[发明专利]基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法

权利要求书

1.基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定电缆中间接头电磁-热-流耦合模型求解域

简化接头接地柱、热缩管、密封圈和半导体屏蔽层结构；除铜材料电导率、流体密度和粘性系数外，其它各组成材料均视为各向同性均匀介质且物性参数均为常数；将连接管和导体结合成一个元件，并将其电阻视为均匀电阻；忽略热源之间的热、相、流作用；充分考虑中间接头电磁、温度、气体流动的物理场耦合效应，以中间接头连接管为中心选取求解域；控制求解模型体积，避免边界层对物理场计算的干扰；

(2)建立电缆中间接头物理场分析的数学模型

构建电缆中间接头电磁场控制方程、电缆中间接头金属材料电导率与温度之间的关系，以耦合电磁-热；中间接头热源由导电材料的电磁热损耗产生，外部环境的热源由中间接头本体向外散热产生，由此构建热源损耗公式；流体模型采用平均雷诺数方程，使用湍流动能和湍流耗散率控制方程进行封闭，采用Boussinesq近似处理空气的密度，增强自然对流问题的收敛性；最终得到电磁-热-流的电缆中间接头耦合计算模型；

(3)确定电缆中间接头物理场分析的边界模型

在电磁场计算过程中，磁矢位在电缆金属导体处幅值最高，在外部空间内迅速衰减磁矢位趋于0；同时，求解域内磁矢位方向与导体电流方向垂直，故在导体横截面加载电流荷载，并将外边界S1-S6设置为磁绝缘边界；

在热-流耦合计算过程中，边界S1为流入边界，边界S2-S4为包含流入与流出的开放边界，边界S5、边界S6为绝缘边界；

中间接头的外表面热交换包括辐射换热与对流换热，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，中间接头表面边界SΩ的辐射散热表示为：

式中，T_out为环境温度；δ＝5.67×10^-8为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；为表面发射率；q为热通量；T为温度；n为边界的法向量；

(4)利用comsol对中间接头的电-热-流耦合模型进行仿真计算，模拟电缆中间接头运行过程中的电磁、温度、空气流动状态；

(5)计算中间接头表面热通量，以运行电流和环境温度为特征量，采用二次函数构建中间接头表面传热系数的计算函数，对中间接头表面传热系数进行多项式拟合，推算表面传热系数。

2.根据权利要求1所述基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法，其特征在于：还包括利用温度传感器采集求解域边界处环境温度，作为温度场计算条件；利用电流传感器采集求解域内缆芯电流，作为电磁场计算条件。

3.根据权利要求1所述基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法，其特征在于：所述电磁场控制方程为：

式中，μ为磁导率，A为磁矢势，J为电流密度，σ为电导率，为微分算子，T为温度；

所述电缆中间接头金属材料电导率与温度之间的关系为：

式中，σ_293.15为在293.15K时电缆中间接头金属材料体电导率，α为导体的温度系数；

所述热源损耗公式为：

Q＝|J|²/σ(T)

Q表示热源损耗。

4.根据权利要求3所述基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法，其特征在于：根据能量守恒定律，中间接头本体与外部环境的温度场控制方程示为：

式中，ρ_s和ρ_f分别代表固体物质和液体物质的密度，C_s、C_f分别代表固体和液体的恒压热容，k_s、k_f分别代表固体和液体的有效导热系数，u_f为流体流速，Q_in为热源产生的单位体积热量。