基于降阶模型的配网电缆温度场数字孪生建模方法

电力设备的物理状态感知是建设智能电网的关键点之一。数字孪生技术可实时映射并快速预测设备的物理状态,但现有建模方法难以满足电缆温度场数字孪生模型的实时计算要求。鉴于此,该文提出了一种基于降阶模型的配网电缆温度场数字孪生建模方法。首先,建立电缆多物理场全阶模型,基于奇异值分解和响应面插值方法建立其稳态温度场降阶模型;然后,结合稳态温度场降阶模型及电缆表面温度数据,通过实时求解多回路电缆传热反问题重构当前的电缆内部瞬态温度场,并基于排管敷设电缆温升试验验证了方法的正确性。进一步地,将该方法应用于实际运行的10kV电缆的内部瞬态温度场重构,将重构结果作为已知初始状态,基于稳态温度场降阶模型和改进叠加法快速预测应急状态下的电缆导体温度。与全阶模型相比,电缆导体温度重构值的最大相对误差为1.76%,应急状态运行的导体温度预测误差为1.01%,单次重构和预测计算时间分别为8.1s和3.6s,计算效率分别提高约35555倍和6000倍。该方法兼顾了计算速度、计算精度和建模成本,对其他类型电力设备温度场数字孪生建模具有参考意义。

多热源系统全域温度场的实时重构策略

在多热源系统的动态热管理中,全域热场分析与实时评估是核心要素,而传统的离散测量和重构技术难以实时获取温度场动态变化。为此,提出一种基于离散测点的全域温度场重构策略,通过引入奇异值分解提取温度场的特征基函数,并引入灰狼优化算法对重构离散测点的布局进行优化,通过与离散测点值结合,建立全域温度场的关联系数矩阵。采用数值实验,基于4种类型热源系统验证了该方法的可靠性。结果表明:测点布局优化后,4种温度模型的理论重构误差水平显著降低了至少3个数量级。采用该方法对某多芯片PCB的温度场进行重构,与数值实验结果对比显示温度场平均误差为0.12℃,均方根百分比误差低于1%,验证了该策略在实际应用中的可靠性,为电子设备热控热分析提供了参考依据。

大型炼钢厂250t钢包环境温度场的数值模拟

分别采用精确有限元模型和等效有限元模型对大型炼钢厂250t钢包环境温度场进行数值模拟。精确有限元模型采用全尺寸建模,根据热-流-固耦合有限元理论,考虑了钢包结构之间的热传导、钢水与钢包之间的热传导、热流动边界层效应、钢包与环境的对流传热和辐射传热;等效有限元模型将钢包简化为等效热源的圆柱体,根据热辐射和热对流理论,采用二维热源面等效替代复杂三维结构钢包的热效应,模拟钢包对周围环境的热辐射和热对流,将热-流-固耦合问题降阶为热-流耦合问题,从而降低了对计算资源的占用,大幅度提高了计算效率。模拟结果对比表明,等效有限元模型的计算效率高,模拟结果准确可靠。

深海装备用耐压电池模块温度场仿真分析

电池模块作为深海装备能源系统的重要组成部分,保证其安全运行至关重要。运用ANSYS有限元仿真软件,对深海装备用耐压电池模块进行温度场仿真分析,模拟了不同放电电流和海水温度下电池模块温度的变化。仿真结果显示:电池模块的最高温度和最低温度均在允许的范围内,可以保证其在水下安全、稳定、持续地供电;电池模块的温度受电流影响最大,电流增加电池温度升高,温差和达到稳态的时间都随之增加;海水温度升高,电池模块的最高温度也随之升高,但电池模块内部温差和温度梯度基本没有变化。

