英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
泄放电阻模块温度场仿真分析
摘要:基于有限体积法，Ansys热模拟模块Icepak用于模拟大电阻柜中泄放电阻模块的温度场。从中，我们获得了正常运行期间电阻模块的温度分布。从温度分布来看，我们可以评估电阻模块的工作状态。在热分析的基础上，得到了正常运行下的电阻模块的温度分布云图；它为电阻柜内部冷却系统的优化提供建议。
1.介绍
本文以电阻模块为研究对象，对其其温度分布进行分析。基于电阻模块的几何形状和元件参数，我们对其进行处理并建立了电阻模块模型，然后划分网格并设置计算条件。最后，在Ansys的Icepak模块中对电阻模块的温度场进行了计算和分析。我们总结了温度分布图，通过总结仿真分析的结果，为整个机柜冷却系统的优化提供建议。
2.温度场基础理论
2.1传热的基本理论
传热是一门研究由温差引起的传热规律的学科。现实生活中有两种传热问题：一是注重传热率及其控制问题，即强化传热，减小设备尺寸，提高生产能力；二是关注温度分布及其控制问题。
2.2热传递的基本方式
根据其不同的机理，传热可以归纳为三种基本方式，它们分别是热传导、热对流和热辐射。热传导是指由微观粒子(如分子、原子和自由电子)在不同温度下相互接触的物体之间，或物体内部温度的不同部分之间的热运动所引起的热传递现象。热传导表达式定义为:
（1）
其中: 为热传导热流率；是材料的热导率；是垂直于热传导方向的横截面积； 是沿等温法向的温度梯度
2.3控制方程
流体运动必须遵循三组方程，包括质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程。
质量守恒方程定义为：
（2）
其中：是流体的密度；，，是，，三个方向的速度。
能量守恒方程定义为:
（3）
其中:为恒热容；是温度；是粘性耗散项。
动量守恒方程包括三个方向的动量。方向动量定义为:
（4）
方向动量定义为:
（5）
方向动量定义为:
（6）
其中:，，是在，，三个方向上的速度；、、是动量守恒方程的广义源项。
3.建立温度分析模型
3.1结构组成
电阻模块的结构如图1所示，电极用于连接外部电路和输入电能。当模块工作时，共有8个电阻元件作为热源。电极用于电阻元件的电气连接。电阻元件产生的热量采用水冷的方式带走。电极和水冷板之间有绝缘层。绝缘由0.3毫米橡胶垫、0.075毫米聚酰亚胺薄膜和0.3毫米橡胶垫组成(由于厚度较小，图中未显示)。
图1 泄放电阻模块示意图
根据热力学第二定律，电阻模块中的热传递如图2所示。
图2 泄放电阻模块中的热传递示意图
在电阻模块的几何模型中，大部分部件都是CAD实体，这将导致电阻模块温度场的复杂分析。因此，有必要在温度场分析之前简化方法。简化模型的方法如下:
1)建模期间未建立外部空气。规定除接触面外，所有固体边界都是绝缘的。
2)不考虑组件之间的热接触电阻。
3)由于模型中的水冷板是不规则的计算机辅助设计体，水冷板被切割成不规则的计算机辅助设计圆弧体和规则圆柱体的一小部分。
模型处理后，水冷模型和阻力模块最终分析模型分别如图3和图4所示。
图3 水冷模型
图4 电阻模块的整体模型
3.2网格划分
在分析模型中，小部分的计算机辅助设计实体被划分为网格-高密度网格类型，其余的规则模型被划分为非结构化六边形网格类型。阻力元件和水冷的网格截图分别如图5和图6所示。为了更好地捕捉温度梯度，在电极板、硅垫、聚酰亚胺膜和不锈钢的厚度方向上划分至少两层网格。
图5 电阻元件的网格图
图6 水冷板网格图
3.3边界条件
电阻模块温度场分析的物理参数如表1所示。
表1主设备的参数
水冷进口边界条件根据试验条件确定，即进口温度T0 = 24℃；冷却水入口流量为1.247 m∕s。
4.电阻模块温度场仿真结果及分析
4.1系统温度场模拟结果
电阻元件的温度场模拟如图7所示。
图7 电阻元件的温度分布图
从以上电阻元件的温度分布来看，电阻元件在出水口附近的温度最高，约为84℃，可以保证在其最大允许范围内正常运行。
水冷时的水温场如图8所示。
图8 水温云图
入口附近的水温最低，约为20℃。当水流过水冷板时，水温最高，约为39℃。当水流进出口时，水温明显下降，约为25℃(高于入口温度)。
4.2模拟结果分析
根据第4.1节中的模拟结果和系统温度场分析，可以得出如下结果。
1)模拟结果符合热力学第二定律。该仿真算法具有一定的可信度，可为结构的进一步改进提供参考。
2)误差在工程计算的允许范围内。研究结果可为电阻柜整个机柜的温度场模拟提供一定的参考。
3)在水冷入口温度为20℃、水量为1.247 m∕s的条件下，电阻元件、电极板和绝缘层的温度都在器件的最高容差范围内。表明绝缘层、电极板的性能和参数设计是合理的。可以保证电阻元件的正常散热要求。
