[发明专利]用于带弯管水冷管路的参数化快速三维建模和降阶分析方法

说明书

本发明公开了一种用于带弯管水冷管路的参数化快速三维建模和降阶分析方法，涉及水冷管路的参数分析领域。本发明将对不同结构带弯管水冷管路流阻影响的研究，转变为研究不同弯管角度Angle（β）与相对曲率半径(R/D₀)对流阻的影响；然后对不同弯管角度与相对曲率半径的水冷管路进行数学建模；之后基于管路结构，搭建有限体积模型，进行有限元仿真分析；最后提取管路内流体流量‑压降的响应曲线，生成ROM降阶模型，实现不同工况下压降的快速计算。本发明解决了三维建模时间长、机械性劳动的增加的问题，提高仿真建模效率；对于同一结构管路不同工况下的流体性能仿真分析，利用ROM降阶模型实现压降的快速计算，减少不同工况下的仿真分析时间。

技术领域

本发明涉及水冷管路的参数分析领域，具体为一种用于带弯管水冷管路的参数化快速三维建模和降阶分析方法。

背景技术

随着铁路用牵引变流器朝着大功率、小型化和轻量化发展的趋势，体积不断减小，功率等级及热流密度却在不断提高，因此电力电子器件的散热问题更为突出。如果温度过度增高，将导致电力电子器件的永久损坏，从而使牵引变流器停止工作，因此变流器冷却系统设计性能的好坏直接影响到整车的稳定、安全运行。液体冷却技术可使热量的耗散均匀、温度梯度小、适用热流密度集中的场合，是一种散热效率较高的冷却方式，国内铁路大功率变流器大多采用水冷却技术。

随着科学技术的进步，人们对流体的性质及运动规律的研究不断深入，但流体运动具有复杂性和测量困难性，物理模型和试验也具有其局限性。随着计算机技术的发展，采用CFD(计算流体力学)技术进行数值模拟，可以更简便、更快速、更直观给出相关流场的具体信息地，从而大量减少原型机试验，编短科研开发周期，节约研究经费。

现有技术中，牵引变流器水冷系统由膨胀水箱、水泵、热交换器、连接管路、半导体器件及其水冷基板等组成，具体如图1所示。由图可知，牵引变流器的多个功率模块水冷基板通常采用并联连接的方式，其运行的经济性和工作可靠性在很大程度上取决于流体分配的均匀程度和管路的压降。管径不同、管路的结构不同，导致管路流阻不同，将会影响整个管路压降。目前的技术方案是根据实际管路的三维结构，采用三维图形绘制软件Preo/Creo,或者Ansys WorkBench 下的SCDM进行三维仿真建模。对于不同尺寸和结构的管路，都需要采用绘图软件重新绘制三维模型。对于不同输入条件下的管路流场仿真，也都需要重新进行仿真分析。

上述技术存在如下缺点：1)不同管径、不同弯管角度、不同曲率半径、不同长度的管路仿真建模工作量大，每一次都要重新进行仿真建模，造成机械性劳动的增加；2)对于同种结构管路不同工况下的流体性能分析，需要进行多次仿真计算，耗时多，仿真效率不高。所以针对上述问题，需要构造通用化的快速建模与分析方法。

发明内容

本发明为了解决现有变流器冷却系统水冷管路由于管件弯管角度不同，曲率半径不同而造成仿真建模分析存在需要多次重新建模、计算耗时多的问题，提供了一种改进的较为通用的用于带弯管水冷管路的参数化快速三维建模和降阶分析方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种用于带弯管水冷管路的参数化快速三维建模和降阶分析方法，变流柜冷却系统中带弯管水冷管路结构的不同在于管件的弯管角度和相对曲率半径不同，不同弯管角度和相对曲率半径的管路结构特征为：y=f(φ(i), φ(j))；表达式中φ(i) 为弯管水冷管路路径的函数关系式，φ(j)为管路模型从一维转为三维的扫掠算法，带弯管水冷管路三维模型的构建和降阶分析方法包括如下步骤：