配電室通風室內(nèi)溫度場分布CFD數(shù)值模擬可靠性分析

秦學深

【摘 要】工業(yè)生產(chǎn)過程中，配電室內(nèi)的溫度控制對電氣設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。尤其是設(shè)置有干式變壓器的配電室，其運行過程中產(chǎn)生大量的余熱，當夏季室外溫度較高時，配電室內(nèi)的通風氣流分布情況及電氣設(shè)備散熱問題備受關(guān)注，本文采用流體模擬軟件Airpak，對典型實例工況環(huán)境下配電室內(nèi)氣流組織進行數(shù)值模擬計算，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)，重點對比分析干式變壓器附近溫度場空間點相應(yīng)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的差異度，驗證模擬的可靠性。

【關(guān)鍵詞】配電室 數(shù)值模擬 溫度場分布 可靠性分析

配電室內(nèi)電氣設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠保證，電氣設(shè)備在運行時會產(chǎn)生大量熱量。為使室內(nèi)電氣設(shè)備散發(fā)的余熱有效地排出，并保證其運行的環(huán)境溫度低于設(shè)備允許最高溫度值，通常采用機械通風形式對室內(nèi)排熱降溫。因此合理地組織室內(nèi)空氣的流動，能使室內(nèi)空氣的溫度、流速和濕度等更好的滿足電氣設(shè)備要求。尤其是在炎熱的夏季，若室內(nèi)空氣流動性較差，主要散熱設(shè)備（如干式變壓器）將會由于其設(shè)備表面局部溫度過高，導(dǎo)致電氣設(shè)備失靈，給生產(chǎn)造成不可估量的嚴重后果。

采用CFD數(shù)值模擬的方法可以在配電室設(shè)計建設(shè)完成前，對室內(nèi)的氣流組織進行預(yù)見及合理調(diào)整，但任何數(shù)值模擬會與實際運行工況存在差異，為提高數(shù)值模擬在配電室通風設(shè)計中的可靠性，利用實際運行中配電室空氣參數(shù)測量數(shù)據(jù)對比分析同一空間點的數(shù)值模擬計算結(jié)果，為今后掌握配電室內(nèi)溫度場數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與相應(yīng)空間點的實測數(shù)據(jù)差異度及模擬結(jié)果可靠性提供依據(jù)。

1 模型描述

1.1 幾何模型

本文選取某工程的低壓配電室作為研究對象，配電室建筑形式、建筑物和設(shè)備尺寸等均為已完工建設(shè)工程數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值模擬的需要作了適當簡化。

低壓配電室長×寬×高：20m×16m×4.6m，其中該層樓板標高為2.8m。通風方式為機械排風，自然進風。配電室內(nèi)布置4臺額定容量2500kVA干式變壓器，散熱量為12.45kW/臺；Ⅰ類型低壓配電柜52臺，Ⅱ類型低壓配電柜16臺，其散熱量為0.1kW/臺。配電室的平面圖及幾何模型如圖1.1-1及圖1.1-2所示。

1.2 理論模型

1.2.1 控制方程

室內(nèi)的空氣運動中滿足氣體連續(xù)方程、動量方程和能量方程。

連續(xù)方程：

式中：ρ為流體密度； ui為氣體在i方向的速度，t為時間。

動量方程：

式中，p為氣體靜壓；Si為由熱源項；為粘性力張量。

能量方程：

式中，h為焓，k為分子導(dǎo)熱率；kt為湍流擴散引起的導(dǎo)熱率kt= Cpμt/Prt；Sh為體積熱源。

1.2.2 湍流模型

（1）室內(nèi)零方程模型。Chen等人提出一種新的零方程模型用以解決通風空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值計算問題，該模型的基本思想是將湍流黏度歸結(jié)為當?shù)仄骄俣群烷L度尺度的函數(shù)。即：

（2）RNGk-模型。RNG算法從暫態(tài)Navier-Stokes方程得出湍流能量k及其耗散率的RNG湍流模型。即：

式中，和是和的有效普朗特數(shù)，為空氣有效粘性系數(shù)，為湍流能量耗散率參量。

2 數(shù)值模擬

2.1 邊界條件及預(yù)期值

根據(jù)實際工程測試結(jié)果，設(shè)置模型模擬邊界條件，通過進風百葉進入室內(nèi)的空氣溫度為32℃，按消除余熱法計算排風量約為21024m3/h，模型邊界表壓力為0Pa。

CFD數(shù)值模擬代數(shù)方程，其終止標準按照連續(xù)性方程與動量方程殘差為1.0E-3以下，能量方程殘差為1.0E-6以下。

2.2 數(shù)據(jù)對比與分析

配電室內(nèi)干式變壓器上部、下部百葉口處實測溫度數(shù)值，分別于相應(yīng)模型中各點模擬溫度數(shù)值對比，見圖2.2-1～2.2-4。

從以上圖中可見，通過對干式變壓器附近的上部和下部各測點的測量與模擬數(shù)據(jù)的對比分析，其溫度場測量值與數(shù)值模擬值在趨勢上完全吻合，但模擬值約高于實際測量值2℃以內(nèi)。

3 結(jié)語

本文通過Airpak建立實際工程配電室室內(nèi)氣流組織數(shù)值模擬模型，通過計算將干式變壓器附近各空間點溫度場數(shù)值與相應(yīng)的實際測量數(shù)據(jù)進行對比，得出如下結(jié)論：

（1）配電室內(nèi)干式變壓器設(shè)備附近溫度場的數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)各空間點實測數(shù)據(jù)在數(shù)值變化趨勢上吻合；

（2）各空間點溫度的數(shù)值模擬計算結(jié)果均高于其實際測量數(shù)值2℃以內(nèi)。

（3）在實際工程設(shè)計中，利用Airpak對配電室進行數(shù)值模擬、分析優(yōu)化室內(nèi)氣流組織通風方案，其模擬結(jié)果可靠性較高。

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