5.结论
通过分析电阻模块的温度场模拟，可以得出以下结论和建议:
1)根据阻力模块内流体的分布，水从进水口流出，然后流经水冷板，从出水口流出。水流路径符合设计路线。
2)进入阻力模块的水量与排出的水量基本相等，说明模块内部总体布局合理。
3)电阻元件、电极板和绝缘层的温度都在器件的最高容差范围内。该器件的最高温度参数仍有一定的冗余，表明该模块的性能和参数设计合理，能够保证器件正常的散热要求。
参考文献
- 刘菊，基于Icepak软件的电子元件内部网格划分研究[J],，轻工业与技术，2013，29(11):81-82。
- 谈克雄、薛家麒，高压静电场的数值计算。
- 史锋义 ， 何荣涛 ，汪枫，徐建源，静电场的数值计算方法及精度分析，沈阳工业大学学报，1999(6):512-515。
- 贾文卓，基于ANSYS的开关柜电场与温度场仿真计算[D]，天津大学，2014。
- 邹斌，基于有限元法的配电柜温度场研究[D]苏州大学，2009。
- 廖明，电气柜内发热元件热设计数值模拟研究[D]，南京航空航天大学，2012。
- 谢凌飞，干式变压器及接地电阻柜安装[J]，机电信息，2017 (27): 73-74。
大功率逆变器温度场和流场的仿真分析
摘要：对于大功率逆变器，内部温度分布直接影响其性能。本文基于Ansys Icepak中的有限体积法，对大功率逆变器的温度场和流场进行了仿真分析。通过计算逆变器中元件的功率损耗和散热，得到稳态运行时柜内的温度场和流场。根据仿真结果，可以得到逆变器各部件的工作温度，并对逆变器冷却系统的性能进行评估。
- 介绍
逆变器是将DC转换成交流电的一种非常重要的动力设备。在许多逆变器中，最核心的部分是功率电子器件，如IGBT和二极管。对于逆变器中的IGBT和二极管，加热问题是不可忽视的。研究表明，器件温度提高10℃，损耗增加一倍。因此，研究逆变器内部的温度场和流场非常重要。
目前，基于计算机的工具被广泛用于通过应用各种离散数值分析方法来研究各种流体运动规律，这属于计算流体动力学(CFD)。与直接测试相比，计算流体力学模拟可以大大降低研究成本，并且不受测试环境的限制。此外，它可以根据需要随时修改仿真条件，以获得所需的仿真结果，具有很高的可操作性。Ansys Icepak是一款分析电子产品的软件，在电子产品的研发过程中被广泛使用。在复杂系统温度场和流场的模拟分析中，大多数情况下采用有限体积法。采用这种方法，可以获得较高精度的仿真结果。
本文在Ansys Icpak中对大功率逆变器的温度场和流场进行了仿真。通过给出逆变器柜的内部结构布局和热负荷布置，利用SCDM软件对逆变器模型进行预处理。然后，根据给定的运行条件，在Ansys Icepak软件中对逆变器的温度场和流场进行了仿真。根据仿真结果，可以得到逆变器稳态运行时柜内温度场和流场的分布。根据仿真结果，可以得到逆变器各部件的工作温度，并对逆变器冷却系统的性能进行评估。
-
基础理论
- .热传递的三种基本方式
大功率逆变器内部有三种传热方式，包括热传导、热对流和热辐射。
纯热传导只发生在固体中，遵循傅立叶定律:
（1）
其中:代表热流，代表热导率，代表垂直于热流方向面积，代表温度梯度。
热对流一般分为自然对流和强制对流，符合牛顿冷却定律:
（2）
其中: 是固体表面温度，代表冷却液温度，代表对流传热，代表对流传热系数，代表固体壁热交换面积。
热辐射满足斯蒂芬·玻尔兹曼定律:
（3）
其中:代表热流，代表表面发射率，代表辐射表面积，代表斯蒂芬常数，代表发射器表面温度，代表接收器表面温度。
-
- 流体控制方程
流体运动必须遵循三组控制方程，包括质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程。
质量守恒方程是连续性方程:
（4）
其中：是流体的密度；，，是，，三个方向的速度分量。
方向的动量方程可以描述如下:
（5）
方向的动量方程可以描述如下:
（6）
方向的动量方程可以描述如下:
（7）
其中:、和分别是、和方向的速度分量，代表流体粘度系数，，代表流体微体上的压力，表示密度，、和分别是、和方向的加速度。
能量守恒定律是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律:
（8）
其中:、和分别是、和方向的速度分量，代表流体温度，代表流体的热导率，代表密度，代表流体的定压比热容，
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238578]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
