戶內(nèi)散熱器室自然通風數(shù)值分析

邵志偉，黃亞繼，張 強，劉明濤

（1.東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102）

戶內(nèi)散熱器室自然通風數(shù)值分析

邵志偉1，黃亞繼1，張 強1，劉明濤2

（1.東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102）

利用計算流體動力學建立散熱器室通風系統(tǒng)模型，采用標準k-ε湍流模型對散熱器室的自然通風系統(tǒng)進行數(shù)值模擬研究，獲得散熱器不同截面的最高溫度分布。將散熱器不同截面處最高溫度作為衡量散熱效果的標準，研究不同導流罩類型、安裝高度和出口面積對散熱器室散熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：散熱器上方安裝凹型導流罩可有效提高散熱效果；導流罩安裝高度H＝2.9 m，出口面積比σ＝0.49時，散熱效果最好；通過比較導流罩類型、安裝高度和出口面積對散熱效果的差異，得到導流罩類型影響最大，安裝高度次之，出口面積影響最小。

散熱器室；通風；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

戶內(nèi)變電站具有占地少、噪音低、輻射小、安全性高等優(yōu)點，然而卻帶來了通風降溫難的問題［1］。變壓器是電力輸送過程中的重要設備，夏季高溫時大部分變壓器都在接近或超過滿負荷的情況下運行，因而變壓器的散熱問題已經(jīng)成為影響變壓器出力和安全運行的重要因素［2－3］。目前，戶內(nèi)與變壓器分體布置的散熱器大多底部采用機械送風的方法來強化散熱，但風機的使用不可避免地會帶來能耗和噪聲。自然通風作為既節(jié)能又能有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的通風降溫方式，越來越受到工程技術(shù)人員的青睞［4］。鑒于安裝導流罩可以改善散熱器室氣流組織，提高變壓器散熱效果的優(yōu)點，本文首次建立帶導流罩散熱器室計算流體動力學（CFD）模型，利用Fluent軟件對散熱器內(nèi)部速度場和溫度場進行分析［5］，采用散熱器不同截面的最高溫度變化對散熱效果進行評價。

1 散熱器室模型

1.1 模型簡化與邊界條件

本文將揚州某110 kV變電站散熱器室作為研究對象，采用特變電工衡陽變壓器有限公司制造的110 kV油浸有載變壓器，功率50 MVA，包括兩臺散熱器，1個進風口和6個排風口；每個散熱器有9組散熱片，每組有28片散熱片，共252片，變壓器和散熱器水平分體布置在兩個房間內(nèi)［6］。導流罩安裝在散熱器上方，導流罩由4塊鉸接在散熱器室的4面?zhèn)葔ι暇哂幸欢ɑ《鹊那嫫唇訕?gòu)成，幾何示意圖如圖1所示。散熱器室的送排風的流動過程均為湍流流動過程，模擬計算時假設：（1）流動為三維穩(wěn)態(tài)湍流；（2）散熱器為唯一熱源，圍護結(jié)構(gòu)絕熱，與外界不發(fā)生熱交換；（3）自然進風的風向均與進風口垂直，不考慮外界環(huán)境的變化對進口風向的影響，且符合Boussinesq假設。入口采用速度入口，出口采用自由出口，散熱表面采用均勻熱流。散熱器室具體計算參數(shù)見表1。

圖1 散熱器室示意圖

1.2 數(shù)學模型

散熱器與周圍空氣主要是通過對流換熱來降低溫度，散熱器室內(nèi)氣體以湍流形式流動，摻混較強的動量、熱量和質(zhì)量，通過以下方程描述［7］。

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

式中，ρ為密度；t為時間；V為速度矢量；源項Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量，源項也可以是其他自定義的源項。

1.2.2 動量守恒方程

表1 散熱器室參數(shù)

式中，p為流體微元體上的靜壓力；V為速度矢量；g和F分別代表作用在微元體上的重力體積力和其他外部體積力；τ為因分子黏性作用而產(chǎn)生的在微元體表面上的黏性應力張量。

1.2.3 能量守恒方程

式中，E為流體微團的總能；Jj為組分j的擴散通量；方程右邊前3項分別為由于導熱、組分擴散和黏性耗散所引起的能量傳遞；Sh為熱源項。

1.2.4 標準的k-ε方程

k湍流動能輸運方程：

ε湍流動能輸運方程：

選用標準的k-ε方程求解湍流對流換熱問題時，控制方程滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，其中，c1、c2、cμ、ck、σε、σT為Fluent軟件中默認的常數(shù)。

