基于ANSYS-Maxwell-Fluent-CFX的变压器温度分析
作者： fwz0703@163.com
随着电力设备的日益复杂和高效，变压器的电磁场已经分享过，参考前文。但是电气设备的温度管理变得尤为重要。过高或过低的温度都可能影响变压器的性能和寿命。我们详细介绍如何利用ANSYS软件家族中的Maxwell、Fluent和CFX等工具，对变压器进行精确的温度分析。
一、变压器温度升高的原因
变压器在工作过程中，由于铁芯损耗、绕组损耗等原因，会产生大量的热量。如果这些热量不能及时散发，就会导致变压器温度升高，进而影响其性能和寿命。
二、变压器温度分析的方法
1. Maxwell计算功率损耗
首先，我们利用ANSYS Maxwell进行电磁场分析，计算变压器的功率损耗。Maxwell软件可以模拟变压器的电磁场分布，从而精确计算出铁芯损耗、绕组损耗等，参考前面的文章。计算出功率损耗分布，可以看到不同位置的功率损耗是不同的,功率损耗密度不同.
变压器模型
变压器模型产生的功率损耗分布
2. Fluent计算温升
我们使用ANSYS Fluent进行流体温升分析，该方法的好处是可以自动计算空气或者冷却水的对流换热系数，以计算变压器的温升。可以模拟变压器内部的流体流动和热量传递过程。Fluent支持多种物理模型，包括传热、流动、化学反应等，可以全面分析变压器内部的热传递过程。通过Fluent，我们可以得到变压器内部各点的温度分布和流场分布。
其优势如下：
2.1功率添加方便，在workbench平台下计算Maxwell的功率损耗，直接拖拽Maxwell的结果到fluent的设置中，就可以得到各个零件的功率损耗，而且，其功率损耗在单个零件的分布是按照Maxwell的计算结果分布的，可以实现不同位置功率密度不同
workbench平台的功率-温升分析流程
2.2 网格划分效果好，使用Fluent mesh可以很好的划分六面体网格，之前的流体网格界面操作繁琐，现在采用目录树的方式，使用方便，简单设置，或者默认效果就可以得到比较好的网格效果
fluent mesh的网格划分结果
Fluent mesh的工作流程
网格划分结果
网格划分统计数量
3. CFX计算温升
使用ANSYS CFX进行温升分析，CFX是另一个强大的流体动力学仿真软件，特别适用于处理复杂流动和传热问题。CFX采用有限体积法，可以精确地模拟变压器内部的流体流动和热量传递。
其优势如下：
3.1网格容易操作，CFX的网格可以采用ICEM或者采用workbench中的ansys mesh划分，对于ansys熟悉的人方便使用
ANSYS的网格划分
3.2CFX的操作界面逻辑清晰，对于熟悉绘图软件的人来说，界面目录清晰明了，以零件为基础进行单独的设置，所有的交界面都存放于与该零件下方，查找方便，对于零件很多的产品，建议采用此CFX软件进行分析
操作可以采用命令化设置，代码清晰，可以直接修改代码，方便整体替换等操作
CFX的操作界面及代码修改
另外其有自己的缺点，就是其功率加载不能直接拖拽功率损耗的结果到CFX界面上，需要每一个单独设置功率数值，并且添加的结果都是整体零件平均功率分布。如果对于局部热量集中的部分位置需要切割。
不过该问题可以通过添加体积热量的方式来弥补，类似于fluent读取热量方式。参考文章以前发布的方法。
另外后处理方式可以采用CFD-post界面来处理，方便易用。
变压器温升结果
3.3计算收敛快，经过设置之后可以较少的步数实现收敛，如下图所示，该模型在30步之后就可以达到稳定的温度分布，当然其结果得益于网格的效果好为基础
温度收敛曲线
3.4结果查看方便，可以在Fluent的统一界面中方便的查看结果，且显示效果比较完美
fluent温升结果
当然有自己的缺点，个人觉得其最大缺点就是所有零件需要命名，并且在设置当中其物体的表面不易选择，名字排序混乱， 找不到其所需要设置的名字后续设置交界面的时候非常麻烦。当零件数量只有十几个以下的时候推荐采用fluent。
另外ansys中的iceapk软件就是基于fluent的另一个软件，后台计算相同，前处理主要适用于箱体及线路板一类的温升仿真分析，可以根据需要选择方便的元器件
4. 稳态温升计算
除了利用流体动力学仿真软件，我们还可以采用稳态温升计算方法。这种方法基于热平衡原理，通过计算变压器内部的热量产生和散发，得到变压器的稳态温度分布。
该方法的显著优势就是快速的都温度分布，缺点就对流换热系数不能精确给定，所以该方法主要用于简单快速查看趋势性结果。并且一大优势就是可以快速得到零件的功率损耗数值，通过读取的热量来查看
变压器温升设置-查看功率损耗
变压器温升结果分布
三、不同的温度分析方法对比
流体方式：通过Fluent或CFX等流体动力学仿真软件，可以全面模拟变压器内部的流体流动和热量传递过程，得到精确的温度分布。但这种方法需要较高的计算资源和时间。
固体方式：稳态温升计算等方法主要关注变压器固体部分的温度分布，忽略了流体流动的影响。这种方法计算速度较快，但精度相对较低。
在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的分析方法。例如，对于需要精确了解变压器内部流体流动和热量传递的情况，可以选择流体方式；而对于只需要大致了解变压器温度分布的情况，可以选择固体方式。
四、案例分析
基于ANSYS的变压器温度分析案例：
我们首先使用Maxwell计算了变压器的功率损耗，然后利用Fluent进行了流体动力学仿真，得到了变压器内部的温度分布。通过对比实验结果和仿真结果，我们发现两者吻合度较高，证明了仿真分析的准确性和可靠性。
温度分布结果
五、结语
通过ANSYS软件家族中的Maxwell、Fluent和CFX等工具，我们可以对变压器进行精确的温度分析。不同的分析方法各有优势，我们可以根据具体需求选择合适的方法。希望本文能为您在变压器温度分析方面提供有益的参考。
