戶內(nèi)散熱器室自然通風(fēng)數(shù)值分析

邵志偉，黃亞繼，張 強，劉明濤

（1.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102）

戶內(nèi)散熱器室自然通風(fēng)數(shù)值分析

邵志偉1，黃亞繼1，張 強1，劉明濤2

（1.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102）

利用計算流體動力學(xué)建立散熱器室通風(fēng)系統(tǒng)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對散熱器室的自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得散熱器不同截面的最高溫度分布。將散熱器不同截面處最高溫度作為衡量散熱效果的標(biāo)準(zhǔn)，研究不同導(dǎo)流罩類型、安裝高度和出口面積對散熱器室散熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：散熱器上方安裝凹型導(dǎo)流罩可有效提高散熱效果；導(dǎo)流罩安裝高度H＝2.9 m，出口面積比σ＝0.49時，散熱效果最好；通過比較導(dǎo)流罩類型、安裝高度和出口面積對散熱效果的差異，得到導(dǎo)流罩類型影響最大，安裝高度次之，出口面積影響最小。

散熱器室；通風(fēng)；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

戶內(nèi)變電站具有占地少、噪音低、輻射小、安全性高等優(yōu)點，然而卻帶來了通風(fēng)降溫難的問題［1］。變壓器是電力輸送過程中的重要設(shè)備，夏季高溫時大部分變壓器都在接近或超過滿負(fù)荷的情況下運行，因而變壓器的散熱問題已經(jīng)成為影響變壓器出力和安全運行的重要因素［2－3］。目前，戶內(nèi)與變壓器分體布置的散熱器大多底部采用機械送風(fēng)的方法來強化散熱，但風(fēng)機的使用不可避免地會帶來能耗和噪聲。自然通風(fēng)作為既節(jié)能又能有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的通風(fēng)降溫方式，越來越受到工程技術(shù)人員的青睞［4］。鑒于安裝導(dǎo)流罩可以改善散熱器室氣流組織，提高變壓器散熱效果的優(yōu)點，本文首次建立帶導(dǎo)流罩散熱器室計算流體動力學(xué)（CFD）模型，利用Fluent軟件對散熱器內(nèi)部速度場和溫度場進(jìn)行分析［5］，采用散熱器不同截面的最高溫度變化對散熱效果進(jìn)行評價。

1 散熱器室模型

1.1 模型簡化與邊界條件

本文將揚州某110 kV變電站散熱器室作為研究對象，采用特變電工衡陽變壓器有限公司制造的110 kV油浸有載變壓器，功率50 MVA，包括兩臺散熱器，1個進(jìn)風(fēng)口和6個排風(fēng)口；每個散熱器有9組散熱片，每組有28片散熱片，共252片，變壓器和散熱器水平分體布置在兩個房間內(nèi)［6］。導(dǎo)流罩安裝在散熱器上方，導(dǎo)流罩由4塊鉸接在散熱器室的4面?zhèn)葔ι暇哂幸欢ɑ《鹊那嫫唇訕?gòu)成，幾何示意圖如圖1所示。散熱器室的送排風(fēng)的流動過程均為湍流流動過程，模擬計算時假設(shè)：（1）流動為三維穩(wěn)態(tài)湍流；（2）散熱器為唯一熱源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱，與外界不發(fā)生熱交換；（3）自然進(jìn)風(fēng)的風(fēng)向均與進(jìn)風(fēng)口垂直，不考慮外界環(huán)境的變化對進(jìn)口風(fēng)向的影響，且符合Boussinesq假設(shè)。入口采用速度入口，出口采用自由出口，散熱表面采用均勻熱流。散熱器室具體計算參數(shù)見表1。

圖1 散熱器室示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

散熱器與周圍空氣主要是通過對流換熱來降低溫度，散熱器室內(nèi)氣體以湍流形式流動，摻混較強的動量、熱量和質(zhì)量，通過以下方程描述［7］。

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

式中，ρ為密度；t為時間；V為速度矢量；源項Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量，源項也可以是其他自定義的源項。

1.2.2 動量守恒方程

表1 散熱器室參數(shù)

式中，p為流體微元體上的靜壓力；V為速度矢量；g和F分別代表作用在微元體上的重力體積力和其他外部體積力；τ為因分子黏性作用而產(chǎn)生的在微元體表面上的黏性應(yīng)力張量。

1.2.3 能量守恒方程

式中，E為流體微團(tuán)的總能；Jj為組分j的擴散通量；方程右邊前3項分別為由于導(dǎo)熱、組分?jǐn)U散和黏性耗散所引起的能量傳遞；Sh為熱源項。

1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程

k湍流動能輸運方程：

ε湍流動能輸運方程：

選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程求解湍流對流換熱問題時，控制方程滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，其中，c1、c2、cμ、ck、σε、σT為Fluent軟件中默認(rèn)的常數(shù)。

2 模擬結(jié)果與分析

散熱器內(nèi)部最高溫度是評價散熱器散熱性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。利用控制變量的思想，通過有規(guī)律地改變散熱器參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到散熱器導(dǎo)流罩不同類型、安裝高度和出口面積對散熱器自然通風(fēng)散熱效果的影響規(guī)律。模擬實驗方案見表2。

