戶外雙層智能柜內溫度場模擬與驗證

周美娟，王立錚，趙保偉

（鄭州科技學院 機械工程學院，河南 鄭州 450064）

0 引 言

隨著工業的發展，智能化控制設備應用越來越普及，智能變電站代替傳統電站已經是一種新的趨勢。夏季在戶外無遮擋的情況下，環境溫度超過40 ℃，密閉機柜內部的溫度超過允許范圍（-10 ～-55 ℃），裝置長時間在超負荷高溫下運行，會引起電器元件的性能降低，產生故障甚至爆炸，因此智能柜在設計時應考慮的關鍵問題是柜內溫度的調控。此外，根據其工作環境，智能柜除了具有對外部環境一定的隔離功能外，還應具有防塵、防水、防太陽輻射的功能。

在關于智能柜溫度調控的研究上，朱云霄等介紹了戶外智能柜散熱和保溫設計方法，分析了最常用的風機散熱問題及風機的選型。張洋等針對智能柜不同的散熱方式，利用SolidWorks 軟件對風機的散熱進行分析和優化。郭勝軍等以變電站內戶外機柜為例，對戶外機柜熱設計的要素和方案進行仿真比較，認為智能柜在單層結構和箱體不開孔的情況下，通風和散熱效果較差，內部需增加強制對流風機，風機安裝在柜體的下部對溫控有利。綜上所述，以往的研究主要是針對戶外單層智能柜以及散熱方式等問題，但關于戶外雙層智能柜的結構及其內部溫度的分布規律研究的較少。

在基于CFD 的研究上，A.M.Foster 等介紹了在優化冷藏陳列柜性能中，為了解不同結構下柜內溫度場的分布狀況，結合CFD 對陳列柜進行數值模擬，可以預測展示柜的空氣流動，短時間內可以優化陳列柜的性能。Y.T.Ge 等介紹了冷藏陳列柜在基于CFD 下，運用FLUENT 軟件對陳列柜數值模擬，通過實驗驗證了其模型的有效性，可為其他類型柜體的數值模擬提供參考。通過上述研究說明CFD 是一種可行的數值模擬。

因此本文針對戶外雙層智能柜的散熱問題，首先運用Gambit 軟件建立戶外雙層智能柜的模型，并進行網格劃分，然后利用FLUENT 軟件，采用數值模擬的方法研究戶外雙層智能柜在不同環境溫度下柜內溫度的變化規律，為了驗證數值模擬的準確性，對該模擬進行實驗研究。旨在獲得基準模型，為更好地對戶外雙層智能柜內的溫度進行調控奠定一定的基礎。

1 戶外雙層智能柜的物理模型及實驗設置

1.1 戶外雙層智能柜物理模型

戶外雙層柜智能柜的結構如圖1所示，圖1（a）為戶外雙層智能柜的外觀結構，戶外雙層智能柜的尺寸為1 800 mm×964 mm×1 930 mm，圖1（b）為戶外雙層智能柜體的結構示意圖。從圖1（b）中可以看出，機柜的前門、后門、側板、頂蓋均為雙層結構。柜體兩側板和頂蓋粘接有隔熱棉、防止太陽輻射對機柜內部環境產生影響，同時側板雙層夾板上下端開放結構，有利于增加散熱效果，并且柜體表面采用噴漆工藝，對于太陽輻射多了一層防護。柜體頂部布置兩個大功率風機，風機口直徑220 mm，每個風機的排風量在8 m/min。柜體前后門板上均開有百葉窗通風口，百葉窗后面裝有通風效果較好的過濾棉，防止灰塵由呼吸窗進到柜體內部。柜體內外側板尺寸25 mm，外側板選用的是輻射率高、隔熱效果好的材料（不銹鋼），內側板選用鋁板（5052）。

圖1 戶外雙層智能柜

1.2 實驗設置

戶外雙層智能柜內裝有2 臺40 W 的智能元件，柜體頂部裝有兩個大功率的風機，在智能室（右側）與傳統室（左側）之間裝有溫度感應器，溫度感應器的作用是當柜內平均溫度達到40 ℃，風機會自動啟動。智能柜的空氣流通主要有兩個途徑，途徑一如圖2（a）所示，空氣通過門板的百葉窗進入柜內，途經智能元件，然后被頂部的兩臺風機排出，其流通方式屬于強制對流。途徑二如圖2（b）所示空氣經過外側板和內側板的間隔縫隙，由外部側板底部的通風孔排出，以達到柜體內外氣體交換要求，其流通的方式為自由對流。

圖2 空氣流通示意圖

為了驗證數值模擬的準確性，將工廠車間加熱房內的溫度調到與數值模擬相同的溫度，加熱房的最高溫度可達到90 ℃，整個加熱房進行了保溫、隔熱、防潮等處理。實驗器材：如圖1所示的雙層智能控制柜一臺，電器元件采用上海克拉加熱器JB/T 7836.3-2005，電機用電加熱器防爆型翅片管電加熱器，功率40 W。風機型號SA22060CA2HT，風機排風量為8 m/min。溫度計采用的是留點溫度計，量程為0 ～100 ℃，工作原理和體溫計相同，溫度采樣點如圖2所示的點1 ～12，采樣點的布置是根據空氣的流動方向設置的。

2 數值計算

2.1 控制方程及邊界條件

求解基于不可壓縮的三維紊流流體流固耦合穩態傳熱問題，在常物性和宏觀熱能守恒的假設下，對于固體的導熱計算應遵循傅立葉定律，同時流體流動和傳熱必須滿足連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒定律。

