值。

如图5所示，所示为本实施例仿真分析终端600。

该真分析终端600包括中央处理器(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口602也连接至总线。

设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元603，例如键盘、鼠标等；输出单元604，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元605，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元606允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法步骤1～步骤5。例如，在一些实施例中，方法步骤1～步骤5可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法步骤1～步骤5的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法步骤1～步骤5。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。