發電機組溫度場數值模擬及分析

譚禮斌，袁越錦

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

發電機組作為備用動力電源，在大型商場、醫院及高校等公共場所運用廣泛[1]。發電機組散熱性能與其工作性能密切相關，散熱較差會導致其在實際運行中達不到額定功率。隨著計算機技術的發展，采用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）方法對發電機組速度場及溫度場進行性能分析已成為機組散熱性能評估的重要手段[2-4]。曲宏偉等[5]利用Solidworks 對1.5 MW 雙饋風力發電機組進行物理模型構建并采用Flowsimulation 插件進行了不同風速下機組流場特性的模擬，發現流風速越大,機組下風向速度恢復的長度越長。譚禮斌等基于CFD 方法對發電機組流場進行了數值模擬，并針對散熱不足進行了結構優化，為機組結構改進提供了理論指導[6-7]。尹曉青等[8]利用三維軟件Fluent 完成機艙內空氣流動、風速等參數的計算,再利用一維軟件Kuli 對模型進行溫度對標分析，為機組熱平衡的設計及仿真提供了溫度數據參考。Chen等[9]利用共軛傳熱的分析方法研究了熱流體側對固體零件傳熱特性和發電機性能的影響。目前，針對大型發電機組散熱性能進行量化分析的研究較少，然而搭建發電機組溫度場分析模型，對機組溫度場進行模擬分析，可定量地對發電機組散熱性能進行評估，更有利于全面了解發電機組散熱性能。本研究以某發電機組為研究對象，基于CFD分析方法，搭建發電機組溫度場分析模型，利用STAR-CCM+中耦合分析（Co-simulation）方法實現溫度場模擬的求解，獲得各冷卻風道風量分布、部件表面風速場及溫度場分布，為發電機組散熱冷卻性能評估提供量化數據參考。

1 物理模型

某發電機組三維模型采用CATIA 2014 進行1∶1 等比例繪制，然后經過模型前處理后導入流體分析軟件STAR-CCM+，創建發電機組外流域計算域模型，如圖1 所示。發電機組外框總體尺寸為長700 mm，寬500 mm，高 596 mm。虛擬外框計算環境域是按照實際測試房間尺寸繪制的，尺寸為長5 m，寬3.5 m，高2.7 m。圖2 為發電機組外流域網格劃分示意圖。首先采用包面及網格重構的方式實現發電機組外流場域面網格的劃分，然后采用多面體網格（polyhedral mesh）和切割體網格（trimmer mesh）技術進行發電機組外流域體網格的劃分，劃分完成后的外流場域網格數量約為3 200 萬。圖3為排氣消聲器內流域網格示意圖。它采用切割體網格（trimmer mesh）實現，網格數量約為200 萬。圖4為固體部件網格模型示意圖。固體部件采用多面體網格（polyhedral mesh）和薄壁層網格（thin mesh）技術實現網格劃分。固體模型一共包含97 個部件，包含了所有的熱源部件及重要的熱源通道。固體網格數量約為1 400 萬。

圖1 發電機組模型圖Fig.1 Generator unit model diagram

圖2 發電機組外流域網格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of the watershed grid division outside of the generator unit

圖3 排氣消聲器內流域網格示意圖Fig.3 Schematic diagram of the drainage basin grid in the exhaust muffler

圖4 固體部件網格示意圖Fig.4 Schematic diagram of the solid component mesh

2 數學模型

計算流體動力學基本控制方程包括連續性方程（質量守恒方程）、Navier-Stokes 方程（動量守恒方程）、能量守恒方程[10-11]。本文假設發電機組內部氣流流動為穩態的湍流流動，流體介質為不可壓縮流體。湍流流動選用STAR-CCM+中Realizablek-ε湍流模型進行求解。依據上述模型的簡化及湍流模型的選擇，模擬過程中涉及的相關數學控制方程[12-13]如下。

1）連續方程為

2）動量方程（N-S 方程）為：

3）能量方程為

式（1）（2）（3）中：u、v、w為速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；Fx、Fy、Fz為體積力，N；μ為流體黏度系數，Pa·s；p是流體微元體上的壓力，Pa；T是溫度，K；λ為流體換熱系數，W/m2·K；cp為流體定壓比熱容，J/(kg·K)；?為拉普拉斯算子；φd為能量耗散項，流速不高時一般可以忽略。

4）k-ε湍流模型方程為：

式中：t為時間，s；xi和xj為2 個方向坐標分量，m；ui為i方向速度分量，m/s；μt為渦流運動黏滯系數，k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率,m2/s3；Gk為速度梯度產生的湍動能項；Gb為浮力產生的湍動能項；YM為膨脹耗散項；C1ε，C2ε，C3ε為經驗常數；Prk，Prε分別為與湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數，Sk和Sε為用戶定義源項。

