某型配電柜空間熱場分析

李巍巍， 潘 捷， 趙克威

(中國船舶電站設備有限公司，上海 200129)

0 引 言

配電柜通常被設計為封閉結構，這種形式使屏柜只能采用外部自然冷卻的散熱形式，而柜內元器件所釋放的熱量全部由殼體吸收[1]。配電柜內部斷路器和銅排導電發熱，熱量通過對流、輻射和擴散等3種方式傳至外部空間[2]。配電柜內空間狹小、不易散熱，需要優化內部結構、表面通風孔隙幾何形狀及位置，以保證配電柜內部溫度分布滿足相關規范。

主要通過SolidWorks Flow Simulation軟件對配電柜進行流場模擬，計算在標定工況下發熱元件及充放電板內部空間溫度變化，并根據計算結果對配電柜布局進行優化設計，使配電柜整體滿足相關規范要求。

1 配電柜建模

1.1 傳熱學計算方法

通過對換熱原理的分析，將配電柜散熱問題歸結為求解流體動力學方程組，其基本方程為流體力學中的質量、動量和能量守恒方程[3]。

連續性方程為

(1)

動量方程為

(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，kg/(m·s)；p為流體內部壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；T為流體溫度，℃；λ為流體導熱系數，W/(m·K)；Cp為流體定壓比熱容，J/(kg·K)[3]。

與常規流體力學問題不同，與傳熱相關、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算結果。

(2)配電柜內部結構非常復雜，采用結構化網格進行網格劃分。在邊界層模型方面，采用工程流體計算常用的標準壁面函數模型。

(3)適用完全氣體模型，氣體狀態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。

(5)固體壁面間輻射換熱，數值計算在能量方程中引入輻射熱。

1.2 計算模型參數設置

配電柜外形尺寸為800 mm×500 mm×1 800 mm，計算模型如圖1所示。

圖1 配電柜計算模型

模型簡化：集合模型按照設計圖紙生成，對內部元件幾何形狀進行合理簡化。主要包括如下內容：(1)省略底部槽鋼；(2)省略螺釘等附件和倒圓角；(3)省略內部支架；(4)銅排及線纜暫時不定(暫時忽略銅排及線纜發熱問題)；(5)省略各元件突出部分；(6)發熱元件改為矩形結構(尺寸根據元件原尺寸)；(7)側板、后板沖百葉根據實際尺寸，改為平板結構，通過分析軟件設置為多孔板結構。全計算域幾何模型如圖2所示。

圖2 全計算域幾何模型

在進行傳熱計算時，配電柜內各部件初步認定的發熱元件(體熱源)如表1所示。

表1 發熱元件(體熱源) W

全計算域幾何模型邊界條件(見圖3)如下：固體內熱傳導，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；壁面熱交換系數為10 W/(m2·K)，外部流體溫度為40 ℃。

圖3 全計算域幾何模型的邊界條件

1.3 計算模型網格劃分

利用SolidWorks Flow Simulation軟件生成全局網格并對網格進行局部加密(見圖4)。全局網格定為級別3。由于安裝位置關系，3處發熱模塊間距較小并大于簡化模型的最小板厚，因此在間隔處對網格加密，產生級別5網格。其他元件表面網格加密為級別4。網格劃分為2 529 330個。

圖4 局部網格

2 計算結果

軌跡線效果如圖5所示。

圖5 軌跡線

多個截面速度場計算結果如圖6所示。

圖6 截面速度場云圖

計算結果曲線如圖7所示。

圖7 計算結果曲線

計算結果各項數據的最小值與最大值如表2所示。

表2 計算結果各項數據的最小值與最大值

3 結 論

通過分析計算得到的軌跡線、云圖及曲線，得出如下結論：配電柜內部溫度區間為39.94～87.44 ℃，流體+固體，流體最高溫度集中在2個發熱模塊間隙處，由于間隙較小，因此自然對流很難帶走該區域熱量；速度為0～0.538 m/s，由于沒有強制對流，完全靠發熱元件熱氣產生自然對流，因此速度較慢，而流體流動則由側板及后板的百葉窗上下開口處進出。經過對百葉窗位置進行適當優化，內部溫升指標滿足規范要求。