李巍巍， 潘 捷， 趙克威

(中國(guó)船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129)

0 引 言

配電柜通常被設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)，這種形式使屏柜只能采用外部自然冷卻的散熱形式，而柜內(nèi)元器件所釋放的熱量全部由殼體吸收[1]。配電柜內(nèi)部斷路器和銅排導(dǎo)電發(fā)熱，熱量通過(guò)對(duì)流、輻射和擴(kuò)散等3種方式傳至外部空間[2]。配電柜內(nèi)空間狹小、不易散熱，需要優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面通風(fēng)孔隙幾何形狀及位置，以保證配電柜內(nèi)部溫度分布滿足相關(guān)規(guī)范。

主要通過(guò)SolidWorks Flow Simulation軟件對(duì)配電柜進(jìn)行流場(chǎng)模擬，計(jì)算在標(biāo)定工況下發(fā)熱元件及充放電板內(nèi)部空間溫度變化，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)配電柜布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使配電柜整體滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1 配電柜建模

1.1 傳熱學(xué)計(jì)算方法

通過(guò)對(duì)換熱原理的分析，將配電柜散熱問(wèn)題歸結(jié)為求解流體動(dòng)力學(xué)方程組，其基本方程為流體力學(xué)中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程[3]。

連續(xù)性方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

(3)

(4)

能量方程為

(5)

式(1)～式(5)中：ρ為流體密度，kg/m3；u、v、w分別為流體在x方向、y方向和z方向的速度分量，m/s；μ為流體黏性系數(shù)，kg/(m·s)；p為流體內(nèi)部壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；T為流體溫度，℃；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Cp為流體定壓比熱容，J/(kg·K)[3]。

與常規(guī)流體力學(xué)問(wèn)題不同，與傳熱相關(guān)、需要加以考慮的影響因子[3]如下：

(1)選用合適的湍流模型才能得到合理的計(jì)算結(jié)果。

(2)配電柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在邊界層模型方面，采用工程流體計(jì)算常用的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型。

(3)適用完全氣體模型，氣體狀態(tài)方程采用克拉伯龍方程。

(4)氣體浮力和重力作用，在控制方程中引入重力和浮力項(xiàng)。

(5)固體壁面間輻射換熱，數(shù)值計(jì)算在能量方程中引入輻射熱。

1.2 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置

配電柜外形尺寸為800 mm×500 mm×1 800 mm，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 配電柜計(jì)算模型

模型簡(jiǎn)化：集合模型按照設(shè)計(jì)圖紙生成，對(duì)內(nèi)部元件幾何形狀進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。主要包括如下內(nèi)容：(1)省略底部槽鋼；(2)省略螺釘?shù)雀郊偷箞A角；(3)省略內(nèi)部支架；(4)銅排及線纜暫時(shí)不定(暫時(shí)忽略銅排及線纜發(fā)熱問(wèn)題)；(5)省略各元件突出部分；(6)發(fā)熱元件改為矩形結(jié)構(gòu)(尺寸根據(jù)元件原尺寸)；(7)側(cè)板、后板沖百葉根據(jù)實(shí)際尺寸，改為平板結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析軟件設(shè)置為多孔板結(jié)構(gòu)。全計(jì)算域幾何模型如圖2所示。

圖2 全計(jì)算域幾何模型

在進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，配電柜內(nèi)各部件初步認(rèn)定的發(fā)熱元件(體熱源)如表1所示。

表1 發(fā)熱元件(體熱源) W

全計(jì)算域幾何模型邊界條件(見(jiàn)圖3)如下：固體內(nèi)熱傳導(dǎo)，重力方向大小為9.81 m/s2；流體材料為空氣；固體材料為碳鋼；壁面熱交換系數(shù)為10 W/(m2·K)，外部流體溫度為40 ℃。

圖3 全計(jì)算域幾何模型的邊界條件

1.3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks Flow Simulation軟件生成全局網(wǎng)格并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密(見(jiàn)圖4)。全局網(wǎng)格定為級(jí)別3。由于安裝位置關(guān)系，3處發(fā)熱模塊間距較小并大于簡(jiǎn)化模型的最小板厚，因此在間隔處對(duì)網(wǎng)格加密，產(chǎn)生級(jí)別5網(wǎng)格。其他元件表面網(wǎng)格加密為級(jí)別4。網(wǎng)格劃分為2 529 330個(gè)。

圖4 局部網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果

軌跡線效果如圖5所示。

圖5 軌跡線

多個(gè)截面速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 截面速度場(chǎng)云圖

計(jì)算結(jié)果曲線如圖7所示。

圖7 計(jì)算結(jié)果曲線

計(jì)算結(jié)果各項(xiàng)數(shù)據(jù)的最小值與最大值如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果各項(xiàng)數(shù)據(jù)的最小值與最大值

3 結(jié) 論

通過(guò)分析計(jì)算得到的軌跡線、云圖及曲線，得出如下結(jié)論：配電柜內(nèi)部溫度區(qū)間為39.94～87.44 ℃，流體+固體，流體最高溫度集中在2個(gè)發(fā)熱模塊間隙處，由于間隙較小，因此自然對(duì)流很難帶走該區(qū)域熱量；速度為0～0.538 m/s，由于沒(méi)有強(qiáng)制對(duì)流，完全靠發(fā)熱元件熱氣產(chǎn)生自然對(duì)流，因此速度較慢，而流體流動(dòng)則由側(cè)板及后板的百葉窗上下開(kāi)口處進(jìn)出。經(jīng)過(guò)對(duì)百葉窗位置進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，內(nèi)部溫升指標(biāo)滿足規(guī)范要求。