一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法技术

一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于，包括：步骤1，为高温超导电缆波纹管构建几何模型，并对几何模型划分网格；步骤2，利用求解器对波纹管内的液氮流动进行数值模拟，从而计算出波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据；步骤3，对不同的波纹管重复步骤1和步骤2，以获得不同的波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据，并获得不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线；步骤4，基于不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线，获得波纹管不同因素对液氮流动的影响规律，以及对波纹管换热效果的影响规律。本发明专利技术方法，能准确提供多种不同参数对波纹管内液氮流动特性的仿真参考。不同参数对波纹管内液氮流动特性的仿真参考。不同参数对波纹管内液氮流动特性的仿真参考。

【技术实现步骤摘要】
一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法


[0001]本专利技术涉及超导电缆领域，更具体地，涉及一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法。

技术介绍

[0002]超导技术在电力系统中的应用多种多样，也是近年来超导应用研究的主要方向之一。与电力电缆相比，超导电缆具有很大的优越性，例如：输电能力较强，成本节约、占用空间小、线路阻抗极低、输电损耗小、抗磁干扰能力强；允许采用相对较低的电压进行长距离输电，也可以地下输电从而避免超高压高空输电所带来的噪声、电磁污染和安全隐患，保护生态环境。
[0003]目前，将高温超导电缆封装于波纹管内并使用流动的液氮进行冷却，是现有技术中高温超导电缆的主要封装方式。因此，研究常用波纹管内流体的阻力特性对于高温超导电缆的设计和运行具有重要意义。现有技术中，已有许多采用仿真手段并在一定的工况下对波纹管的液氮流动特性进行仿真的试验。例如，
技术介绍
：波纹管结构尺寸及内芯对管内液氮流动的影响，周绍华等，《哈尔滨工业大学学报》，第50卷第1期，2018年1月。然而，多数仿真方法与试验数据具有差异，其仿真准确性有待考量，参考价值不高。
[0004]因此，亟需一种新的高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，通过对波纹管进行几何建模和数值模拟，计算出波纹管内不同因素对液氮流动的影响规律，以及对波纹管换热效果的影响规律。
[0006]本专利技术采用如下的技术方案。
[0007]一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其中包括以下步骤：步骤1，为高温超导电缆波纹管构建几何模型，并对几何模型划分网格；步骤2，利用求解器对波纹管内的液氮流动进行数值模拟，从而计算出波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据；步骤3，对不同的波纹管重复步骤1和步骤2，以获得不同的波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据，并获得不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线；步骤4，基于不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线，获得波纹管不同因素对液氮流动的影响规律，以及对波纹管换热效果的影响规律。
[0008]优选地，步骤1中还包括：高温超导电缆波纹管的几何模型包括中部螺旋管段和两端直管段；划分网格包括对中部螺旋管段采用非结构网格进行划分，对两端直管段采用结构网格进行划分，在两种网格的交界面处采用两对交界面来连接网格。
[0009]优选地，划分网格时选取的全流域最大网格尺寸参数值小于波形管入口直径的十分之一。
[0010]优选地，步骤2中还包括：求解器为Ansys CFX或Ansys Fluent。
[0011]优选地，设置波纹管的一侧端面为液氮流动入口，另一侧端面为液氮压降出口，利用SST模型模拟液氮湍流，获得波纹管不同位置上的压降值。
[0012]优选地，搭建液氮流动试验平台并基于平台对波纹管内的液氮流动进行测量，以对波纹管内的液氮流动的数值模拟进行准确度验证。
[0013]优选地，步骤3中还包括：不同的波纹管为空心螺旋形波纹管的直径不同、波纹管内芯中电缆直径不同、电缆数量不同、电缆缠绕节距不同、波纹管放置方式不同中的一种或多种。
[0014]优选地，步骤4中还包括：基于波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据、雷诺数公式获得波纹管内液氮压降随雷诺数的变化曲线；基于波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据、雷诺数公式、达西公式获得波纹管内摩擦因子随雷诺数的变化曲线。
[0015]优选地，基于不同内径的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线，获得波纹管内径对液氮流动的影响规律；对不同内径的波纹管内摩擦因子随雷诺数的变化曲线进行拟合，获得波纹管的摩擦因子的计算公式。
[0016]优选地，计算波纹管的努塞尔数以表征波纹管的换热效果，并将波纹管的换热效果与雷诺数进行拟合，以获得波纹管不同因素对波纹管换热效果的影响规律。
