基于Fluent的悬吊式换流阀本体配水仿真研究

直流换流站相对于常规交流变电站明显的区别在于直流换流站的辅助系统较多，包括换流阀水冷系统、空调系统和消防系统等，辅助系统的长期正常运行对确保直流换流站中主要设备的安全运行至关重要。其中换流阀水冷系统虽然是辅助系统，但对直流系统的影响非常大，能直接给出闭锁指令[1]。在直流输电系统强迫停运的故障中，因换流阀水冷系统引起的故障占有很大的比例。因此，分析、研究换流阀水冷系统的结构，提出实际的解决方法，对保障高压直流系统的安全运行有着非常重要的作用。

外冷却系统是一个开放系统，较好控制，对于其冷却塔的冷却能力的相关理论计算方法已很成熟，然而内冷却系统中对于晶闸管的水冷却技术的仿真相对较少。LIPS[2]于1994年提出了将水冷技术运用到特高压换流阀上的思路；YOU等[3]详细介绍了±800kV直流换流站的水冷系统的结构。姜靖雯等[4]提出了晶闸管冷却系统内冷水系统水处理的设计要求；王涛等[5]利用Fluent软件对单个晶闸管冷却模型进行了仿真研究，得出了不同功率下的冷却能力。熊辉等[6]仿真分析了散热器台面的温度分布、流场与流动阻力、功率和流量变化时对热阻和流阻的影响。丁杰等[7]开发了一种阿基米德螺旋流道结构的晶闸管水冷散热器，并通过仿真测试验证了该散热器的效果；王金雄[8]以天广工程实际项目为背景，研究了冷却水进水温度和流速对晶闸管冷却温度的影响。在对水路管道的设计方面，张雷等[9]对水冷系统管路建立了模型，通过理论分析，提出了改进方法。焦秀英等[10]以具体工程为背景提出了具体水路结构改进措施。但以上研究对水路模型都做了比较大的简化，而简化过多会导致整体结构响应特性的改变，或者没有将详细水路模型与散热器模型结合。

本文以南京南瑞继保电气有限公司研制的某型号悬吊式换流阀塔为例，应用Fluent对其水冷系统的静压分布、发热元件的散热情况以及整体配水进行了详细研究，使得技术人员能更直观、量化地了解悬吊式换流阀水冷系统的物理特性，对设计一种合理高效、能长期运行的水冷系统具有非常重要的意义。

在“数与代数”教学中，借助图形的直观性将抽象的数学概念、运算等形象化、简单化，给学生以直观感，让学生以多种感官充分感知，在形成表象的基础上理解数学本质，解决数学问题。

1 悬吊式换流阀内冷却系统

在不同的换流阀中，内冷却系统的结构是各不相同的。在本文中，特高压换流阀为户内悬吊式四重阀塔式，上下总共4层。每个阀由2个可控硅模件组成，每个可控硅模件由2个阀段组成，每个阀段由9个晶闸管分别与RC回路并联，再与2个电抗器串联组成。

因为阀组至水机、水机至外热交换器的管路阻力损失较小，所以本文提到的阀组本体管路是指主水管路以及散热器与电抗器的进出配水管路。

在阀段中散热器包括三孔边散热器和六孔中间散热器，这里以三孔散热器为例，介绍其仿真结果。图7为三孔边散热器计算模型示意图，箭头表示冷却水流动方向，进口水温为53℃。

 

表1 各管件工况

  

管件名称流量/(L·min-1)阀进出水主管路950～1136阀层进出水管路120～625电抗器流道30～80电抗器进水管130～80电抗器进水管230～80电抗器与散热器连接水管130～80电抗器与散热器连接水管230～80散热器间连接水管130～80散热器间连接水管230～80散热器出水管130～80散热器出水管230～80

式中：Δhf为沿程阻力损失，m；λ为摩擦系数；v为介质流速，m/s；g为重力加速度，g=9.81m/s2；L为管路长度，m；d为管路内径，m。

 

表2 元器件发热功率

  

流量/(L·min-1)进水温度/℃元件名称长期运行工况下的发热功率25～8053晶闸管阻尼电阻取能电阻均压电阻2050W/面126W/个40W/个14．5W/个

2 内冷却系统中部件有限元模型

在内冷却系统中，主管路的材料为316L不锈钢，配水管和水接头主要采用PVDF管[11]，内径为12.2mm，冷媒为纯水。

沿程阻力损失计算公式为

 

