关于GIS在通流下发热的仿真步骤

liuchengzhu

之前有个哥们想我咨询如果用Maxwell+Fluent耦合仿真GIS在通流条件下的发热与流动特性的仿真，经过几天的分析与计算，现将操作步骤简要介绍给大家，以帮助大家尽快熟悉电磁热流耦合仿真流程；
普及贴：GIS（GAS INSULATED SWITCHGEAR）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。GIS设备自20世纪60年代实用向家坝水电机组GIS向家坝水电机组GIS化以来，已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。

高压配电装置的型式有三种：第一种是空气绝缘的常规配电装置，简称AIS。其母线裸露直接与空气接触，断路器可用瓷柱式或罐式。葛洲坝电厂采用的即是这种型式。第二种是混合式配电装置，简称H－GIS。母线采用开敞式，其它均为六氟化硫气体绝缘开关装置。第三种是六氟化硫气体绝缘全封闭配电装置。其英文全称GAS—INSTULATED SWITCHGEAR，简称GIS。

GIS是运行可靠性高、维护工作量少、检修周期长的高压电气设备，其故障率只有常规设备的20%～40%，但GIS也有其固有的缺点，由于SF6气体的泄漏、外部水分的渗入、导电杂质的存在、绝缘子老化等因素影响，都可能导致GIS内部闪络故障。GIS的全密封结构使故障的定位及检修比较困难，检修工作繁杂，事故后平均停电检修时间比常规设备长，其停电范围大，常涉及非故障元件。

GIS设备的内部闪络故障通常发生在安装或大修后投入运行的一年内，根据统计资料，第一年设备运行的故障率为0．53次/间隔，第二年则下降到0.06次/间隔，以后趋于平稳。根据运行经验，隔离开关和盆型绝缘子的故障率最高，分别为30%及26.6%；母线故障率为15%；电压互感器故障率为11.66%；断路器故障率为10%；其他元件故障率为6.74%。因此在运行的第一年里，运行人员要加强日常的巡视检查工作，特别是对隔离开关的巡视，在巡查中主要留意SF6气体压力的变化，是否有异常的声音（音质特性的变化 、持续时间的差异）、发热和异常气味、生锈等现象。如果GIS有异常情况，必须及时对有怀疑的设备进行检测。

——来自百度

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GIS电磁热流耦合仿真与我之前那本书《ANSYS Workbench 14.0超级学习手册》上写的的最后一章“Maxwell+Fluent热流耦合”的操作方法有些类似，只是在流动特性上的操作略有差异；

GIS电磁热流耦合仿真的一般步骤：
1）建立电磁环境的GIS模型，网格划分（注意：如果是直流电流的话，不需要设置肌肤深度；如果是交流电流需要设置肌肤深度），求解计算，并提取出损耗（以便于损耗传递验证损耗的正确性）；
2）建立流体计算环境的GIS模型，需要产生共轭传热壁面，网格划分（细化一下比较好），导入电磁环境的损耗值（可以跟上面提取的数据进行对比），进行流场设置与求解，后处理。

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1）电磁环境下的GIS几何：选择材料，设置激励，建立求解域

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2）网格设置与划分：对两个导体尽量细化（需要考虑肌肤效应）

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4）设置边界条件：设置计算域的外边界为气球边界

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5）添加求解器并进行计算

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6）进行损耗计算，提取两个导体的损耗，如下图所示：

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7）启动ANSYS Workbench平台，并导入刚才计算的maxwell工程项目

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8）在ANSYS Workbench平台上创建一个Fluid Flow (Fluent)模块，并进行如图所示的数据连接

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9）双击B2进行几何编辑或者创建，如下图所示，注意：一定要将所有几何from a new part一下，不然后面不会产生共轭传热面！！！

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10）双击B3进入网格划分模块，先设置好几何属性是固体还是流体，然后再划分网格；设置好Named Selection

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11）关闭网格划分模块，并邮件单击B3，update一下，保证数据传递到B4中

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12）双击B4启动fluent，并根据个人电脑的情况设置并行还是非并行，单精度还是双精度计算

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13）激活能量方程

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14）选择流体模型，选择壁面函数

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15）设置重力加速度值

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16）选择辐射模型并进行辐射计算

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17）选择流体自然对流模型，并设置热膨胀系数，再添加一个cu导体材料

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18）对几何进行材料修改，默认时估计几何全部为铝，这里将铜导体改成cu

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19）设置铝导体外表面与空气的自然对流系数