2 模擬結(jié)果與分析

散熱器內(nèi)部最高溫度是評價散熱器散熱性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標。利用控制變量的思想，通過有規(guī)律地改變散熱器參數(shù)，進行數(shù)值模擬計算，得到散熱器導流罩不同類型、安裝高度和出口面積對散熱器自然通風散熱效果的影響規(guī)律。模擬實驗方案見表2。

表2 數(shù)值模擬工況

本文對以上4種工況進行數(shù)值模擬，從導流罩安裝前后、導流罩類型、導流罩安裝高度和導流罩出口面積4個方面進行研究，得到不同截面的最高溫度變化趨勢圖（見圖2～圖10），在圖2～圖10中，坐標X表示距離進風口的距離，坐標Y表示導流罩距離地面的距離，坐標Tmax表示截面的最高溫度。

2.1 導流罩安裝前后對散熱效果影響分析

本小節(jié)為工況1的模擬結(jié)果。圖2為X＝5.77 m時截面速度矢量圖。由圖2可以看出：圖2a中未安裝導流罩時，大部分空氣從散熱器外圍流出，出口風速最大達到0.292 m／s；圖2b中安裝導流罩后，在上方檔板作用下，會促使更多冷空氣流過散熱器通道，由于噴管效應，導流罩喉部最大風速達到0.337 m／s。其主要原因是：散熱器內(nèi)部布置密集，阻力大，沒有加裝導流罩時，氣流會沿阻力小的路徑上升排出，阻力損失也較小，出口風速較大；安裝導流罩后，迫使空氣更多通過散熱器內(nèi)部，形成了局部渦流，阻力損失增大，出口風速會減小。

圖3和圖4給出了安裝導流罩前后工況下不同截面的最高溫度變化趨勢圖。由圖3可以得到：在距離進風口3.0～6.5 m時，截面溫度不斷升高；在距離進風口大于6.5 m時，截面最高溫度不斷降低。安裝導流罩后，散熱器內(nèi)部截面溫度相對來說趨于均勻，維持在42～65℃；沒有安裝導流罩時，在距離進風口小于5 m時，截面最高溫度反而有所降低，但距離進風口5～7 m時，散熱器內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度偏高現(xiàn)象。由圖4可以看出：無導流罩工況下，Y＝3.2 m處截面溫度突然異常降低，原因是該處與自然進風中心等高，氣流擾動比較劇烈；加裝導流罩后，距離地面各截面溫度明顯降低，降幅在10℃左右，比較而言，安裝導流罩后有利于散熱器室通風散熱，主要是因為安裝導流罩后，空氣更多進入散熱器內(nèi)部，氣流與散熱片表面熱交換后在熱壓差作用下上升，散熱器內(nèi)部的氣流擾動增強，增大了表面對流換熱系數(shù)，因此對散熱器通風散熱有利［8］。

圖2 X＝5．77 m截面速度矢量圖（單位：m／s）

圖3 距進風口不同位置溫度分布（工況1）

圖4 距地面不同高度溫度變化（工況1）

2．2 導流罩類型對散熱效果影響分析

本小節(jié)為工況2的模擬結(jié)果。已知加裝導流罩對氣流組織和通風效果有很大影響，本節(jié)以無導流罩工況作為參照，對安裝不同類型導流罩后散熱器的通風進行數(shù)值模擬，導流罩形狀分別為凹型、直板型和凸型，其余形狀參數(shù)均相同。

圖5為距進風口不同位置溫度分布，圖6為距地面不同高度溫度變化。從圖5和圖6可以得到：（1）不同類型的導流罩的散熱效果也不相同。不論采用哪種類型導流罩，散熱效果均有很大提高，沒有加裝導流罩時，散熱器內(nèi)部最高溫度高達90℃，凸型導流罩時只有85℃，直板導流罩時為80℃，凹型導流罩最高溫度下降到65℃。（2）隨著距離自然進風口越遠，散熱器的溫度先升高后有所下降；隨著距離地面高度增加，散熱器通道內(nèi)附近溫度急劇升高，超出散熱器高度后驟降，出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)象。顯然，散熱效果的優(yōu)劣次序為：凹型＞直板＞凸型＞無導流罩。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因如下：自然進風通過散熱器片之間的通道在其表面發(fā)生自然對流，受熱的空氣邊上升邊向前流動，不斷帶走熱量。隨著氣體流動的深入，氣流速度減小，熱邊界層厚度逐漸增厚，有限空間內(nèi)空氣外掠平板換熱的局部傳熱系數(shù)逐漸減小并趨于不變，使表面熱量散失困難，溫度快速升高，達到最大值后又開始下降，是因為散熱器外部的冷空氣摻混進去，導致上方區(qū)域溫度降低。凹型導流罩之所以散熱效果最好，是因為在噴管效應作用下，使散熱器室內(nèi)上下熱壓差加大，增強散熱器內(nèi)部的擾動，提高對流換熱系數(shù)，同時減少從散熱器外部直接排出的無效空氣［9］。