表2 數(shù)值模擬工況

本文對以上4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，從導(dǎo)流罩安裝前后、導(dǎo)流罩類型、導(dǎo)流罩安裝高度和導(dǎo)流罩出口面積4個方面進(jìn)行研究，得到不同截面的最高溫度變化趨勢圖（見圖2～圖10），在圖2～圖10中，坐標(biāo)X表示距離進(jìn)風(fēng)口的距離，坐標(biāo)Y表示導(dǎo)流罩距離地面的距離，坐標(biāo)Tmax表示截面的最高溫度。

2.1 導(dǎo)流罩安裝前后對散熱效果影響分析

本小節(jié)為工況1的模擬結(jié)果。圖2為X＝5.77 m時截面速度矢量圖。由圖2可以看出：圖2a中未安裝導(dǎo)流罩時，大部分空氣從散熱器外圍流出，出口風(fēng)速最大達(dá)到0.292 m／s；圖2b中安裝導(dǎo)流罩后，在上方檔板作用下，會促使更多冷空氣流過散熱器通道，由于噴管效應(yīng)，導(dǎo)流罩喉部最大風(fēng)速達(dá)到0.337 m／s。其主要原因是：散熱器內(nèi)部布置密集，阻力大，沒有加裝導(dǎo)流罩時，氣流會沿阻力小的路徑上升排出，阻力損失也較小，出口風(fēng)速較大；安裝導(dǎo)流罩后，迫使空氣更多通過散熱器內(nèi)部，形成了局部渦流，阻力損失增大，出口風(fēng)速會減小。

圖3和圖4給出了安裝導(dǎo)流罩前后工況下不同截面的最高溫度變化趨勢圖。由圖3可以得到：在距離進(jìn)風(fēng)口3.0～6.5 m時，截面溫度不斷升高；在距離進(jìn)風(fēng)口大于6.5 m時，截面最高溫度不斷降低。安裝導(dǎo)流罩后，散熱器內(nèi)部截面溫度相對來說趨于均勻，維持在42～65℃；沒有安裝導(dǎo)流罩時，在距離進(jìn)風(fēng)口小于5 m時，截面最高溫度反而有所降低，但距離進(jìn)風(fēng)口5～7 m時，散熱器內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度偏高現(xiàn)象。由圖4可以看出：無導(dǎo)流罩工況下，Y＝3.2 m處截面溫度突然異常降低，原因是該處與自然進(jìn)風(fēng)中心等高，氣流擾動比較劇烈；加裝導(dǎo)流罩后，距離地面各截面溫度明顯降低，降幅在10℃左右，比較而言，安裝導(dǎo)流罩后有利于散熱器室通風(fēng)散熱，主要是因為安裝導(dǎo)流罩后，空氣更多進(jìn)入散熱器內(nèi)部，氣流與散熱片表面熱交換后在熱壓差作用下上升，散熱器內(nèi)部的氣流擾動增強，增大了表面對流換熱系數(shù)，因此對散熱器通風(fēng)散熱有利［8］。

圖2 X＝5．77 m截面速度矢量圖（單位：m／s）

圖3 距進(jìn)風(fēng)口不同位置溫度分布（工況1）

圖4 距地面不同高度溫度變化（工況1）

2．2 導(dǎo)流罩類型對散熱效果影響分析

本小節(jié)為工況2的模擬結(jié)果。已知加裝導(dǎo)流罩對氣流組織和通風(fēng)效果有很大影響，本節(jié)以無導(dǎo)流罩工況作為參照，對安裝不同類型導(dǎo)流罩后散熱器的通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，導(dǎo)流罩形狀分別為凹型、直板型和凸型，其余形狀參數(shù)均相同。

圖5為距進(jìn)風(fēng)口不同位置溫度分布，圖6為距地面不同高度溫度變化。從圖5和圖6可以得到：（1）不同類型的導(dǎo)流罩的散熱效果也不相同。不論采用哪種類型導(dǎo)流罩，散熱效果均有很大提高，沒有加裝導(dǎo)流罩時，散熱器內(nèi)部最高溫度高達(dá)90℃，凸型導(dǎo)流罩時只有85℃，直板導(dǎo)流罩時為80℃，凹型導(dǎo)流罩最高溫度下降到65℃。（2）隨著距離自然進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn)，散熱器的溫度先升高后有所下降；隨著距離地面高度增加，散熱器通道內(nèi)附近溫度急劇升高，超出散熱器高度后驟降，出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)象。顯然，散熱效果的優(yōu)劣次序為：凹型＞直板＞凸型＞無導(dǎo)流罩。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因如下：自然進(jìn)風(fēng)通過散熱器片之間的通道在其表面發(fā)生自然對流，受熱的空氣邊上升邊向前流動，不斷帶走熱量。隨著氣體流動的深入，氣流速度減小，熱邊界層厚度逐漸增厚，有限空間內(nèi)空氣外掠平板換熱的局部傳熱系數(shù)逐漸減小并趨于不變，使表面熱量散失困難，溫度快速升高，達(dá)到最大值后又開始下降，是因為散熱器外部的冷空氣摻混進(jìn)去，導(dǎo)致上方區(qū)域溫度降低。凹型導(dǎo)流罩之所以散熱效果最好，是因為在噴管效應(yīng)作用下，使散熱器室內(nèi)上下熱壓差加大，增強散熱器內(nèi)部的擾動，提高對流換熱系數(shù)，同時減少從散熱器外部直接排出的無效空氣［9］。

