配電室通風(fēng)室內(nèi)溫度場(chǎng)分布CFD數(shù)值模擬可靠性分析

秦學(xué)深

【摘 要】工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，配電室內(nèi)的溫度控制對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。尤其是設(shè)置有干式變壓器的配電室，其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的余熱，當(dāng)夏季室外溫度較高時(shí)，配電室內(nèi)的通風(fēng)氣流分布情況及電氣設(shè)備散熱問(wèn)題備受關(guān)注，本文采用流體模擬軟件Airpak，對(duì)典型實(shí)例工況環(huán)境下配電室內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)比分析干式變壓器附近溫度場(chǎng)空間點(diǎn)相應(yīng)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異度，驗(yàn)證模擬的可靠性。

【關(guān)鍵詞】配電室 數(shù)值模擬 溫度場(chǎng)分布 可靠性分析

配電室內(nèi)電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠保證，電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)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(yùn)行的環(huán)境溫度低于設(shè)備允許最高溫度值，通常采用機(jī)械通風(fēng)形式對(duì)室內(nèi)排熱降溫。因此合理地組織室內(nèi)空氣的流動(dòng)，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(dòng)性較差，主要散熱設(shè)備（如干式變壓器）將會(huì)由于其設(shè)備表面局部溫度過(guò)高，導(dǎo)致電氣設(shè)備失靈，給生產(chǎn)造成不可估量的嚴(yán)重后果。

采用CFD數(shù)值模擬的方法可以在配電室設(shè)計(jì)建設(shè)完成前，對(duì)室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行預(yù)見(jiàn)及合理調(diào)整，但任何數(shù)值模擬會(huì)與實(shí)際運(yùn)行工況存在差異，為提高數(shù)值模擬在配電室通風(fēng)設(shè)計(jì)中的可靠性，利用實(shí)際運(yùn)行中配電室空氣參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析同一空間點(diǎn)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，為今后掌握配電室內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與相應(yīng)空間點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(duì)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(dāng)簡(jiǎn)化。

低壓配電室長(zhǎng)×寬×高：20m×16m×4.6m，其中該層樓板標(biāo)高為2.8m。通風(fēng)方式為機(jī)械排風(fēng)，自然進(jìn)風(fēng)。配電室內(nèi)布置4臺(tái)額定容量2500kVA干式變壓器，散熱量為12.45kW/臺(tái)；Ⅰ類(lèi)型低壓配電柜52臺(tái)，Ⅱ類(lèi)型低壓配電柜16臺(tái)，其散熱量為0.1kW/臺(tái)。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(yùn)動(dòng)中滿足氣體連續(xù)方程、動(dòng)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(shí)間。

動(dòng)量方程：

式中，p為氣體靜壓；Si為由熱源項(xiàng)；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(kuò)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(fēng)空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，該模型的基本思想是將湍流黏度歸結(jié)為當(dāng)?shù)仄骄俣群烷L(zhǎng)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?cái)?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(shí)際工程測(cè)試結(jié)果，設(shè)置模型模擬邊界條件，通過(guò)進(jìn)風(fēng)百葉進(jìn)入室內(nèi)的空氣溫度為32℃，按消除余熱法計(jì)算排風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)按照連續(xù)性方程與動(dòng)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(duì)比與分析

配電室內(nèi)干式變壓器上部、下部百葉口處實(shí)測(cè)溫度數(shù)值，分別于相應(yīng)模型中各點(diǎn)模擬溫度數(shù)值對(duì)比，見(jiàn)圖2.2-1～2.2-4。

從以上圖中可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)干式變壓器附近的上部和下部各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，其溫度場(chǎng)測(cè)量值與數(shù)值模擬值在趨勢(shì)上完全吻合，但模擬值約高于實(shí)際測(cè)量值2℃以內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Airpak建立實(shí)際工程配電室室內(nèi)氣流組織數(shù)值模擬模型，通過(guò)計(jì)算將干式變壓器附近各空間點(diǎn)溫度場(chǎng)數(shù)值與相應(yīng)的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)各空間點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)值變化趨勢(shì)上吻合；

（2）各空間點(diǎn)溫度的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果均高于其實(shí)際測(cè)量數(shù)值2℃以內(nèi)。

（3）在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，利用Airpak對(duì)配電室進(jìn)行數(shù)值模擬、分析優(yōu)化室內(nèi)氣流組織通風(fēng)方案，其模擬結(jié)果可靠性較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015：38-41.

[2]《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[K].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：969-980.

[3]《計(jì)算流體力學(xué)分析》[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4] Fluent Inc. Airpak 3.0 User's Guide[M]. May 2，2007.

[5]陳曉春，朱穎心，王元.零方程模型用于空調(diào)通風(fēng)房間氣流組織數(shù)值模擬的研究[J].暖通空調(diào)，2006，36（8）：19-24.

[6]胡文斌，劉麗娜.半地下變電站室內(nèi)通風(fēng)與氣流組織分析[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，第27卷第3期，2011.6，346-349.