基于CFD的双列调心滚子轴承温度场分析

在摩擦学、轴承生热传热理论及有限元法的基础上,建立了轴承的流固耦合传热计算模型,利用Ansys-Fluent软件对脂润滑作用下的双列调心滚子轴承的温度场进行仿真分析和实验验证。结果表明,该模型的计算准确度高,相对误差为3.78%。温度场拟合结果显示,轴承整体温度分布不均,高温区域在内外圈滚道添加体热源处向外逐渐传递热量,滚动体传热较均匀。随着载荷与转速的增加,轴承各部件的平均温度呈线性增加,滚动体、轴承内圈的温度升高幅度大于轴承座和外圈。3号润滑脂粘度对轴承部件温度场分布的影响程度为:常数>粘温曲线>H-B流变模型。

基于数字孪生的天然气井多源数据融合温度场分析

井筒温度场是评估天然气井服役安全的重要参数,其变化直接影响井筒的完整性,由于天然气井生产过程伴随复杂的温度变化,使其全井筒温度场演化分析难以获得精确的数值模拟结果。基于天然气井的数字孪生模型,建立了井筒内流体与时变非稳态地层的传热模型,以及井筒内流体温度场的径向传递模型,进而提出了一种井下监测与数值模拟多源数据的融合方法,建立了井下任意数量与位置测点的温度采集数据与温度数值计算的耦合求解模型,实现了在有限监测数据的条件下,全井筒高精度温度场演化分析。多源数据融合方法有效提高了全井筒温度场预测的精度,为有限数据条件下的井筒完整性评估提供了可靠的分析方法,并为天然气井的高效、安全运行提供了技术支持。

焊接参数和环境温度对聚乙烯(PE)燃气管电熔焊温度场的影响

电熔焊是连接聚乙烯(PE)燃气管的常用方法。采用SYSWELD软件建立PE100圆管电熔焊的1/4轴对称有限元模型,考虑了电热丝产生的电阻热作为体积热源,并通过空气对流和散热面散热的方式模拟焊接过程中的热交换。通过DSC+TG联用测试PE100材料的熔化温度和分解温度,获得特征温度数据。试验测得PE100材料的熔化起始温度和峰值温度分别为118℃和138℃,分解起始温度为272℃,5%质量损失标定的分解温度为350℃。熔化区宽度的预测值与测量值吻合较好,误差在5%以内,验证了所采用的计算方法的有效性和准确性。模拟结果表明,焊接电压对熔化区宽度有显著影响,较大的焊接电压产生足够的热输入,进而扩大了熔化区宽度。但过高的热输入会导致塑料的过热分解,形成孔洞,降低有效连接面积,可能会影响到接头的力学性能。环境温度通过改变焊接结构的初始温度和对流散热强度,显著影响熔化区的形成过程和最终宽度。实际生产时,有必要依据具体的环境因素对电熔套筒的预设参数进行优化和调整,以保证电熔焊的质量。

金属激光增材制造过程温度场模拟研究

为研究金属激光增材制造过程的温度场特征,实现温度场的准确预测和调控,研究和选取了激光增材过程模拟所涉及的几何模型、材料模型、热源模型、边界条件和二次开发算法,分析了激光扫描速度对单层单道次激光熔化工艺过程熔池温度场的影响规律,进一步得到了多层多道次增材过程熔池温度场分布特征,为准确预测增材制造过程激光熔池和温度场特征提供理论依据。结果表明:增材制造过程的激光熔池形貌特征呈现出非对称分布特征,且实时增材区域熔池形貌的非对称程度较已增材区域更为严重;层内或层间已凝固区域的温度场对实时激光熔池区域的温度分布特征造成影响;实时激光熔池温度场也会影响已凝固区域的温度场分布和温度梯度,造成已凝固部分材料因温度积累而发生再熔化和固体相变。

LNG储罐能源桩内部温度场分布特征分析

为了研究LNG储罐下方大直径能源桩内部温度场的分布特征,通过有限元分析软件建立能源桩和螺旋换热管的热分析模型,模拟了冬季和夏季运行工况下桩内部温度分布,给出了温度随着热交换时间的变化规律。结果表明,螺旋换热管内流体温度对桩基内部温度场影响表现为,初始小,随着时间增加,桩基内部温度场变化明显,位于换热管位置,桩基温度场变化最大;整个桩基内温度场变化以螺旋换热管为中心,逐渐向外扩展,呈现非均匀分布;在桩基中心位置温度场受到螺旋换热管内流体的影响较小,温度随时间变化呈现为一条水平线。

