塔筒門(mén)朝向?qū)λ矁?nèi)散熱影響的仿真研究

端和平 徐飛彬 王慶峰 姜婷婷 羅勇水

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311100）

0 引言

為了方便對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)，大部分風(fēng)機(jī)廠家都把變流器放在塔底，其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量如果不能被及時(shí)排出，就容易造成塔基溫度過(guò)高，出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組高溫停機(jī)或限功率運(yùn)行的情況[1]。因此，解決塔筒底部通風(fēng)散熱的要求越來(lái)越迫切。

一般的技術(shù)改造措施是在塔筒門(mén)上安裝軸流風(fēng)扇，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式將變流器產(chǎn)生的熱量帶出塔筒[2-3]。然而，很少有學(xué)者研究外環(huán)境來(lái)流對(duì)塔筒通風(fēng)散熱的影響。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)塔筒等室內(nèi)熱流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究已逐漸成為1種新的趨勢(shì)[4]。該文采用CFD軟件對(duì)某3.0 MW機(jī)組塔筒門(mén)朝向?qū)λ矁?nèi)通風(fēng)散熱的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，進(jìn)而找到塔筒門(mén)最佳的安裝角度。

1 計(jì)算模型

該文研究的計(jì)算模型包括用于測(cè)試驗(yàn)證的單塔筒模型和用于塔筒門(mén)朝向研究的塔筒+外流場(chǎng)模型。為了簡(jiǎn)化模型、提高計(jì)算效率，忽略了對(duì)塔筒內(nèi)通風(fēng)散熱影響較小的元器件（例如爬梯、電纜橋架、電纜以及塔筒門(mén)門(mén)框等），建立了2種計(jì)算模型，如圖1所示。其中發(fā)熱部件為變流器，其內(nèi)部的銅排電線(xiàn)滿(mǎn)發(fā)運(yùn)行時(shí)的熱損耗功率為33 kW。

圖1 計(jì)算模型

該文采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，選擇帶有旋流修正的Realizable k-ε兩方程湍流模型[5]，氣體流動(dòng)遵守質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒的定律，空氣密度基于Boussinesq假設(shè)[6]，考慮重力加速度為-9.81 m/s2，計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，不考慮壁面間的輻射傳熱，求解方法選擇SIMPLE算法。

2 測(cè)試驗(yàn)證

2.1 測(cè)試工況

為了驗(yàn)證仿真方法的可靠性，該文采用某3.0 MW機(jī)組持續(xù)滿(mǎn)發(fā)時(shí)（機(jī)組滿(mǎn)發(fā)持續(xù)時(shí)間﹥4 h，認(rèn)為塔筒內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，定義為持續(xù)滿(mǎn)發(fā)狀況）的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證工況邊界條件和Fluent計(jì)算設(shè)置的描述如下：1） 塔門(mén)軸流風(fēng)扇在測(cè)試時(shí)未開(kāi)啟，測(cè)量時(shí)得到自然進(jìn)風(fēng)風(fēng)速約為6 m/s，因此，將塔筒門(mén)風(fēng)扇口設(shè)為速度進(jìn)口，其值為6 m/s，其溫度為7.82 ℃（該溫度取測(cè)試時(shí)的外界環(huán)境溫度）。2） 將塔筒門(mén)窗戶(hù)設(shè)為壓力進(jìn)口，其溫度為7.82 ℃；將頂部平臺(tái)開(kāi)孔設(shè)為壓力出口，其溫度為7.82 ℃。3） 變流器發(fā)熱體功率為33 kW。4） 變流器風(fēng)扇按照各自的風(fēng)量風(fēng)壓（PQ）特性進(jìn)行設(shè)置，分為并網(wǎng)柜風(fēng)扇（變流器出風(fēng)口1）和模組風(fēng)扇（變流器出風(fēng)口2、變流器出風(fēng)口3）。5） 塔筒壁面設(shè)置成Wall，材料為Steel，導(dǎo)熱系數(shù)為40 W/（m·K），其余壁面為絕熱壁面。考慮重力加速度，空氣密度為1.063 kg/m3。