圖5 距進(jìn)風(fēng)口不同位置溫度分布（工況2

圖6 距地面不同高度溫度變化（工況2）

2．3 導(dǎo)流罩高度對散熱效果影響

本小節(jié)為工況3的模擬結(jié)果，圖7和圖8給出了導(dǎo)流罩安裝高度分別為H＝2.9 m，3.9 m，4.9 m，5.9 m下的最高溫度變化趨勢圖。從圖7和圖8中可以得到：當(dāng)導(dǎo)流罩安裝高度H＝5.9 m下降到H＝2.9 m時，距離進(jìn)風(fēng)口X＝5.77 m截面最高溫度從85℃降低到62℃，距離地面Y＝2.6 m截面最高溫度從90℃降低到55℃，而且散熱器同一截面的最高溫度均有所降低，這說明導(dǎo)流罩安裝越低，對散熱越有利。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是導(dǎo)流罩安裝高度降低，一方面減少了從導(dǎo)流罩下方直接排出的無效冷空氣；另一方面可促使冷空氣更多地流過散熱器內(nèi)部，增強內(nèi)部氣流擾動，從而提高散熱效果［10］。總之，隨著導(dǎo)流罩安裝高度的降低，散熱器內(nèi)部截面最高溫度在不斷下降，降幅為2～8℃，當(dāng)安裝高度H＝2.9 m時，散熱器的散熱效果最好。

圖7 距進(jìn)風(fēng)口不同位置溫度分布（工況3）

圖8 距地面不同高度溫度變化（工況3）

2.4 導(dǎo)流罩出口面積對散熱效果影響

本小節(jié)為工況4的模擬結(jié)果，定義σ為導(dǎo)流罩出口面積與散熱器橫截面積的比值。圖9和圖10給出了σ＝0.01，σ＝0.16，σ＝0.49，σ＝1.00，σ＝1.69工況下的最高溫度變化趨勢圖。由圖9可知：隨著距進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn)，散熱器不同截面最高溫度先升高后降低，在X＝5 m截面處溫度達(dá)到最高；當(dāng)σ＝0.49時，距進(jìn)風(fēng)口不同截面最高溫度均為最低。由圖10可知：距離地面越高，散熱器內(nèi)部溫度先升高，達(dá)到最大值后降低，在距離地面Y＝2.9 m處溫度達(dá)到最高；隨著σ的增大，同一截面最高溫度的變化沒有明顯規(guī)律性，但當(dāng)σ＝0.49時，距離地面不同高度截面最高溫度也為最低，說明導(dǎo)流罩出口面積的變化對散熱器散熱的影響效果比較復(fù)雜。主要原因是導(dǎo)流罩出口面積變小，散熱器上部熱空氣不能快速排出，外面冷空氣不能及時進(jìn)入，熱空氣在散熱器上部聚集，散熱器上部區(qū)域傳熱惡化，但同時氣流與散熱器片的接觸時間變長，也會對傳熱造成影響；出口面積過大，會造成氣流短路直接排出，導(dǎo)流罩基本形同虛設(shè)，流過散熱器內(nèi)部的空氣減少，接近沒有安裝導(dǎo)流罩時的情形［11］。因此，雖然導(dǎo)流罩出口面積大小對散熱器通風(fēng)影響較復(fù)雜，但存在最佳值，當(dāng)σ＝0.49，散熱器下部最高溫度不超過40℃，散熱器上部最高溫度不超過65℃，綜合散熱效果最好。

圖9 距進(jìn)風(fēng)口不同位置溫度分布（工況4）

圖10 距地面不同高度溫度變化（工況4）

3 結(jié)論

（1）散熱器室內(nèi)氣流組織的流場和不同截面的最高溫度變化結(jié)果可用來預(yù)測散熱器的散熱效果。

（2）在散熱器上方加裝導(dǎo)流罩，有利于散熱器室散熱，可使散熱器內(nèi)部溫度降低，對變壓器正常運行有利；不同的導(dǎo)流罩類型對散熱器室散熱影響不同，散熱效果順序為：凹型＞直板＞凸型。

（3）綜合比較導(dǎo)流罩類型、安裝高度和出口面積對散熱效果的影響，導(dǎo)流罩類型影響最大，安裝高度次之，出口面積影響最小。

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TU834

A

1672－6871（2014）06－0066－05

國家自然科學(xué)基金項目（51006023）；江蘇省環(huán)保廳基金項目（2012027）

邵志偉（1987－），男，安徽阜陽人，碩士生；黃亞繼（1975－），男，江蘇南京人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為變電站自然通風(fēng)和固體廢物資源化利用及潔凈煤技術(shù).

2013－07－27