干式螺杆真空泵内部温度场分析及调控机制的研究

干式螺杆真空泵作为重要的真空获得设备,其内部温度场的分布直接影响其性能和寿命。通过对干式螺杆真空泵工作原理和热力学过程的深入分析,建立了温度场分析模型,并针对温度控制问题,提出了3种不同掺气调温机制,即二级掺气调温、三级掺气调温及末级掺气调温。通过数值模拟和实验验证,探讨了不同调温机制对泵内部温度场分布的影响,并分析了其优缺点。研究结果表明,合理选择掺气调温机制能够有效控制干式螺杆真空泵内部温度场,提高其性能和可靠性。

不均匀温度场下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空分析

为了解不均匀温度场作用下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空原因,依托高原山区某跨径430 m的钢管混凝土拱桥,进行强辐射、大温差联合作用下拱肋拱顶节段足尺模型试验,分析模型温度场分布,并对该不均匀温度场作用下管内混凝土脱空机理进行研究。结果表明:钢管混凝土拱桥水化阶段和运营阶段径向温度场可简化为多段式折线变化规律。14:00时刻,水化阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)先减小后升高再减小,在距向阳侧界面D/8~3D/8处(D为钢管内径)存在一个大温差面,运营阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)呈先减小后不变再增加的非对称分布规律,从钢管混凝土界面至距其D/8处温度变化大。混凝土水化阶段和运营阶段管内混凝土脱空机理为:在温度场作用下钢管混凝土界面最大纵向应力差分别高达82.6 MPa和61.95 MPa,最大界面径向拉应力分别为0.8 MPa和2.06 MPa,均超过钢管和混凝土间的粘结强度。

列车活塞风对寒区铁路隧道温度场的影响

研究目的:列车通过隧道会产生活塞风,活塞风会将寒区隧道洞外冷空气带入洞内,导致洞内温度场分布发生变化,若对这种影响认识不到位,会导致洞内抗防冻措施不合理造成冻害发生,影响隧道运营安全。鉴于此,采用理论分析和数值模拟等方法,分析列车活塞风对隧道洞内温度场的影响机制,研究列车活塞风对寒区特长铁路隧道洞内温度场的影响规律,为寒区隧道抗防冻设计提供技术支撑。研究结论:(1)冬季列车通过隧道后,活塞风会引起洞内温度场在短时间内显著变化,列车活塞风对洞内温度场持续影响时间较短,列车通过后,洞内温度场会逐渐恢复,特别是当列车频次较小时,基本可恢复到自然通风条件下状态;(2)行车频次导致洞内纵向负温长度增大或减小率均在1%左右;随着围岩温度的增大,隧道洞内纵向负温长度显著降低,且围岩温度越高,活塞风作用方向对洞内温度场影响越小;(3)考虑活塞风对寒区隧道防寒抗冻影响时,应重点考虑其对两侧水沟抗防冻的影响;由于局部衬砌会出现交替冻融现象,隧道结构设计时,应对衬砌耐久性做一定的考虑;(4)本研究成果可供寒区特长铁路隧道建设参考,特别是单向自然风条件下铁路隧道抗防冻设计。

飞轮储能用永磁同步电机温度场分析

针对飞轮储能用永磁同步电机散热困难的问题,以某额定功率为300 kW、转速为10000 r/min的永磁同步电机为研究对象,利用磁热耦合的方法,对永磁同步电机的损耗和温度场进行模拟及测试分析,研究永磁同步电机的损耗及电机热分布;利用热仿真模型,研究电机关键部件散热的影响因素。结果表明:高温主要集中于永磁体及绕组区域;减小流道宽度、增大流道数目以及增大流道圆角半径可有效提高定子散热性能;辐射率越高,永磁体散热性能越好;改进电机结构后,永磁体最高温度下降10.5%。研究结果可为永磁同步电机的设计及散热优化提供参考。