2.2 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

圖2是仿真計(jì)算得到的塔筒內(nèi)熱流線(xiàn)圖（圖中溫度單位用開(kāi)爾文 K表示，0 ℃=273.15 K）。

由圖2可知，當(dāng)變流器風(fēng)扇工作時(shí)，塔筒內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，外界低溫空氣通過(guò)塔筒門(mén)窗戶(hù)進(jìn)入第二層塔筒，通過(guò)塔筒門(mén)風(fēng)扇口進(jìn)入第一層塔筒，隨后進(jìn)入第一層塔筒內(nèi)的空氣通過(guò)爬梯口進(jìn)入第二層塔筒內(nèi)，并在浮升力和變流器風(fēng)扇的作用下螺旋上升至塔筒頂部平臺(tái)，最后從頂部平臺(tái)的開(kāi)孔處排出塔筒。

圖2 塔筒內(nèi)熱流線(xiàn)圖

仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，大部分測(cè)點(diǎn)的誤差在3 ℃以?xún)?nèi)。對(duì)比11號(hào)～14號(hào)測(cè)點(diǎn)，因?yàn)椴恢缹?shí)際測(cè)點(diǎn)的具體位置，所以仿真結(jié)果只能用該高度水平截面的平均溫度代替，存在誤差。總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了仿真方法的可靠性。

表1 仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 塔筒門(mén)朝向研究

3.1 計(jì)算工況與邊界條件

該文在研究塔筒門(mén)風(fēng)扇工作（外界環(huán)境溫度為40 ℃）和不工作（外界環(huán)境溫度為10 ℃）時(shí)，對(duì)比分析塔筒門(mén)朝向（即塔筒門(mén)軸向與風(fēng)向夾角）分別為0 °、30 °、60 °、90 °、120 °、150 °以及180 °時(shí)塔筒內(nèi)的溫度場(chǎng)和系統(tǒng)流量。

外流域進(jìn)口設(shè)置為恒定的6 m/s速度進(jìn)口，出口為壓力出口，側(cè)邊和頂面為對(duì)稱(chēng)面，底面為無(wú)滑移壁面。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 溫度場(chǎng)

各角度工況主要溫度指標(biāo)和系統(tǒng)風(fēng)量的對(duì)比柱狀圖，如圖3所示。由圖3可知以下5點(diǎn)：1） 在所有角度工況中，0 °為最優(yōu)工況，即塔筒門(mén)朝向正對(duì)來(lái)流，此時(shí)塔筒內(nèi)空間及主要截面的平均溫升在所有朝向的工況中最低，180 °次之，30 °和150 °較好，60 °為最不利工況，90 °和120 °較差。因此，從熱流場(chǎng)的角度出發(fā)，塔筒門(mén)朝向與來(lái)流呈0 °～30 °、150 °～180 °較為適宜。2） 當(dāng)塔筒門(mén)風(fēng)扇不工作時(shí)，60 °與0 °工況相比，塔筒內(nèi)平均溫度升高21.5 ℃～23.5 ℃，風(fēng)量降低了11300 m3/h；當(dāng)塔筒門(mén)風(fēng)扇工作時(shí)，60 °與0 °的工況相比，塔筒內(nèi)平均溫度升高了7.5 ℃～12.5 ℃，風(fēng)量降低了9300 m3/h。3） 由于開(kāi)啟塔筒門(mén)風(fēng)扇增加了系統(tǒng)風(fēng)量，系統(tǒng)風(fēng)量約為2000 m3/h～5000 m3/h，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的換熱效率，因此塔筒門(mén)風(fēng)扇工作時(shí)的塔筒內(nèi)系統(tǒng)溫升低于不工作時(shí)的系統(tǒng)溫升。4） 結(jié)合計(jì)算結(jié)果和理想封閉系統(tǒng)熱平衡公式（Q=Cp×m×△T，Q為發(fā)熱功率，kW；Cp為流體介質(zhì)比熱容，kJ/（kg·℃）；m為單位時(shí)間流體介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量，kg；△T為進(jìn)出口流體介質(zhì)溫度差。）可知，當(dāng)進(jìn)口溫度一致、系統(tǒng)內(nèi)發(fā)熱體發(fā)熱功率恒定時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)（出）風(fēng)量的多少?zèng)Q定了塔筒內(nèi)溫度的大小，表現(xiàn)為高進(jìn)（出）風(fēng)量、低溫度的規(guī)律。5） 一般來(lái)說(shuō)，塔筒門(mén)窗戶(hù)和塔筒門(mén)風(fēng)扇口進(jìn)風(fēng)，頂部平臺(tái)開(kāi)孔出風(fēng)。但是當(dāng)塔筒門(mén)風(fēng)扇不工作且朝向?yàn)?0 °和90 °時(shí)，進(jìn)出風(fēng)口顛倒且風(fēng)量較低，壓制了煙囪效應(yīng)，不利于變流器散熱。

