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可靠性与测试
★ 4.0
结合混合流体网络与热网络的冷凝器复杂对流换热研究
Complex Convective Heat Transfer of Condenser Combining Hybrid Fluid Network With Thermal Network
| 作者 | Likun Wang · Jingyan Li · Wei Cai · Fabrizio Marignetti · Jiaqi Yang · Zimeng Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 定子铁心 流体网络模型 流固耦合模型 流量变化规律 温度分布 |
语言:
中文摘要
大型凸极同步发电机（LCSC）具有较高的电磁负荷和发热量，其独特的定子铁心多腔冷却方式已成为发电机有效的热管理方法。然而，由于大型凸极同步发电机内部通风冷却结构复杂，对定子铁心直线段对流换热系数（CHTC）的研究尚不够深入。本文首次提出一种混合流体网络模型（HFNM），用于对大型凸极同步发电机定子铁心直线段进行三维流体网络建模，并结合大型凸极同步发电机端部的二维流体网络模型。本文将混合流体网络模型的计算结果作为模型边界条件，建立了大型凸极同步发电机的综合流固耦合模型。利用计算流体动力学（CFD）方法，深入研究了不同冷热腔区域下定子铁心直线段的流量变化规律。随后，以雷诺数作为无量纲常数重新定义了一个新的无量纲公式，并将其应用于大型凸极同步发电机的三维热网络中，以快速评估铁心的温度分布。最后，进行了温升实验以验证仿真结果的准确性。
English Abstract
The LCSC has a high electromagnetic load and heat, and its unique multi cavity cooling method of stator core has become an effective thermal management method for generators. However, due to the complex ventilation and cooling structure inside the LCSC, the research on CHTC in the stator core linear section isn't yet in-depth enough. In this paper, a HFNM is proposed for the first time for modelling the 3D fluid network method of the stator core linear section of the LCSC, combined with the 2D FNM of the LCSC end. This paper uses the HFNM results as the model boundary and establishes a comprehensive fluid-solid coupling model for LCSC. Using CFD, the flow rate variation law of the stator core linear section under different cold and hot cavity domains was thoroughly studied. Subsequently, a new dimensionless formula was redefined using the dimensionless constant as the Reynolds number and applied to a 3D thermal network of the LCSC to quickly assess the temperature distribution of the core. Finally, a temperature rise experiment was conducted to verify the accuracy of the simulation results.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这篇关于大型液冷定子铁心（LCSC）复杂对流换热的研究具有重要的技术参考价值。论文提出的混合流体网络模型（HFNM）与热网络耦合方法，为解决高功率密度电力电子设备的热管理难题提供了创新思路。
对于阳光电源的光伏逆变器和储能变流器产品而言，随着单机功率不断提升（如8.8MW光伏逆变器），电磁负载和热量密度显著增加，传统风冷方案已接近物理极限。该论文研究的多腔体液冷技术及其热流耦合建模方法，可直接应用于大功率变流器的磁性元件（如高频变压器、电抗器）和功率模块的热设计优化。特别是论文提出的三维流体网络与二维热网络的混合建模方式，能够在保证计算精度的前提下大幅降低仿真成本，这对于产品快速迭代至关重要。
技术成熟度方面，该研究已通过温升实验验证，具备工程应用基础。其重新定义的无量纲公式可快速评估铁心温度分布，这对阳光电源建立热设计数据库、开发自动化设计工具具有实用价值。然而，从发电机向变流器领域迁移仍面临挑战：变流器工况更复杂（频繁变载、环境温度波动大），冷却液选择需兼顾绝缘性能，且液冷系统的可靠性、维护成本需要系统评估。
建议阳光电源关注该技术在集中式大功率逆变器、储能液冷系统中的应用潜力，结合自身在热管理领域的积累，开展液冷磁性元件的预研工作，为下一代超高功率密度产品（目标>1MW/m³）储备核心技术能力。