(1)

模型中主要的发热元器件包括晶闸管、阻尼电阻、取能电阻及均压电阻，它们的发热功率见表2。

目前，泛海系正试图将地产业务抽离出泛海控股上市公司主体。同时，在打造全牌照金融帝国的路上，泛海系与金融去杠杆迎面遭遇，高负债的隐忧始终牵扯着这个老牌系族最为敏感的神经。

其中，摩擦系数λ取决于雷诺数Re，Re的计算公式为

“鼓”在《说文解字》中的意思是打击乐器。成语“一鼓作气”的意思是，打仗时敲第一次击鼓就可以鼓起士兵的士气和精神。比喻趁劲足时一下子把事情完成。“鼓”，名词用作动词，击鼓。

 

(2)

式中：ρ为介质密度，kg/m3；μ为介质的黏度，Pa·s。

为验证改进后的遗传算法在排课问题中的应用效果，与文献[10]及基本遗传算法进行对比实验。种群数量设为400，基本遗传算法迭代数设为500，本文改进的遗传算法最大允许停滞代数设为20，交叉概率为0.89，变异概率为0.02。分别在不同授课任务数时，三种算法得到的平均运行时间及适应度值如图所示。

一般当v<6m/s并且其他条件不变时，沿程阻力损失Δhf∞v2，故流速v因流量增大而增大，沿程阻力损失也将增大。

图20为配水管壁静压分布图。考虑到静水压力的影响，沿流动方向向下时，主水管壁静压沿流动方向增大；沿流动方向向上时，主水管壁静压沿流动方向减小。

热分析时，热源采用面热源(W/m2)的方式加入。除去热源壁面外，假定其他壁面绝热。由于没有考虑散热器与周围空气之间的传热，计算所得温度要高于试验测得值。

为了满足所需要的计算精度，仿真需要遵循以下几点：

综上所述，在小学语文教学中应用信息化教学，不仅可以调动学生的课堂参与积极性，有效拓宽课堂教学容量，还能培养学生的自主学习能力，提升学生的学习质量和课堂教学效益。小学语文教师要认识到信息化教学的优势，结合新课程标准和素质教育要求对信息化教学模式进行深入研究，将其效能和价值最大限度地挖掘出来，促进学生和谐、健康、全面发展。

1)合理简化几何模型，主要是处理对计算结果影响不大但对网格划分影响较大的细小特征。

2)网格划分原则上采用六面体网格。如几何形状相对复杂，无法划分全部六面体网格时，采用四面体+边界层网格。此外还可以采用四面体+六面体+边界层混合网格，如整体配水。另外需要进行网格数量无关性的检查来保证计算结果的精度。

3)合理选择计算模型。选择的计算模型原则上要能捕捉到仿真的现象，因为任何计算模型(如湍流模型)的选择都可能得到收敛的结果，但收敛的结果不一定是准确的结果。因此，前期需要对选择的计算模型进行验证。

4)当计算结果稳定时，关于收敛结果的判定，一定要遵循流量、动量及热守恒。

筛选15名对于“水光感”有需求的消费者代表分组进行小组访谈，收集关于“水光感”的诉求，诉求包括：皮肤有光泽；皮肤通透；肤色白皙；皮肤水润；皮肤细腻；斑点或瑕疵不明显；皱纹或细纹不明显；皮肤饱满紧实。

3 仿真计算结果

3.1 换流阀部件阻力分析

换流阀部件较多，这里主要选取两种较为典型的管道为例进行说明。管件主要分为两种：一种为圆滑过渡的管道，如阀层进水管；一种带有明显折弯特征的管道，如电抗器进水管。

图1为阀层进水管计算模型示意图，箭头表示管内水流方向。图中重力加速度垂直向下。图2 为管内阻力随流量的变化关系，流量范围为120L/min～625L/min，可以看出阻力随流量增大而增大。图3所示为625L/min流量时阀层进水管表面静压分布情况。如果不考虑静水压力的影响，沿流动方向，由于流动阻力存在，表面静压应逐渐减小。本文考虑静水压力的影响，沿重力方向表面静压呈上升趋势。

  

图1 阀层进水管

  

图2 阻力随流量变化关系

  

图3 625L/min时阀层进水管表面静压分布

图4 为电抗器进水管1的计算模型示意图，箭头表示管内水流方向，重力加速度方向向下。图5 为进水管内阻力随流量的变化关系，流量范围为30L/min～80L/min，可以看出阻力随流量增大而增大。图6所示为80L/min流量时，进水管表面静压分布情况。由于流动阻力的存在，除了在拐弯处，静压整体呈下降趋势。在拐弯处，由于部分动能转化为压力势能，静压增大。

