双曲线型油浸式变压器散热片的数值研究

双曲线型油浸式变压器散热片的数值研究

付晓俊曾宪凯

付晓俊曾宪凯

四川电力设计咨询有限责任公司四川成都610000

摘要:变压器的散热效果将直接影响变压器的绝缘寿命，从而影响变压器的安全使用及使用期限。本文提出一种双曲线型的油浸式变压器散热片以增强变压器散热片换热性能。分别建立常规型散热片和双曲线型散热片数值模型，利用CFD方法对油浸式变压器散热片进行数值模拟，得到两种散热片模型的的温度分布、流体流速速度区间、换热量等参数。双曲线型散热片空气流速在喉部处速度明显提高，同常规形状换热片相比，换热面积减少了12%，但是换热量却提高了14.9%。该双曲线型换热片设计可大大提高换热效果，从而达到延长变压器使用寿命的目的。

关键词:变压器散热片;双曲线型;数值模型；换热效果

1.理论分析

图1双曲线型散热片结构图一

图2双曲线型散热片结构图二

图3常规散热片结构图

同常规片式散热器相比，双曲线型散热器的换热片形式为双曲线型，并将散热片四周用同材质金属包围。

(1-1)

(1-2)

(1-3)

式中：式中A为流道截面积，C为流体流速，P为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量，Q为换热量，K为换热系数，△t为换热温差。

双曲线型散热片空气侧、油路侧流体流道实际上都是缩放喷嘴的结构，流体流过喉部的时候，压力下降，流速增大。在喉部压力降低，把流体从底部吸入。喉部上面的就是扩压段，流体流速变慢，压力升高。运用双曲线型结构，流体流速加快，并形成抽吸力，从理论上可以提高空气侧以及油路侧的换热效果。

另一方面将散热片外表面进行包裹以后，空气侧流道形成烟囱结构，具有拔风作用。流道内空气被散热片加热，由于流道内外空气的温度差产生了空气密度的差别，于是形成压力差，趋使流道内外空气的流动。

2.数值模拟模型建立

2.1有限元模型建立及网格划分

在本次模拟中做如下假设：

(1)计算区域中的流动与换热是稳态的。在数值模拟的时候认为散热片温度为定温；

(2)散热片与空气的物性参数是常数。由于本计算中空气的温度变化不超过30℃，散热片的温度变化不超过20℃，因此假定空气的物性参数和散热片的物性参数均为常数;

根据散热片换热过程的对称性，在本次模拟中，我们沿着两片散热片中间的位置切出一块散热片，进行建模。利用gambit软件分别建立起双曲型散热片和常规散热片的三维物理模型；利用非结构化网格划分方式对模型进行网格划分；设定边界类型；设置流体区域、固体区域；输出mesh文件，导入fluent中进行计算。模拟时增加了入口段、出口段以消除入口效应以及出口效应，以保证流动充分发展。数值模型如下：

图4双曲线型散热片数值模型

图5常规型散热片数值模型

模拟采用层流模型，流固藕合计算，动量方程与能量方程耦合求解;入口压力入口，出口为压力出口，本次模拟中散热片温度均为350K；气相流场在壁面处采用无滑移边界条件；散热片和流体采用各自的导热系数。流场速度分布，流体与固体换热量，流体换热面积均可通过fluent模拟求解。

2.2控制方程

（1）质量守恒方程

质量守恒方程又称为连续方程是任何流动问题都必须满足的守恒方程。质量守恒方程如下：

(2-1)

图3-1与图3-2的速度分布云图对比可以看出，双曲线型散热片流体速度在喉部处明显提高；根据公式1-1分析，马赫数小于1，流体速度与流道面积成反比，在喉部处流道截面积减小，所以此时流体速度提高，也可以得出相同的结论。根据，在换热面积和换热温差都不变的情况下，流体流速提高也即传热系数K增大，从而换热量增大。

图3-3与图3-4的压力分布云图对比可以看出，双曲线型散热片在喉部处压力明显降低，流道底部空气压力高于喉部，形成压差，此时流道外的空气相对于流道内的空气温度低，比重大，有利用底部空气的补充，流道内外的空气源源不断的进行流动,达到增强换热效果的目的。

从表3-1中可以看出，同长方体型换热片相比，双曲线型散热片换热面积减少了12%，但是换热量却提高了14.9%。散热面积减小，节约了金属耗材，降低了变压器制造成本；换热效果增强，说明该双曲线型换热片设计确实可以大大提高换热效果，从而达到确保变压器安全运行及延长变压器使用寿命的目的。

4.结论

变压器的散热效果将直接影响其寿命。通过理论分析及数值模拟方法得出使用双曲线型散热片将显著提高其换热效果。该双曲线结构一方面空气侧、油路侧结构均为双曲线型，对流体产生一个提升力，另一方面空气侧由于金属包裹，形成烟囱结构，可以进一步提高换热效果。同常规换热片相比，双曲线型散热片空气流过喉部时速度提升，压力降低，有利于底部空气的补充。另一方面，使用双曲线型散热片可以减少换热面积，也即减少金属耗材。在变压器散热片选型时如果选择双曲线型散热片将大大提高换热效果。

参考文献：

[1]邵志伟,黄亚继,张强,严玉朋.片式散热器散热特性的数值研究[J].华东电力,2014,42(02):431-434.[2017-09-12].

付晓俊（1991-），男，四川省简阳市人，硕士研究生，主要从事传热学方面的研究。