Metodologia semi-analítica para simulações termo-fluidodinâmicas de radiadores aplicados em transformadores de potência isolados a óleo

Abstract

O presente trabalho apresenta uma metodologia para reduzir o tempo de simulação numérica fluidodinâmica de aletas de radiadores empregados em transformadores de potência. A simplicidade geométrica do canal de ar externo existente entre as aletas permite o desenvolvimento de um algoritmo semi-analítico capaz de calcular a transferência de calor e a vazão mássica que ocorrem neste canal, com o objetivo de substituir o domínio externo das simulações por este algoritmo. A interligação entre a metodologia semi-analítica e o domínio interno de simulação é realizada por meio de macros desenvolvidas na linguagem do software comercial de CFD adotado. Duas abordagens são testadas: um modelo semi-analítico global e um modelo semi-analítico distribuído, com contabilização discretizada ao longo do canal. Além disso, os modelos incorporam correlações com considerações físicas distintas: canal com convecção natural, canal com convecção forçada e duas placas paralelas com convecção natural. Os resultados obtidos em cada uma destas abordagens são apresentados, as limitações inerentes a cada escolha são discutidas e são definidas as faixas adequadas para a aplicação de cada metodologia. Os casos são comparados com a simulação conjugada bidimensional, que contempla os domínios interno e externo, e são apresentadas as diferenças na transferência de calor e de massa que a simulação com o algoritmo integrado apresenta em relação ao caso completo. Por fim, uma vez consolidado o modelo, sua aplicabilidade é avaliada em casos tridimensionais, com análise dos resultados obtidos e relato dos ganhos no tempo de simulação.

Abstract: This work presents a methodology to reduce the computational fluid dynamics simulation time of radiator fins used in power transformers. The geometric simplicity of the external air channel between the fins allows the development of a semi-analytical algorithm capable of calculating the heat transfer and mass flow rate that occur within this channel, with the objective of replacing the external domain of the simulations with this algorithm. The connection between the semi-analytical methodology and the internal simulation domain is established by means of macros developed in the programming language of the commercial CFD software adopted. Two approaches are tested: a global semi-analytical model and a distributed semi-analytical model, with discretized accounting along the channel. In addition, the models incorporate correlations with distinct physical considerations: a channel with natural convection, a channel with forced convection, and two parallel plates with natural convection. The results obtained for each of these approaches are presented, the limitations inherent to each choice are discussed, and the appropriate ranges for the application of each methodology are defined. The cases are compared against the two-dimensional conjugate simulation, which comprises both the internal and external domains, and the differences in heat and mass transfer that the simulation with the integrated algorithm presents relative to the complete case are shown. Finally, once the model has been consolidated, its applicability is evaluated in three-dimensional cases, with analysis of the results obtained and a report of the gains in simulation time.