圖5 距進風口不同位置溫度分布（工況2

圖6 距地面不同高度溫度變化（工況2）

2．3 導流罩高度對散熱效果影響

本小節(jié)為工況3的模擬結(jié)果，圖7和圖8給出了導流罩安裝高度分別為H＝2.9 m，3.9 m，4.9 m，5.9 m下的最高溫度變化趨勢圖。從圖7和圖8中可以得到：當導流罩安裝高度H＝5.9 m下降到H＝2.9 m時，距離進風口X＝5.77 m截面最高溫度從85℃降低到62℃，距離地面Y＝2.6 m截面最高溫度從90℃降低到55℃，而且散熱器同一截面的最高溫度均有所降低，這說明導流罩安裝越低，對散熱越有利。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是導流罩安裝高度降低，一方面減少了從導流罩下方直接排出的無效冷空氣；另一方面可促使冷空氣更多地流過散熱器內(nèi)部，增強內(nèi)部氣流擾動，從而提高散熱效果［10］。總之，隨著導流罩安裝高度的降低，散熱器內(nèi)部截面最高溫度在不斷下降，降幅為2～8℃，當安裝高度H＝2.9 m時，散熱器的散熱效果最好。

圖7 距進風口不同位置溫度分布（工況3）

圖8 距地面不同高度溫度變化（工況3）

2.4 導流罩出口面積對散熱效果影響

本小節(jié)為工況4的模擬結(jié)果，定義σ為導流罩出口面積與散熱器橫截面積的比值。圖9和圖10給出了σ＝0.01，σ＝0.16，σ＝0.49，σ＝1.00，σ＝1.69工況下的最高溫度變化趨勢圖。由圖9可知：隨著距進風口越遠，散熱器不同截面最高溫度先升高后降低，在X＝5 m截面處溫度達到最高；當σ＝0.49時，距進風口不同截面最高溫度均為最低。由圖10可知：距離地面越高，散熱器內(nèi)部溫度先升高，達到最大值后降低，在距離地面Y＝2.9 m處溫度達到最高；隨著σ的增大，同一截面最高溫度的變化沒有明顯規(guī)律性，但當σ＝0.49時，距離地面不同高度截面最高溫度也為最低，說明導流罩出口面積的變化對散熱器散熱的影響效果比較復雜。主要原因是導流罩出口面積變小，散熱器上部熱空氣不能快速排出，外面冷空氣不能及時進入，熱空氣在散熱器上部聚集，散熱器上部區(qū)域傳熱惡化，但同時氣流與散熱器片的接觸時間變長，也會對傳熱造成影響；出口面積過大，會造成氣流短路直接排出，導流罩基本形同虛設，流過散熱器內(nèi)部的空氣減少，接近沒有安裝導流罩時的情形［11］。因此，雖然導流罩出口面積大小對散熱器通風影響較復雜，但存在最佳值，當σ＝0.49，散熱器下部最高溫度不超過40℃，散熱器上部最高溫度不超過65℃，綜合散熱效果最好。

圖9 距進風口不同位置溫度分布（工況4）

圖10 距地面不同高度溫度變化（工況4）

3 結(jié)論

（1）散熱器室內(nèi)氣流組織的流場和不同截面的最高溫度變化結(jié)果可用來預測散熱器的散熱效果。

（2）在散熱器上方加裝導流罩，有利于散熱器室散熱，可使散熱器內(nèi)部溫度降低，對變壓器正常運行有利；不同的導流罩類型對散熱器室散熱影響不同，散熱效果順序為：凹型＞直板＞凸型。

（3）綜合比較導流罩類型、安裝高度和出口面積對散熱效果的影響，導流罩類型影響最大，安裝高度次之，出口面積影響最小。

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TU834

A

1672－6871（2014）06－0066－05

國家自然科學基金項目（51006023）；江蘇省環(huán)保廳基金項目（2012027）

邵志偉（1987－），男，安徽阜陽人，碩士生；黃亞繼（1975－），男，江蘇南京人，教授，博士，博士生導師，研究方向為變電站自然通風和固體廢物資源化利用及潔凈煤技術(shù).

2013－07－27