[0017]本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，本专利技术中一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，探讨了波纹管的不同因素对于液氮流动的影响。
[0018]本专利技术的有益效果还包括：
[0019]1、不仅研究了波纹管的几何参数，如管长、波距、管径、内芯数量及位置、缠绕节距等参数对液氮流动的影响，还研究了液氮流量、流速、压力，以及波纹管在重力方向上的倾斜角对液氮流动的影响，获得了中立对波纹管内压降的影响公式。从而更加准确地提供多种不同参数对波纹管内液氮流动特性的仿真参考。
[0020]2、通过搭建波纹管流动特性试验平台，对比试验中获得的波纹管流动特性与仿真数据，从而筛选出最有效地仿真范围和仿真结果。
[0021]3、通过换热公式联合模拟出波纹管中的不同因素对波纹管换热效果的影响规律。为超导电缆波纹管的设计和使用提供了准确参考。
附图说明
[0022]图1为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中的步骤流程示意图；
[0023]图2为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中高温超导电缆波纹管的几何模型；
[0024]图3为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中对几何模型划分网格的示意图；
[0025]图4为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中利用求解器对所述波纹管内的液氮流动进行数值模拟的模拟示意图；
[0026]图5为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中利用Fluent求解器的设置示意图；
[0027]图6为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中SST湍流模
型设置示意图；
[0028]图7为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中液氮物性设置示意图；
[0029]图8为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中获得的物理量残差随迭代步数变化的示意图；
[0030]图9为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中获得的波纹管横截面平均压力随时间变化的示意图；
[0031]图10为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中获得的波纹管内不同区间上压降曲线的示意图；
[0032]图11为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中不同内径的波纹管内液氮压降随液氮流量的变化曲线；
[0033]图12为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中不同内径的波纹管内液氮压降随雷诺数的变化曲线；
[0034]图13为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中不同内径的波纹管内摩擦因子随雷诺数的变化曲线；
[0035]图14为本专利技术一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法中内插电缆的波纹管几何模型示意图；
[0036]图15为本专利技术一种高温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，为所述高温超导电缆波纹管构建几何模型，并对所述几何模型划分网格；步骤2，利用求解器对所述波纹管内的液氮流动进行数值模拟，从而计算出所述波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据；步骤3，对不同的波纹管重复步骤1和步骤2，以获得不同的波纹管内对应于不同入口速度的液氮压降数据，并获得所述不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线；步骤4，基于所述不同的波纹管内液氮压降和摩擦因子随雷诺数的变化曲线，获得波纹管不同因素对液氮流动的影响规律，以及对所述波纹管换热效果的影响规律。2.根据权利要求1中所述的一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于：所述步骤1中还包括：所述高温超导电缆波纹管的几何模型包括中部螺旋管段和两端直管段；所述划分网格包括对所述中部螺旋管段采用非结构网格进行划分，对所述两端直管段采用结构网格进行划分，在两种网格的交界面处采用两对交界面来连接网格。3.根据权利要求2中所述的一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于：所述划分网格时选取的全流域最大网格尺寸参数值小于所述波形管入口直径的十分之一。4.根据权利要求1中所述的一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于：所述步骤2中还包括：所述求解器为Ansys CFX或Ansys Fluent。5.根据权利要求4中所述的一种高温超导电缆波纹管内液氮流动的模型仿真方法，其特征在于：设置所述波纹管的一侧端面为液氮流动入口，另一侧端面为液氮压降出口，利用SST模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦婷，张喜泽，徐琴，张琪祁，陆启宇，傅晨钊，张嘉旻，黄逸佳，张智勇，贺林，田昊洋，赵丹丹，倪鹤立，田祥，
申请(专利权)人：上海国际超导科技有限公司，
类型：发明
国别省市：