Modélisation multi-physique du refroidissement de transformateurs de puissance plongés dans un ferrofluide

Multi-physics modeling of cooling of power transformers immersed in a ferrofluid

• Auteur / Autrice : Sleimane Nasser El Dine
• Direction : Xavier Mininger, Caroline Nore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 04/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Zhuoxiang Ren
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkader Benabou, Didier Trichet, Olivier Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelkader Benabou, Didier Trichet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Transfert de chaleur

Transformateurs électriques

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Électromagnétisme

Transfert de chaleur

Couplage multiphysique

Transformateurs

Refroidissement

Éléments finis

Fluid mechanics

Electromagnetism

Heat transfer

Multiphysic coupling

Transformers

Cooling

Finite elements

Résumé

Des considérations écologiques amènent à utiliser des huiles végétales ensemencées par des nanoparticules magnétiques comme une alternative aux huiles issues du pétrole au sein des transformateurs de puissance. Cependant, les propriétés physiques macroscopiques de ces suspensions et les forces qui en découlent sont mal connues. Pour les étudier, nous proposons une approche couplée, numérique et expérimentale, de ce problème multi-physique alliant des effets thermique, magnétique et fluidique. Le problème multi-physique nécessite l’utilisation des équations de Navier-Stokes dans l’approximation de Boussinesq, de l’équation de conservation de l’énergie,et des équations de la magnétostatique. Les simulations sont d’abord réalisées avec deux codes éléments finis pour vérifier l’impact de la convection thermomagnétique sur le refroidissementd’un solénoïde immergé dans un ferrofluide. Les résultats numériques ont montré une diminution de 2°C de la température de la bobine. Les résultats numériques ont été comparés à des mesures expérimentales et ont montré un très bon accord. Ensuite, nous avons effectué deux tests pour améliorer la convection thermomagnétique dans le modèle de solénoïde. Le premier test vise à étudier l’effet de nanoparticules magnétiques à faible température de Curie. Le second test évalue l’impact d’un aimant annulaire placé à un emplacement optimisé pour maximiser le flux de fuite dans le ferrofluide. Nous avons également inséré un noyau ferromagnétique dans ce système comme première approche vers un transformateur de puissance afind’augmenter le transfert de chaleur à l’intérieur du réservoir. Nous avons également effectué une validation 3D du système de solénoïde comme transition vers la modélisation 3D. Un modèle axisymétrique 2D d’un transformateur de puissance monophasé de 40 kVA, 20kV/400V est ensuite étudié. L’impact de la convectionthermomagnétique sur le processus de transfert de chaleur est vérifié. La diminution maximale de la température dans les enroulements est évaluée à 2°C en utilisant le ferrofluide. Nous avons réalisé une étude 3D pour le même modèle de transformateur simplifié lorsqu’il est immergé dans de l’huile végétale. Les résultats ont montré un accord relativement bon. Enfin, nous avons modélisé un transformateur de puissance monophasé non axisymétrique de 3 kVA, 400/230V. Les résultats numériques ont montré une diminution significative de la température maximale des enroulements de 10°C lorsque la force magnétique est présente.

Ecological considerations lead to nanoparticles with low Curie temperature. The use of vegetable oils seeded with magnetic nanoparticles as an alternative to petroleum oils in power transformers. However, the macroscopic physical properties of these suspensions and the resulting forces are poorly known. To study them, we propose a coupled approach, both numerical and experimental, of this multi-physical problem combining thermal, magnetic, and fluidic effects. The multiphysics problem consists of the Navier-Stokes equations with Boussinesq approximation, the energy conservation equation, and the magnetostatic equations. The simulations are performed first with two finite element codes to verify the impact of the thermomagnetic convection in a solenoid immersed in a ferrofluid. Numerical results have shown a decrease by 2°C of the temperature of the coil. In parallel, the numerical results have been compared to experimental ones and have shown a very good agreement. Then, we have made two tests to improve the thermomagnetic convection in the solenoid model. The first test consists of studying the effect of magnetic nanoparticles with low Curie temperature. The second test investigate the impact of an annular magnet at an optimized location to maximize the leakage flux in the ferrofluid. We have also inserted a ferromagnetic core in the coil system as a first approach for the power transformer to increase the heat transfer inside the tank. We have also performed a 3D validation of the solenoid system as a transition to the 3D modeling. A 2D axisymmetric model of a 40 kVA, 20kV/400V single-phase power transformer is then studied. The impact of the thermomagnetic convection on the heat transfer process is verified. The maximum temperature decrease in the windings is evaluated to 2°C when using ferrofluid. We have performed a 3D study for the same model of the simplified transformer when it is immersed in regular oil. Results have shown a relatively good agreement. Finally, we have modeled a 3 kVA, 400/230V non-axisymmetric single-phase power transformer. The numerical results have shown a significant decrease in the maximum temperature of the windings by 10°C when the magnetic force is present.