  

图4 电抗器进水管1

  

图5 阻力随流量变化关系

  

图6 80L/min时电抗器进水管1表面静压分布

3.2 散热器流阻与温度分析

为了降低水阻，满足流量要求，各级需要冷却的元件水路均并联，阀段对外设有1个进水管和1个出水管，各管件及其工况见表1。

  

图7 三孔边散热器模型

图8所示为长期运行工况下散热器内最高温度及冷却水出口温度随流量的变化关系，流量范围为25L/min～80L/min。从图中可以看出，随着冷却水流量增大，散热器内最高温度和冷却水出口温度呈下降趋势。图9所示为冷却水流道阻力随流量的变化关系，可以看出流阻随流量增大呈上升趋势。

  

图8 散热器内最高温度及冷却水 出口温度随流量变化关系

图10所示为80L/min流量时，冷却水道外表面温度分布情况。由于晶闸管热源为圆形，冷却水道温度分布近似呈圆形分布，中心温度高，两侧温度低。图11所示为80L/min流量时，散热器外表面温度场分布情况，最高温度出现在晶闸管处，上下两侧由于离冷却水道较近，换热较多，温度比其他地方低。

  

图9 散热器流阻随流量变化关系

  

图10 80L/min时水路壁面温度分布

  

图11 80L/min时散热器外壁面温度分布

图12所示为散热器组Ⅰ的计算模型，各个散热器编号如图所示。图中箭头表示冷却水流动方向。图中重力加速度方向垂直向下，进口水温为43℃。

不注重阅读与写作的结合是语文教学中常出现的问题。其实，教材是很好的例子，老师要引导学生从中汲取写作的养分，学习名家的谋篇布局、学习作者表现手法的运用、学习品味经典优美的语言，从而提高写作水平。例如在学完鲁迅先生写的《藤野先生》一文，可以指导学生学习用具体典型的事件来反映人物性格特点与人物品格的写作方法；学完《海燕》一文，可以指导学生将正面描写与侧面描写相结合来刻画所描写的人与物，以更好地突出所要描写的人与物鲜明的个性特点。

本文结合换流阀本体管路模型和散热器模型，建立了一个完整的悬吊式换流阀本体水冷系统模型，通过对该模型的流阻与温度分布进行分析，得到了该系统的整体配水仿真结果。但是，该模型除去热源壁面外，假定其他壁面绝热，并没有考虑散热器与周围空气之间的传热，计算所得温度要高于试验测得值。

美国肥必施公司全球首席技术副总裁TerryHanson博士在分享中表示，肥必施公司针对肥料利用率低下带来的经济和环境问题，研发出了“碳劲缓释氮”。据TerryHanson介绍，“碳劲缓释氮”实现了尿素、三嗪酮、亚甲基脲及多种生物刺激物质的有机混合，在施用后尿素被快速吸收的同时，三嗪酮和亚甲基脲作为稳定形态氮将缓慢释放，释放周期长达10周。“碳劲缓释氮”可作为叶面肥、条施肥、追肥等和大多数肥料同时施用，有效提升了养分的利用率，改善了养分在作物体内的运输，增强了非生物和生物抗逆性。

  

图12 散热器组Ⅰ模型

  

图13 散热器出口水温随流量变化关系

  

图14 散热器流阻随流量变化关系

  

图15 63.5L/min时散热器单元最高温度

  

图16 71L/min时散热器单元最高温度

在加强散热方面，主要采取以下措施：

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1)在不改变结构的情况下，增大水流量，可以强化换热，但要注意流量增大时，流阻也会相应增大，需要平衡两者之间的关系。

  

图17 78L/min时散热器单元最高温度

2)增加散热器内冷却水道的表面积(如冷却水道的直径)，可增强换热效果。

腊八习俗主要表现在饮食方面。腊八粥的原料都是五谷杂粮，其中既有糖、脂肪、蛋白质，也有维生索、钙、铁、锌、磷等多种微量元素。它不仅有食用价值，也有较高的营养价值。中医说它和胃健脾，有养生保健之功效。大病初愈、妇女产后、婴儿初学进食，往往要吃流质，就说明粥有容易消化吸收的长处。腊八粥做为节日饭食，人们可以根据自己的爱好，在粥里放入各种各样的粮食、果品和肉菜，真可谓杂粮之集锦，果品之大成。所以民间也称腊八粥为“杂八拉”“杂八饭”。