計算選用simple 算法，采用三維不可壓縮，且滿足Boussinesq 假設，湍流、穩態模型，忽略黏性耗散。殘差、連續方程、湍流參數和動量方程的收斂的標準為10，能量方程的收斂標準為10。

控制方程：div（）=div（Γgradφ）+S其中，為通用變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項，與值相對應。控制方程的各變量如表1所示。

表1 控制方程各變量

由于戶外雙層智能柜的結構復雜，前處理采用Gambit軟件進行建模和網格劃分，為了保證該模型能夠準確地反映柜內溫度梯度和氣流組織狀況，在進行網格劃分時，對戶外雙層智能柜的排氣部分（進風口、排風風機、出風口等）進行了局部加密，并采用非結構網格對其進行網格劃分。由于智能柜的結構相對復雜，因此在保證相關物理量準確的前提下，建立模型時對柜體做了以下簡化與假設：（1）忽略側板的空氣對流，因為側板之間的間距很小，屬于自由對流。（2）忽略周圍空氣溫度對流，智能柜壁面的溫度恒定。（3）忽略柜內支撐桿對流場的影響。

柜體邊界條件：設定環境溫度，實驗測取相應的壁面溫度。Fluent 中進口選用速度入口（velocity-inlet），假設入口來流的速度均勻分布，忽略重力場的影響，進口速度根據選用的風機排風量來確定，溫度為環境溫度。出口選用outflow。柜內2 塊40 W 的智能元件，邊界條件是熱源source terms，設置其熱流密度q（w/m）。計算結果的處理方法見文獻[7]。

2.2 數值計算結果

采用該模型對戶外雙層智能柜內部的溫度場進行研究。由于戶外雙層智能柜的工作環境溫度通常是40 ℃和50 ℃，因此對智能柜進行數值模擬時選用環境溫度為40 ℃和50℃。計算結果如圖3所示，由圖可知環境溫度40 ℃和50℃時柜體內部的溫度分布情況。從數值模擬結果的截面圖（=480）可以清晰地看出柜體內部空氣流動過程中所產生的溫度梯度，環境溫度為40 ℃時，柜內的最高溫度為324 K（50.85 ℃），環境溫度為50 ℃時，柜內的最高溫度為335 K（61.85 ℃），二者的最高溫度均是柜體內智能元件的溫度，且下側智能元件比上側智能元件的溫度略低。百葉窗口附近的溫度較低，因百葉窗是外部空氣的主要進口，柜體底部的溫度比百葉窗附近的溫度略高，原因在于外部空氣進入柜體內，隨著排風機的運行，氣流向上流動，較少的氣流在柜體下側循環流動，智能元件發出的熱量被帶到柜體頂部，然后從頂部的百葉窗排到柜外。此外，由圖可以看出，風機附近的溫度略高于百葉窗附近的溫度，這是由于柜體內部的熱量由風機帶動排出，進而實現柜體內部溫度的降低。

圖3 環境溫度為40℃和50℃的溫度場分布（y=480）

3 數值模擬與實驗的對比分析

實驗開始前，首先將加熱房溫度調到40 ℃和50 ℃，然后開啟戶外雙層智能柜，使智能柜內部的智能元件和風機運行一段時間，保證智能柜的速度場處于一個比較穩定的狀態。溫度采樣點的布置如圖2所示，表2給出了環境溫度在40℃和50 ℃時，各個采樣點的溫度值，由表中數據可知柜體內部溫度的分布規律，柜體中部采樣點的溫度值偏高，進風口和出風口的溫度偏低，這是由于柜內中部的熱量流通性較進風口和出風口略差，將實驗與模擬值對比發現，實驗值較模擬值略高。

表2 環境溫度40 ℃和50 ℃的模擬和實驗溫度值

為了更好地驗證數值模擬結果的準確性，又因智能元件是智能柜正常運行的重要組件，因此進一步研究了6 種（30 ～90 ℃）不同環境溫度下智能元件表面的溫度值，即采樣點2 和6，研究結果如圖4所示。由4 圖可知，隨著環境溫度的升高，采樣點2 和6 的溫度逐漸升高，將數值模擬與實驗的數值進行了對比發現實驗值較模擬值略高。按模型量綱化指標中的均方根差對各物理參數工況下的結果進行分析，得出：環境溫度為40 ℃和50 ℃時溫度的均方根差（RMSE）分別為6.14%和7.2%。點2 和6 在不同工況下溫度的均方根差（RMSE）分別為4.1%和2.1%。整個模擬的平均RMSE 為4.9%。

圖4 采樣點2 和6 在不同環境溫度下的溫度特點

由上述分析可見，該數值模擬結果是可靠的，說明該CFD 模型可以作為基準模型，將其用于其他工況下戶外雙層智能柜內溫度場和流場的數值模擬，進而實現戶外雙層智能柜內溫度控制的研究。

4 結 論

本文以戶外雙層智能柜作為研究對象，通過數值模擬和實驗對智能柜內部的溫度進行了研究，將二者進行了對比，發現：（1）數值模擬和實驗結果基本吻合，整個模擬的平均均方根差為4.9%。（2）獲得了模擬戶外雙層智能柜的基準模型，為能夠更好控制柜體內部溫度，以及智能柜的結構優化研究提供了模型基礎。