基于实测数据的高海拔大日温差地区拱上组合梁桥-无砟轨道体系温度场研究

温度作用是影响桥梁-轨道结构服役性能的重要因素之一。为探究高海拔大日温差地区拱上组合梁桥-无砟轨道体系的温度场变化规律,基于某拟建铁路上承式大跨拱桥桥址处的环境温度持续监测数据与卫星反演得到的太阳辐射数据,建立了考虑太阳辐射阴影遮挡效应的拱上组合梁桥-无砟轨道体系温度场模型,重点分析日温度变化规律和竖向温差分布规律,获得了考虑实测气温和太阳辐射逐时变化的全年日温度场;采用广义帕累托分布对竖向温差样本进行了极值分布估计,确定不同超越概率的竖向温差代表值,提出多折线形式的竖向温度梯度模式。研究结果表明,梯度相较于平原地区更为显著,无砟轨道的遮挡效应使得温度梯度分布上移,钢梁外侧腹板在冬季产生局部梯度作用;基于实测数据的温差极值估计方法考虑了环境温度和太阳辐射对结构温度场的随机影响,可为特殊地区桥梁设计阶段温度作用的计算提供参考。

风流对寒区特长隧道洞内纵向温度场的影响

为揭示自然风流对寒区隧道洞内温度场的影响,以川西高海拔公路隧道为工程依托,基于现场调研、实地测试和数值模拟,分析洞内风流对未贯通隧道和已贯通运营隧道温度场的影响。研究表明:1)施工过程中,机械通风对施工期隧道洞内温度场的影响较大,加大了洞外冷空气对洞内温度场的影响,使得洞内负温段有所延长;2)单向风流作用下,贯通隧道洞内温度场具有进风口端温度低、出风口端温度偏高的特征,纵向温度场具有非对称性特征;3)对于寒区特长运营隧道,在洞内无风或有微弱风流的情况下,外界冷空气很难影响到洞内温度场;4)洞内存在双向交替风流时,贯通隧道洞内温度一般呈现出洞口低、中间区域高的特征,纵向温度场呈现抛物线形的特征。

渗流作用下深部高温巷道围岩温度场分布规律

为探究渗流作用下深部高温巷道围岩温度场分布规律,以新城金矿为工程背景,运用Fluent软件模拟不同渗流因素下围岩温度场分布规律。结果显示:深部巷道围岩在渗流作用下温度场分布特征发生改变,等温线沿渗流方向分布;随着围岩孔隙率增大,温度场受扰动范围及调热圈半径不断增大,围岩径向温度和壁面温度随之降低;渗流水速度对围岩温度场分布特征影响较大,当渗流水速度≥2×10^(-8)m/s时,等温线沿渗流方向分布,渗流水速度<2×10^(-8)m/s时,等温线呈对称分布;随着渗流水速度增加,围岩温度场受扰动范围、调热圈半径、壁面温度升高,围岩径向温度随之降低;水流温度对围岩温度场分布特征、调热圈半径、温度场受扰动范围影响较小,围岩径向温度、壁面温度随水温升高而升高。

