周美娟，王立錚，趙保偉

（鄭州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064）

0 引 言

隨著工業(yè)的發(fā)展，智能化控制設(shè)備應(yīng)用越來越普及，智能變電站代替?zhèn)鹘y(tǒng)電站已經(jīng)是一種新的趨勢。夏季在戶外無遮擋的情況下，環(huán)境溫度超過40 ℃，密閉機柜內(nèi)部的溫度超過允許范圍（-10 ～-55 ℃），裝置長時間在超負荷高溫下運行，會引起電器元件的性能降低，產(chǎn)生故障甚至爆炸，因此智能柜在設(shè)計時應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題是柜內(nèi)溫度的調(diào)控。此外，根據(jù)其工作環(huán)境，智能柜除了具有對外部環(huán)境一定的隔離功能外，還應(yīng)具有防塵、防水、防太陽輻射的功能。

在關(guān)于智能柜溫度調(diào)控的研究上，朱云霄等介紹了戶外智能柜散熱和保溫設(shè)計方法，分析了最常用的風(fēng)機散熱問題及風(fēng)機的選型。張洋等針對智能柜不同的散熱方式，利用SolidWorks 軟件對風(fēng)機的散熱進行分析和優(yōu)化。郭勝軍等以變電站內(nèi)戶外機柜為例，對戶外機柜熱設(shè)計的要素和方案進行仿真比較，認為智能柜在單層結(jié)構(gòu)和箱體不開孔的情況下，通風(fēng)和散熱效果較差，內(nèi)部需增加強制對流風(fēng)機，風(fēng)機安裝在柜體的下部對溫控有利。綜上所述，以往的研究主要是針對戶外單層智能柜以及散熱方式等問題，但關(guān)于戶外雙層智能柜的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部溫度的分布規(guī)律研究的較少。

在基于CFD 的研究上，A.M.Foster 等介紹了在優(yōu)化冷藏陳列柜性能中，為了解不同結(jié)構(gòu)下柜內(nèi)溫度場的分布狀況，結(jié)合CFD 對陳列柜進行數(shù)值模擬，可以預(yù)測展示柜的空氣流動，短時間內(nèi)可以優(yōu)化陳列柜的性能。Y.T.Ge 等介紹了冷藏陳列柜在基于CFD 下，運用FLUENT 軟件對陳列柜數(shù)值模擬，通過實驗驗證了其模型的有效性，可為其他類型柜體的數(shù)值模擬提供參考。通過上述研究說明CFD 是一種可行的數(shù)值模擬。

因此本文針對戶外雙層智能柜的散熱問題，首先運用Gambit 軟件建立戶外雙層智能柜的模型，并進行網(wǎng)格劃分，然后利用FLUENT 軟件，采用數(shù)值模擬的方法研究戶外雙層智能柜在不同環(huán)境溫度下柜內(nèi)溫度的變化規(guī)律，為了驗證數(shù)值模擬的準確性，對該模擬進行實驗研究。旨在獲得基準模型，為更好地對戶外雙層智能柜內(nèi)的溫度進行調(diào)控奠定一定的基礎(chǔ)。

1 戶外雙層智能柜的物理模型及實驗設(shè)置

1.1 戶外雙層智能柜物理模型

戶外雙層柜智能柜的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1（a）為戶外雙層智能柜的外觀結(jié)構(gòu)，戶外雙層智能柜的尺寸為1 800 mm×964 mm×1 930 mm，圖1（b）為戶外雙層智能柜體的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1（b）中可以看出，機柜的前門、后門、側(cè)板、頂蓋均為雙層結(jié)構(gòu)。柜體兩側(cè)板和頂蓋粘接有隔熱棉、防止太陽輻射對機柜內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生影響，同時側(cè)板雙層夾板上下端開放結(jié)構(gòu)，有利于增加散熱效果，并且柜體表面采用噴漆工藝，對于太陽輻射多了一層防護。柜體頂部布置兩個大功率風(fēng)機，風(fēng)機口直徑220 mm，每個風(fēng)機的排風(fēng)量在8 m/min。柜體前后門板上均開有百葉窗通風(fēng)口，百葉窗后面裝有通風(fēng)效果較好的過濾棉，防止灰塵由呼吸窗進到柜體內(nèi)部。柜體內(nèi)外側(cè)板尺寸25 mm，外側(cè)板選用的是輻射率高、隔熱效果好的材料（不銹鋼），內(nèi)側(cè)板選用鋁板（5052）。

