艦船用配電柜散熱分析

趙克威, 徐 敏

(中國(guó)船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129)

0 引 言

隨著綜合電力推進(jìn)技術(shù)和造船技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶自動(dòng)化、電氣化水平越來(lái)越高。艦船對(duì)電力的需求呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，其電力系統(tǒng)由過(guò)去的輔助系統(tǒng)變?yōu)橹饕到y(tǒng)。

電器屏柜是艦船電力系統(tǒng)的重要組成，集中了大部分的低壓電器設(shè)備和控制設(shè)備。電器屏柜是電器設(shè)備和控制設(shè)備的電氣性能得以實(shí)現(xiàn)的重要保障[1]。柜內(nèi)元器件功率高，有效散熱面積小，導(dǎo)致單位面積發(fā)熱量升高，這種熱驅(qū)動(dòng)引起的機(jī)械、化學(xué)、電氣等方面的問(wèn)題可能嚴(yán)重影響元器件的質(zhì)量和可靠性[2]。散熱情況的好壞還會(huì)影響操作人員的熱舒適性，關(guān)系到任務(wù)的執(zhí)行效率[3]。因此，需對(duì)電器屏柜內(nèi)功率元器件的散熱問(wèn)題進(jìn)行研究，以保證系統(tǒng)的整體功效，避免工程實(shí)施后出現(xiàn)較大問(wèn)題。

電器屏柜通常設(shè)計(jì)成封閉的系統(tǒng)，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[4]。配電柜是電器屏柜的一種，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、擴(kuò)散等3種方式傳到外部空間[5]。箱內(nèi)空間狹小，不易散熱，需優(yōu)化配電柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面通風(fēng)孔隙幾何形狀及位置，保證配電柜內(nèi)部溫度分布滿足相關(guān)規(guī)范。

電子機(jī)柜散熱的計(jì)算方法包括基于傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的解析計(jì)算方法和基于計(jì)算傳熱學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法。張?jiān)瞥琜6]采用解析計(jì)算方法對(duì)某艦船用電子設(shè)備開(kāi)式機(jī)柜進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。戰(zhàn)乃巖等[7]以小型電子設(shè)備散熱技術(shù)為背景，運(yùn)用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法，借助Fortran語(yǔ)言，對(duì)小空間熱源群繞體自然對(duì)流進(jìn)行三維仿真模擬。陳文博[8]通過(guò)搭建精確下送風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并結(jié)合CFD數(shù)值模擬研究單機(jī)柜通風(fēng)和溫度問(wèn)題。徐燕飛[9]對(duì)電器設(shè)備中主要元器件進(jìn)行通風(fēng)散熱數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，建立一套電子元器件熱分析和熱改進(jìn)方法。

根據(jù)配電柜的設(shè)計(jì)方案，使用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，分析配電柜溫度分布狀況，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)配電柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使配電柜整體滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

1 配電柜的建模及計(jì)算

1.1 計(jì)算傳熱學(xué)

通過(guò)換熱原理分析，可將配電柜散熱問(wèn)題歸結(jié)為求解流體動(dòng)力學(xué)方程組的問(wèn)題。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。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(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方向及z方向的速度分量，m/s；μ為流體的黏性系數(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，℃；Cp為流體的比熱容，J/(kg·K)；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

但是，與常規(guī)的流體力學(xué)問(wèn)題不同，若干與傳熱相關(guān)的影響因子也需要被考慮到：

(1) 選擇湍流模型。流場(chǎng)為湍流狀態(tài)，需采用雷諾平均方程與脈動(dòng)方程相結(jié)合的算法。由于脈動(dòng)方程為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，不同湍流的脈動(dòng)方程有其自身的適用范圍，所以需考察湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選用合適的湍流模型才能得到合理的計(jì)算結(jié)果。研究選用工程流體計(jì)算中最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

(2) 邊界處理方法。由于邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱效果影響很大，所以在數(shù)值計(jì)算時(shí)需注意邊界層網(wǎng)格設(shè)計(jì)及邊界層模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在網(wǎng)格設(shè)計(jì)方面，由于配電柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以采用結(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)算中最常用的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型。

(3) 氣體壓縮性。如果采用不可壓氣體，將無(wú)法產(chǎn)生浮力，無(wú)法計(jì)算自然對(duì)流問(wèn)題。根據(jù)溫度和壓力的變化范圍可知，研究對(duì)象適用完全氣體模型，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。需要估計(jì)固體表面熱輻射參數(shù)，數(shù)值計(jì)算時(shí)在能量方程中引入輻射熱。在仿真計(jì)算中采用Fluent提供的S2S模型處理輻射換熱。

1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分

根據(jù)配電柜的設(shè)計(jì)圖紙和三維模型，對(duì)其有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略螺釘和倒圓角等對(duì)計(jì)算影響較小的零部件。全計(jì)算域幾何模型如圖1所示，內(nèi)部為配電柜，最外層方框?yàn)榕撌疫吔纭Ｅ潆姽駜?nèi)部幾何形狀及外表面如圖2和圖3所示。

在進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，配電柜內(nèi)各部件精確的熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置如下：

