配電室通風室內溫度場分布CFD數值模擬可靠性分析

秦學深

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

【關鍵詞】配電室 數值模擬 溫度場分布 可靠性分析

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

采用CFD數值模擬的方法可以在配電室設計建設完成前，對室內的氣流組織進行預見及合理調整，但任何數值模擬會與實際運行工況存在差異，為提高數值模擬在配電室通風設計中的可靠性，利用實際運行中配電室空氣參數測量數據對比分析同一空間點的數值模擬計算結果，為今后掌握配電室內溫度場數值模擬數據與相應空間點的實測數據差異度及模擬結果可靠性提供依據。

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、建筑物和設備尺寸等均為已完工建設工程數值，并根據數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

室內的空氣運動中滿足氣體連續方程、動量方程和能量方程。

連續方程：

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為分子導熱率；kt為湍流擴散引起的導熱率kt= Cpμt/Prt；Sh為體積熱源。

1.2.2 湍流模型

（1）室內零方程模型。Chen等人提出一種新的零方程模型用以解決通風空調房間氣流組織的數值計算問題，該模型的基本思想是將湍流黏度歸結為當地平均速度和長度尺度的函數。即：

（2）RNGk-模型。RNG算法從暫態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，為空氣有效粘性系數，為湍流能量耗散率參量。

2 數值模擬

2.1 邊界條件及預期值

根據實際工程測試結果，設置模型模擬邊界條件，通過進風百葉進入室內的空氣溫度為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數值模擬代數方程，其終止標準按照連續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 數據對比與分析

配電室內干式變壓器上部、下部百葉口處實測溫度數值，分別于相應模型中各點模擬溫度數值對比，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據的對比分析，其溫度場測量值與數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。

3 結語

本文通過Airpak建立實際工程配電室室內氣流組織數值模擬模型，通過計算將干式變壓器附近各空間點溫度場數值與相應的實際測量數據進行對比，得出如下結論：

（1）配電室內干式變壓器設備附近溫度場的數值模擬結果與相應各空間點實測數據在數值變化趨勢上吻合；

（2）各空間點溫度的數值模擬計算結果均高于其實際測量數值2℃以內。

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

參考文獻：

[1]《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[S].北京：中國計劃出版社，2015：38-41.

[2]《實用供熱空調設計手冊》[K].北京：中國建筑工業出版社，2008：969-980.

[3]《計算流體力學分析》[M].北京：清華大學出版社，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通風房間氣流組織數值模擬的研究[J].暖通空調，2006，36（8）：19-24.

[6]胡文斌，劉麗娜.半地下變電站室內通風與氣流組織分析[J].哈爾濱商業大學學報，第27卷第3期，2011.6，346-349.