شبيه سازي و تحليل پارامتريك مسير خنك كاري زيگزاگ در سيم پيچ هاي ترانسفورماتور ديسكي به منظور بررسي پارامترهاي طراحي موثر بر شرايط خنك كاري

Simulation and Parametric Analysis of Zigzag Cooling Flow Path in a Disc-Type Transformer Winding to Investigate Parameters Affecting Cooling Conditions

پديده انتقال حرارت، تعيين موقعيت و دماي نقطه داغ در سيم پيچ هاي ترانسفورماتور، در سال هاي اخير توجه زيادي را به خود جلب كرده است. اين اقبال ناشي از تاثيرات قابل ملاحظه اين امور بر استقامت، قابليت اطمينان و بازده عملكرد ترانسفورماتورها است. هدف اصلي در اين مقاله، توسعه يك مدل ديناميك سيالات محاسباتي با دقت مناسب و حجم محاسباتي متعادل براي انجام مطالعات پارامتري و به دست آوردن معيارهايي براي طراحي سيم پيچ هاي ديسكي با مسير خنك كاري زيگزاگ بوده است. اين ديسك ها از سيم هاي مسي و عايق كاغذي كه به دور آنها پيچيده شده، ساخته شده اند. درنظرگرفتن اين ناهمگني، به صورت تفكيك نواحي حل براي به وجودآمدن تعداد نواحي بسيار زياد با اندازه بسيار كوچك، توسعه مدل و به خصوص شبكه را دشوار مي سازد و همچنين هزينه محاسباتي بالايي ايجاد مي كند. در اين مقاله با استفاده از توابع تعريف خواص روشي ارايه شده است كه بدون تفكيك نواحي حل، ناهمگني ديسك ها به لحاظ جنس و وابستگي خواص ترموفيزيك همچون هدايت حرارتي و لزجت به دما لحاظ شده است. نتايج نشان مي دهد كه با استفاده از اين روش علاوه بر اينكه زمان توسعه مدل و زمان تحليل، كاهش چشمگيري داشته، دقت تحليل نيز در حد قابل قبولي بوده و انحراف قابل توجهي در نتايج ديده نشده است. در ادامه نيز با استفاده از قابليت محيط نرم افزار Ansys WorKbench در تحليل پارامتري، تاثير پارامترهاي مختلف هندسي و عملكردي بر شرايط خنك كاري ترانسفورماتور بررسي شده و در نهايت پيشنهاداتي براي طراحي اين مدل از ترانسفورماتورها ارايه شده است.

Heat transfer phenomenon and location prediction as well as hotspot temperature in disc-type transformer windings have attracted many researches in recent years. The motivation is based on noticeable effects of these issues on transformers endurance, reliability, and functionality. This paper focuses on developing a sufficiently accurate CFD model to carry out paremetric studies and address some guidelines for disc-type transformer windings with zigzag cooling path with a reasonable computional resource demands. The discs composed from copper wires and paper insulators wrapped around them. Accounting for this inhomogeneity by zone distinction in CFD model results in many computational subdomains in very small size, which makes model development and mesh generation difficult and also computational costs, very high. In this paper, using properties definition functions, a method is introduced that accounts for different material properties with no need to resolve solution subdomains. Also temperature dependency of thermo-physical properties such as conductivity, viscousity, and density have been taken care of. Results show that using current method, model development, and also solution time noticeably reduced without any considerable descripancies in numerical results. Furthermore, using Ansys Workbench capabilities for automatic parameters study, i.e. automatic geometry reconstruction and mesh generation, effects of several parameters on transformer cooling condition have been investigated. Finally, some guidelines for such transformers design have been addressed.