(1) 銅排總發(fā)熱量為2 000 W，斷路器發(fā)熱量為653 W；

(2) 銅排的材料屬性為銅，其他結(jié)構(gòu)材料屬性為鋼；

圖1 全計(jì)算域幾何模型

圖2 配電柜內(nèi)部斷路器和母排形狀

圖3 配電柜外表面

(3) 固體表面發(fā)射率取0.8。

在計(jì)算時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，雖然操作簡(jiǎn)便，但是網(wǎng)格數(shù)量大幅上升，內(nèi)存溢出，計(jì)算時(shí)間大幅增加，計(jì)算誤差難以控制。結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格操作稍復(fù)雜，但計(jì)算速度快，誤差相對(duì)可控，所以模型網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。配電柜內(nèi)網(wǎng)格分辨率為5 ～10 mm，網(wǎng)格總量約1 200萬(wàn)個(gè)。銅排和斷路器表面網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖4所示。

圖4 銅排和斷路器表面網(wǎng)格

1.3 邊界條件設(shè)定

環(huán)境溫度為50 ℃，艙室邊界、配電柜及內(nèi)部各部件表面為固壁邊界條件。位于計(jì)算域最外層的艙室邊界溫度固定為323 K。內(nèi)部各部件表面溫度通過(guò)計(jì)算得出。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)使得數(shù)值計(jì)算模型中的邊界條件、邊界與內(nèi)部輻射換熱模式、環(huán)境溫度對(duì)計(jì)算域內(nèi)部的影響等與實(shí)際情況保持一致。為了方便計(jì)算研究，給配電柜內(nèi)部的銅排進(jìn)行編號(hào)。圖5為各銅排編號(hào)情況。

圖5 銅排編號(hào)

由于每根銅排的電阻和電流各不相同，其發(fā)熱量也不相同。在銅排總熱量為2 000 W的前提下，可根據(jù)每根銅排的長(zhǎng)度、電阻和電流計(jì)算各自的焦耳熱與總熱量之比，從而求得每根銅排表面熱流密度。表1為各銅排表面熱流密度。

表1 典型銅排表面熱流密度

2 計(jì)算結(jié)果與分析

(1) 自然對(duì)流現(xiàn)象

配電柜內(nèi)氣體流速分布如圖6所示。配電柜內(nèi)部銅排和斷路器工作時(shí)不斷發(fā)熱，對(duì)氣體加熱，被加熱的氣體密度降低，向上運(yùn)動(dòng)，最大運(yùn)動(dòng)速度約0.65 m/s。

圖6 配電柜箱內(nèi)氣體速度分布狀況

(2) 斷路器、銅排及箱體表面溫度狀況

應(yīng)用有三個(gè)方面：一利用模型對(duì)其他未知化合物的相關(guān)性質(zhì)/活性進(jìn)行預(yù)測(cè)，在效應(yīng)評(píng)價(jià)和暴露評(píng)價(jià)等方面可彌補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)，對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行篩選和評(píng)價(jià)；二根據(jù)模型的組成與形式，結(jié)合已有的化學(xué)、生物學(xué)知識(shí)，探求有機(jī)化合物的毒理性質(zhì)、環(huán)境過(guò)程和生態(tài)效應(yīng)等機(jī)理分析；三根據(jù)所闡明的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系結(jié)果，為設(shè)計(jì)目標(biāo)化合物指明方向。

斷路器、銅排及箱體表面溫度狀況如圖7～圖9所示。

圖7 斷路器表面溫度分布

圖8 銅排表面溫度分布

圖9 箱體表面溫度分布

由計(jì)算結(jié)果可以看出，全流域溫度分布范圍為323～374 K。斷路器發(fā)熱量為653 W，平均表面熱流密度為358 W/m2；表面溫度范圍為338～372 K，表面平均溫度為349 K。銅排發(fā)熱量為2 000 W，平均表面熱流密度為95 W/m2；表面溫度范圍為324～374 K，表面平均溫度為333 K。箱體表面溫度范圍為323～330 K，表面平均溫度為325 K。

雖然斷路器發(fā)熱量較低，但是其表面平均熱流密度更高，所以斷路器表面平均溫度高于銅排表面平均溫度。斷路器和銅排的平均溫度與最低溫度接近，說(shuō)明斷路器和銅排表面大部分區(qū)域溫度并不高，斷路器表面平均溫度比環(huán)境溫度高約26 ℃；銅排表面平均溫度比環(huán)境溫度高約10 ℃。但是，箱內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部位置氣流不暢，無(wú)法有效散熱，因而斷路器和銅排表面局部區(qū)域產(chǎn)生熱斑。

(3) 高溫區(qū)域

圖10和圖11為銅排和斷路器高溫?zé)岚呶恢谩?/p>

圖10 銅排熱斑位置

圖11 斷路器熱斑位置

3 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)根據(jù)GJB 150.4A-2009的要求進(jìn)行，試驗(yàn)中主母線周圍空氣溫度為50 ℃，部分測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較如表2所示。

表2 部分測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較

由表2可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)低壓配電柜的散熱計(jì)算分析可以看出，低壓配電柜的平均溫度不算太高，但是由于散熱效果不良產(chǎn)生的熱斑會(huì)造成局部高溫。因此，配電柜散熱的關(guān)鍵在于降低熱斑溫度。在進(jìn)行配電柜設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，拓寬縫隙，必要時(shí)加入通風(fēng)設(shè)備，在最高溫區(qū)形成對(duì)流。