3)增加冷却水在散热器内的停留时间，可以增强换热效果。该方法可以通过延长冷却水在散热器内的流动距离来实现。

4)除了通过冷却水散热外，还可以通过在散热器外表面增加翅片来进行散热，即通过翅片与空气的自然对流将一部分热量带走。

3.3 整体配水分析

换流阀本体的水冷管路由换流阀顶端向下分左右两路主管路布置，再由底部向上返回至顶部。在进出水主管路之间并联着流经晶闸管、阻尼电阻及阀电抗器的进出水管。图18为整体配水计算模型图，包括主进出水管。图中标号为各个流道支路。

  

图18 整体配水模型

图19所示为计算稳定时各支路流量的分配情况。支路流量最高为72.8L/min，最低为68.1L/min。同一阀层内，两支路流量差最大值小于4.0L/min。

  

图19 各支路流量分配(总流量1 126L/min)

本文采用三维计算分析软件Fluent对内冷却水流动区域进行模拟计算[12]。在所有分析中采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，湍流模型采用Realizable κ-ε模型[13]。

如图1所示，Client通过自定义协议向Server发送请求，Server监测Client连接请求，为每一个Client连接请求生成一个服务线程，考虑到每一个连接都需要一定的系统开销，所以Server自己维护连接归入池中。因此，线程池负责分配管理和释放Client连接，允许系统重复使用一个现有连接，而不是重新建立一个。

  

图20 管路壁面压力分布

4 结束语

图15～17给出了不同冷却水流量下散热器内的最高温度。可以看出，沿冷却水流动方向，散热器内(除最左侧散热器外)的最高温度呈上升趋势。各散热器的最高温度随冷却水流量增大呈下降趋势。

图13所示为冷却水出口温度随流量的变化情况。随着流量的增大，出口水温呈下降趋势；冷却水道流阻随流量增大呈上升趋势，如图14所示。

参考文献：

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[2] LIPS H P. Water cooling of HVDC thyristor valves[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2002，9(4)：1830-1837.

[3] YOU S H,TAN Q,WANG M,et al. Cooling system circuit analysis of p800kV DC power transmission converter valve[C]//4th International Conference on Computer,Mechatronics,Control and Electronic Engineering. Paris:Altantis Press,2015:1131-1134.

[4] 姜靖雯，徐中亚. 浅谈晶闸管阀冷却水系统水处理[J]. 广东输电与变电技术，2010，12(1)：39-40.

[5] 王涛，袁天奇，肖江文. 基于Fluent的晶闸管水冷却技术仿真研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011.

[6] 熊辉，邵云，颜骥，等. 基于Fluent的6英寸晶闸管水冷散热器设计及优化[J].大功率变流技术，2013(4)：22-27.

[7] 丁杰，张平. 晶闸管水冷散热器的热仿真与实验[J].机械设计与制造，2016 (7)：177-180.

[8] 王金雄. 高压直流输电换流站晶闸管阀水冷却技术仿真研究[J]. 陕西电力，2014，42(5)：27-30.

[9] 张雷，常忠，王珊丹，等. 大容量高压SVC装置用晶闸管阀水冷管路优化设计[J]. 电气应用，2014，33(11)：70-73.

本次计算研究涉及的所有数据均采用SPSS 19.0统计学软件处理，行χ2检验分析计数资料，用率（%）的形式表示，行t检验分析计量资料，用（均数±标准差）形式表示，Pearson相关性分析TMT时间与各影响因素的相关性，P＜0.05为差异有统计学意义。

[10] 焦秀英，刘宁. 向家坝—上海特高压直流输电换流阀塔水路的分析[J]. 高压电器，2012，48(1):13-16.

[11] 耿曼，冷明全，胡贤. PVDF在换流阀冷却管路中的应用[J]. 浙江化工，2016，47(7)：31-33.

[12] 王洋，何文俊. 基于Fluent的无过载离心泵改型设计[J].农业机械学报，2009，40(9)：85-88.

[13] 朱红钧，林元华，谢龙汉.流体分析及仿真实用教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.

相比而言，我们的不作为，才是对员工最大的犯罪。我不知道那些被我和老杨辞退的员工们如今都怎么样了。但愿，他们都收获了成长。