多孔介质模型在电机温升计算中的应用

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1、2009.No.3多孔介质模型在电机温升计算中的应用多孔介质模型在电机温升计算中的应用彭攀,李名殷(上海电机厂有限公司,上海200240)摘要:以推进电机为研究对象,采用流行的CFD软件FLUENT对其通风散热效果进行数值模拟计算,得出电机各部件的温升,为电机的设计及改进提供科学的依据,同时也为以后研究电机温升提供了一个新的方向。关键词:多孔介质模型;CFD;数值模拟;电机温升3311前言Si=∑Diμjυj+∑Cij2ρ

2、υj

3、υj(1)j=1j=1电机温升是检验电机质量的重要指标。目前我其中S

4、i是i向(x,y,Orz)动量源项,D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中,动量损失对于压力梯国电机厂在电机的设计过程中,主要还是采用经验度有贡献,压降和流体速度(或速度方阵)成比例。公式法计算温升。随着计算科学技术的发展,大大多孔介质中能量方程的处理促进了计算机在流体力学学科的普及应用和各种数对于多孔介质流动,FLUENT软件仍然解标准值方法的开发,形成了计算流体力学(Computational能量输运方程,只是修改了传导流量和过度项。在FluidDynamics,简称CFD)。FLUENT是目前

5、处于多孔介质中,传导流量使用有效传导系数,过渡项包世界领先地位的CFD软件之一,广泛应用于模拟各括了介质固体区域的热惯量:种流体运动、传热、燃烧和污染物运移等问题,它为我们提供了一种新的研究电机温升的途径。[1-4]9999T(φρfhf(1-φ)ρshs)+(ρfuihf)=keff-9t9xi9xi9xi本文针对推进电机,利用Pro/E软件建立模型,9Dp9uihh应用多孔介质模型在FLUENT软件环境中模拟电机φ∑hj′Jj′+φ+φτik+φSf+(1-φ)Ss9xij′Dt9xk的通风散

6、热情况,得出电机各部件的温升,从而为电(2)机的设计及改进提供科学的依据。式中:2多孔介质模型hf=流体的焓hs=固体介质的焓2.1多孔介质模型的原理φ=介质的多孔性多孔介质模型定义了一个具有多孔介质的单元keff=介质的有效热传导系数h区域,而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程Sf=流体焓的源项h中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也Ss=固体焓的源项可以得到描述,它服从多孔介质和流体流动之间的2.2多孔介质模型的选择热平衡假设。由于对象电机内部结构复杂,所以在数值分多孔介质的动量方程析

7、前期建模划分网格的工作量非常大。如按实物多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源建模划分网格,电机转子线圈、定子线圈、铁心等项由两部分组成,一部分是粘性损失项(Darcy),另复杂部件的网格数量至少达到2000万以上,另一一个是内部损失项:方面这些部件对流体流动的影响可以通过多孔介—3—上海大中型电机2009.No.3质代替。综合考虑我们的硬件的计算能力、运算统(两边进风,中间出风)。这里只考虑电机稳态运耗时、电机的设计周期及多孔介质模型的良好性行的状态,可以忽略重力引起的自然对流的影响。后,决定

8、采用多孔介质模型代替上述复杂部件,进循环冷却气体带走热量即部件的损耗短路损耗QK、行整机模拟计算。空载损耗QFe、机械损耗QV(不含轴承磨擦损耗)等根据电磁计算获得,并将数值赋予模型中相应发热3CFD数值模拟部件。重要的参数设置及求解模型选择如下:3.1建模及网格划分选择基于压力的隐式求解器;按照图纸尺寸,使用Pro/E软件建立整机模型,针对电机转子200r/min的旋转问题,选择其中电机转子线圈、定子线圈、铁心等复杂部件直接MRF模型;由多孔介质模型代替。为了方便以后生成网格,对用多孔介质模型模

9、拟线圈和铁心的影响;部分边角区域进行简化处理。在Gambit软件环境电机内部流线很复杂,雷诺数Re数值很大,湍中,为了使电机冷却介质进出的速度平稳,对电机的流选择realizable2k2e;进口和出口都进行了适当的延长。为了以后能方便电机外壳的传热采用流固耦合传热模型;的查看结果,我们从整体上将电机分为转子和定子由于马赫数小于0.3,空气选择不可压理想气体;两部分,两部分结构完全分开,交界面采用interface入口采用速度入口类型;类型来在FLUENT软件里面实现对接。同时针对转出口采用压力出

10、口类型;子和定子两部分,采用剖分的办法将复杂结构分解电机外壳选取1cm厚度,材料为钢板;成相对简单的结构,然后在简单结构上生成6面体3.3多孔介质阻力参数计算网格,复杂结构生成4面体网格。为保证计算结果首先我们对推进电机真实周期几何模型做数值的准确性,在定子和转子之间的气隙划分3层网格。模拟实验,经过多次实验,通过测量不同速度的流体整机模型最终网格总数量2819079。绝大部分为6流经几何实体受到阻力而产生的压力损失,得出一面体网格,扭曲度超过0.9的网格数量为5个,最大系列相应数