圖1 戶外雙層智能柜

1.2 實驗設(shè)置

戶外雙層智能柜內(nèi)裝有2 臺40 W 的智能元件，柜體頂部裝有兩個大功率的風(fēng)機，在智能室（右側(cè)）與傳統(tǒng)室（左側(cè)）之間裝有溫度感應(yīng)器，溫度感應(yīng)器的作用是當柜內(nèi)平均溫度達到40 ℃，風(fēng)機會自動啟動。智能柜的空氣流通主要有兩個途徑，途徑一如圖2（a）所示，空氣通過門板的百葉窗進入柜內(nèi)，途經(jīng)智能元件，然后被頂部的兩臺風(fēng)機排出，其流通方式屬于強制對流。途徑二如圖2（b）所示空氣經(jīng)過外側(cè)板和內(nèi)側(cè)板的間隔縫隙，由外部側(cè)板底部的通風(fēng)孔排出，以達到柜體內(nèi)外氣體交換要求，其流通的方式為自由對流。

圖2 空氣流通示意圖

為了驗證數(shù)值模擬的準確性，將工廠車間加熱房內(nèi)的溫度調(diào)到與數(shù)值模擬相同的溫度，加熱房的最高溫度可達到90 ℃，整個加熱房進行了保溫、隔熱、防潮等處理。實驗器材：如圖1所示的雙層智能控制柜一臺，電器元件采用上?？死訜崞鱆B/T 7836.3-2005，電機用電加熱器防爆型翅片管電加熱器，功率40 W。風(fēng)機型號SA22060CA2HT，風(fēng)機排風(fēng)量為8 m/min。溫度計采用的是留點溫度計，量程為0 ～100 ℃，工作原理和體溫計相同，溫度采樣點如圖2所示的點1 ～12，采樣點的布置是根據(jù)空氣的流動方向設(shè)置的。

2 數(shù)值計算

2.1 控制方程及邊界條件

求解基于不可壓縮的三維紊流流體流固耦合穩(wěn)態(tài)傳熱問題，在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下，對于固體的導(dǎo)熱計算應(yīng)遵循傅立葉定律，同時流體流動和傳熱必須滿足連續(xù)性方程、動量守恒方程以及能量守恒定律。

計算選用simple 算法，采用三維不可壓縮，且滿足Boussinesq 假設(shè)，湍流、穩(wěn)態(tài)模型，忽略黏性耗散。殘差、連續(xù)方程、湍流參數(shù)和動量方程的收斂的標準為10，能量方程的收斂標準為10。

控制方程：div（）=div（Γgradφ）+S其中，為通用變量；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項，與值相對應(yīng)。控制方程的各變量如表1所示。

表1 控制方程各變量

由于戶外雙層智能柜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，前處理采用Gambit軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，為了保證該模型能夠準確地反映柜內(nèi)溫度梯度和氣流組織狀況，在進行網(wǎng)格劃分時，對戶外雙層智能柜的排氣部分（進風(fēng)口、排風(fēng)風(fēng)機、出風(fēng)口等）進行了局部加密，并采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分。由于智能柜的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此在保證相關(guān)物理量準確的前提下，建立模型時對柜體做了以下簡化與假設(shè)：（1）忽略側(cè)板的空氣對流，因為側(cè)板之間的間距很小，屬于自由對流。（2）忽略周圍空氣溫度對流，智能柜壁面的溫度恒定。（3）忽略柜內(nèi)支撐桿對流場的影響。

柜體邊界條件：設(shè)定環(huán)境溫度，實驗測取相應(yīng)的壁面溫度。Fluent 中進口選用速度入口（velocity-inlet），假設(shè)入口來流的速度均勻分布，忽略重力場的影響，進口速度根據(jù)選用的風(fēng)機排風(fēng)量來確定，溫度為環(huán)境溫度。出口選用outflow。柜內(nèi)2 塊40 W 的智能元件，邊界條件是熱源source terms，設(shè)置其熱流密度q（w/m）。計算結(jié)果的處理方法見文獻[7]。