自燃煤矸石山火区表面温度场三维重构与实践

【目的】煤矸石山自燃灾害严重破坏生态环境,影响安全生产,已成为我国生态文明建设进程中的瓶颈问题,为科学制定灭火方法及实施灭火工程,自燃煤矸石山火区范围的准确探测至关重要。【方法】提出采用无人机热红外倾斜摄影测量技术探测高温区三维分布的思路,研发热红外图像多尺度高斯滤波细节增强技术,突出目标边缘信息;基于FLIR Tools软件开发工具包SDK (software development kit)开发热红外图像一键式批量化处理软件,利用ThreadPool高效地开展热红外图像的多线程异步处理,全局统一所有热红外图像颜色阈值与温度数值的对应关系;最后采用批量处理后的热红外图像进行自燃煤矸石山火区表面温度场三维重构,并在陕西某煤矸石山火区进行了现场应用。【结果和结论】结果表明:(1)经过多尺度高斯滤波细节增强后,热红外彩色图像细节特征得到显著增强,热红外图像信息熵由6.989提高到了7.624。(2)所开发的热红外图像批量化处理软件可在10 min内对1 000张热红外图像进行快速处理,极大提高了工作效率。(3)上述技术在陕西某煤矸石山火区现场成功构建了一区及二区煤矸石山火区三维表面温度场,分别圈定了11 693 m^(2)和10 800 m^(2)高温区,为火区发展态势评估和后续灭火方案设计提供了支撑。研究成果可应用于煤矸石山火灾、煤田火灾、垃圾填埋场火灾、森林火灾以及建筑火灾等高温场景的温度场三维重构,为火区侦查、火情调查及火源位置诊断提供详实的火场数据支持。

特高海拔寒区隧道温度场演化规律——以黑恰隧道工程为例

为研究特高海拔寒区隧道温度场的时空分布特征及其变化规律,以青藏高原西北部喀喇昆仑高山区的黑恰隧道为依托工程,首先,在现场建立包括气象要素在内的寒区隧道远程自动监测系统,对特高海拔寒区隧道温度场演化规律进行分析研究;其次,提出考虑湍流对流传热和热传导作用下的隧道三维数值模型,利用现场监测数据验证该模型的准确性;最后,讨论铺设保温层前后隧道温度场的变化特性。研究结果表明:1)在距进口0~270 m隧道受到冻融作用影响,洞内气温与衬砌温度呈线性正相关关系;2)隧道洞内气温对隧道径向温度场的影响主要体现在衬砌和浅层围岩;3)在最冷月平均气温方面,不同类型寒区隧道温度大小关系为特高海拔<高纬度<高海拔,在最大冻结深度方面,不同类型寒区隧道最大冻结深度大小关系为特高海拔>高纬度>高海拔;4)铺设保温隔热层后,保温层对衬砌与围岩起到良好的保温作用。

SFCC现场导热系数与温度场实测及预测方法研究

为确定钢纤维页岩陶粒混凝土(SFCC)现场实际的导热系数,与桥面板施工同步制作了不同钢纤维体积分数的SFCC试件,采用热板法进行测定,校核并扩展了导热系数预测公式,并且对高温沥青摊铺时SFCC桥面板的温度场进行了实测和数值模拟.结果表明:环境湿度为67%时,SFCC的实测导热系数为0.915~1.409 W/(m·K),增加钢纤维体积分数可提高SFCC导热系数;考虑湿度和钢纤维影响后的扩展Maxwell公式预测值与实测值吻合良好;高温沥青摊铺时桥面板SFCC混凝土内的温度梯度可达20.5℃,超过规范日温差,采用数值模拟可有效计算桥面板温度场.

枸杞烘干箱温度场优化及仿真

目的:提高枸杞干制品品质。方法:采用标准Realizable k-ε湍流模型进行理论分析,利用Fluent软件仿真运算并结合实验验证,探究烘干室换热温度场分布规律,并对换热参数进行优化。以温度均匀性系数以及温度分布云图为评价标准,分析换热板入口流速、换热板流道宽度、换热板流道高度、换热板间距对烘干箱温度场均匀性的影响。结果:对烘干室结构参数进行优化后,温度云图显示出的高温区面积大且比较集中,两端和中间的温度梯度小。优化后的温度标准偏差比优化前降低了0.64%,模拟值与试验值的整体趋势大体相同,其误差值为2.56%。结论:枸杞烘干温度分布均匀性最佳的工艺条件为热水入口流速0.18 m/s,流道高度22 mm,流道宽度35 mm,换热板间距85 mm。