圖3 溫度和系統(tǒng)風(fēng)量柱狀圖

3.2.2 流場(chǎng)

主要朝向工況塔筒內(nèi)熱流線(xiàn)圖，如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)塔筒門(mén)風(fēng)扇不工作且朝向?yàn)?0 °和90 °時(shí)，氣流大多從塔筒門(mén)窗戶(hù)和風(fēng)扇口掠過(guò)，很少進(jìn)入塔筒內(nèi)參與對(duì)流換熱（尤其是第二層塔筒）。而當(dāng)朝向大于90 °時(shí)，由于塔筒門(mén)背風(fēng)，變流器風(fēng)扇工作后，氣流從頂部平臺(tái)開(kāi)孔處排出，使塔筒內(nèi)形成負(fù)壓，外界空氣從塔筒門(mén)窗戶(hù)和風(fēng)扇口進(jìn)入塔筒內(nèi)，并且隨著朝向角度的增大，來(lái)流空氣對(duì)塔筒內(nèi)外壓差的影響程度就會(huì)變小。但是當(dāng)塔筒門(mén)風(fēng)扇工作時(shí)，第一層塔筒內(nèi)總有空氣被吸入。

3.2.3 壓力場(chǎng)

塔筒門(mén)風(fēng)扇不工作時(shí)的風(fēng)扇口截面流場(chǎng)壓力云圖，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)朝向?yàn)? °時(shí)，塔筒門(mén)風(fēng)扇內(nèi)外壓力呈現(xiàn)外高內(nèi)低的分布，這有利于氣流通過(guò)塔筒門(mén)風(fēng)扇口進(jìn)入塔筒內(nèi)；而當(dāng)朝向?yàn)?0 °時(shí)，內(nèi)外壓力基本一致，導(dǎo)致氣流難以進(jìn)入塔筒內(nèi)。內(nèi)外壓差的不同是塔筒門(mén)朝向影響散熱效果的內(nèi)因。

4 結(jié)論

該文采用CFD方法，在測(cè)試驗(yàn)證數(shù)值模擬方法可靠性的基礎(chǔ)上，研究了塔筒門(mén)朝向?qū)λ矁?nèi)熱流場(chǎng)的影響，得到以下3個(gè)結(jié)論：1） 無(wú)論塔筒門(mén)風(fēng)扇是否工作，0 °工況（塔筒門(mén)正對(duì)來(lái)流）為最優(yōu)工況，60 °工況最不利工況。從熱流場(chǎng)的角度出發(fā)，塔筒門(mén)朝向與來(lái)流呈0 °～30 °、150 °～180 °較為適宜。2） 塔筒門(mén)風(fēng)扇工作時(shí)的溫升低于不工作時(shí)。3） 塔筒進(jìn)風(fēng)口與外流場(chǎng)的壓力差以及系統(tǒng)進(jìn)（出）風(fēng)量的多少是影響塔筒散熱的內(nèi)因，當(dāng)壓力分布為外高內(nèi)低時(shí)，進(jìn)（出）風(fēng)量越大時(shí)，散熱效果越好。

圖4 主要朝向工況流線(xiàn)圖

圖5 壓力云圖