2.2 數(shù)值計算結(jié)果

采用該模型對戶外雙層智能柜內(nèi)部的溫度場進行研究。由于戶外雙層智能柜的工作環(huán)境溫度通常是40 ℃和50 ℃，因此對智能柜進行數(shù)值模擬時選用環(huán)境溫度為40 ℃和50℃。計算結(jié)果如圖3所示，由圖可知環(huán)境溫度40 ℃和50℃時柜體內(nèi)部的溫度分布情況。從數(shù)值模擬結(jié)果的截面圖（=480）可以清晰地看出柜體內(nèi)部空氣流動過程中所產(chǎn)生的溫度梯度，環(huán)境溫度為40 ℃時，柜內(nèi)的最高溫度為324 K（50.85 ℃），環(huán)境溫度為50 ℃時，柜內(nèi)的最高溫度為335 K（61.85 ℃），二者的最高溫度均是柜體內(nèi)智能元件的溫度，且下側(cè)智能元件比上側(cè)智能元件的溫度略低。百葉窗口附近的溫度較低，因百葉窗是外部空氣的主要進口，柜體底部的溫度比百葉窗附近的溫度略高，原因在于外部空氣進入柜體內(nèi)，隨著排風(fēng)機的運行，氣流向上流動，較少的氣流在柜體下側(cè)循環(huán)流動，智能元件發(fā)出的熱量被帶到柜體頂部，然后從頂部的百葉窗排到柜外。此外，由圖可以看出，風(fēng)機附近的溫度略高于百葉窗附近的溫度，這是由于柜體內(nèi)部的熱量由風(fēng)機帶動排出，進而實現(xiàn)柜體內(nèi)部溫度的降低。

圖3 環(huán)境溫度為40℃和50℃的溫度場分布（y=480）

3 數(shù)值模擬與實驗的對比分析

實驗開始前，首先將加熱房溫度調(diào)到40 ℃和50 ℃，然后開啟戶外雙層智能柜，使智能柜內(nèi)部的智能元件和風(fēng)機運行一段時間，保證智能柜的速度場處于一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。溫度采樣點的布置如圖2所示，表2給出了環(huán)境溫度在40℃和50 ℃時，各個采樣點的溫度值，由表中數(shù)據(jù)可知柜體內(nèi)部溫度的分布規(guī)律，柜體中部采樣點的溫度值偏高，進風(fēng)口和出風(fēng)口的溫度偏低，這是由于柜內(nèi)中部的熱量流通性較進風(fēng)口和出風(fēng)口略差，將實驗與模擬值對比發(fā)現(xiàn)，實驗值較模擬值略高。

表2 環(huán)境溫度40 ℃和50 ℃的模擬和實驗溫度值

為了更好地驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，又因智能元件是智能柜正常運行的重要組件，因此進一步研究了6 種（30 ～90 ℃）不同環(huán)境溫度下智能元件表面的溫度值，即采樣點2 和6，研究結(jié)果如圖4所示。由4 圖可知，隨著環(huán)境溫度的升高，采樣點2 和6 的溫度逐漸升高，將數(shù)值模擬與實驗的數(shù)值進行了對比發(fā)現(xiàn)實驗值較模擬值略高。按模型量綱化指標中的均方根差對各物理參數(shù)工況下的結(jié)果進行分析，得出：環(huán)境溫度為40 ℃和50 ℃時溫度的均方根差（RMSE）分別為6.14%和7.2%。點2 和6 在不同工況下溫度的均方根差（RMSE）分別為4.1%和2.1%。整個模擬的平均RMSE 為4.9%。

圖4 采樣點2 和6 在不同環(huán)境溫度下的溫度特點

由上述分析可見，該數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的，說明該CFD 模型可以作為基準模型，將其用于其他工況下戶外雙層智能柜內(nèi)溫度場和流場的數(shù)值模擬，進而實現(xiàn)戶外雙層智能柜內(nèi)溫度控制的研究。

4 結(jié) 論

本文以戶外雙層智能柜作為研究對象，通過數(shù)值模擬和實驗對智能柜內(nèi)部的溫度進行了研究，將二者進行了對比，發(fā)現(xiàn)：（1）數(shù)值模擬和實驗結(jié)果基本吻合，整個模擬的平均均方根差為4.9%。（2）獲得了模擬戶外雙層智能柜的基準模型，為能夠更好控制柜體內(nèi)部溫度，以及智能柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供了模型基礎(chǔ)。