5）輻射傳熱模型。

輻射模型采用STAR-CCM+11.06 的Surface to Surface Radiation 模型，類型為Gray Thermal Radiation。表面A1和表面A2間輻射換熱能量的計算公式為

式中：φb12為輻射能量，W；X12、X21為角系數；A1、A2為表面積，m2；Eb1、Eb2為輻射能力，W/m2。

3 邊界條件及數值求解

模擬求解前需要設置相應的邊界條件，具體設置如下。

1）流體側。

風扇及飛輪：采用旋轉參考坐標系方法(moving reference frame，MRF）實現，轉速為3 600 r/min。

流體屬性：20 ℃標準大氣壓下的理想氣體。

入口：滯止入口。

出口：出口設置為壓力出口，壓力為0 Pa。其余設置為無滑移壁面邊界。

消聲器內流域入口：質量流量入口，入口流量為0.011 285 6 kg/s,溫度為 615 ℃。

消聲器內流域出口：壓力出口。

2）固體側。

發動機主體內部表面熱邊界：曲軸箱體內部2 個表面溫度均設置為110 ℃，換熱系數為80 W/m2·K；缸頭內表面溫度設置為120 ℃，換熱系數為60 W/m2·K。

固體部件及材料：發動機主體材料為鋁，導熱率為193 W/m·K，密度為 2 800 kg/m3，比熱容為880 J/kg·K，輻射發射率為 0.4；消聲器主體及消聲器護罩材料為不銹鋼，其導熱率為15.1 W/m·K，密度為 8 055 kg/m3，比熱容為580 J/kg·K，輻射發射率為 0.9；電機定子材料為銅，其導熱率為398 W/m·K，密度為 8 930 kg/m3，比熱容為3 850 J/kg·K，輻射發射率為 0.15，每個定子發熱量為32 W，如圖5 所示，共33 個發熱源，總發熱量為1 056 W；導流罩材料為塑料，導熱率為0.19 W/m·K，密度為 1 060 kg/m3，比熱容為1 424 J/kg·K，輻射發射率為 0.9；變頻器結構較復雜，主要由散熱片、電路板、內部填充物和IGBT 組成，其結構示意圖如圖6 所示，其散熱片材料為鋁，電路板材料為塑料，內部填充物材料為環氧樹脂，其導熱率為0.795 W/m·K，密度為1 800 kg/m3，比熱容為500 J/kg·K，輻射發射率為0.9，IGBT 材料為硅，其導熱率為148 W/m·K，密度為 2 329 kg/m3，比熱容為713 J/kg·K，輻射發射率為0.9，變頻器內部共有12 個IGBT，其中8 個發熱量為62.5 W，4 個發熱量為50 W。

圖5 電機及其定子發熱量示意圖Fig.5 Schematic diagram of motor and its stator

圖6 變頻器結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the frequency converter structure

本文采用STAR-CCM+耦合分析（co-simulatiom）方法中雙向耦合方式實現流體側和固體側間的數據交互。雙向耦合是指2 個仿真模型（流體域仿真模型和固體域仿真模型）互相傳遞數據，主模型leading simulation 計算完成后將數據通過映射及傳遞的方式賦予給從模型lagging simulation，待從模型接收到數據并完成計算后又反饋給主模型，直到2 個模型都達到收斂標準后計算完成。圖7 為溫度場分析模型搭建流程及數據交互示意圖。發電機組溫度場分析模型中，固體模型將固體溫度計算結果傳遞給流體，流體模型將熱通量（溫度和換熱系數）反饋給固體，具體分析流程如圖8 所示。

圖7 溫度場分析模型搭建流程及數據交互Fig.7 Temperature field analysis model construction process and data interaction

圖8 流固耦合仿真分析流程圖Fig.8 Flow chart of solid coupling simulation analysis

4 計算結果分析與討論

4.1 實驗驗證

圖9 為熱害部件消聲器前護罩溫度分布云圖及取點示意圖。將獲取的各點溫度與實驗值進行對比，如圖10 所示。消聲器護罩溫度實驗值的采取方法是：采用高溫膠將K 型熱電偶測溫線（測溫范圍為-200～260 ℃，精度為±1 ℃）的溫度探頭粘貼到消聲器護罩表面，另一端與數據采集器（DEWESoft數據采集儀，奧地利）相連接，然后將發電機組放置在空曠恒溫房間內，讓其在最大功率點下持續運行直到監測點溫度達到平衡，記錄相應的實驗數據。從圖10 中可以看出，消聲器前護罩表面溫度實測值與仿真值基本吻合，最大溫度差約為5.8 ℃，相對誤差約為4.9%，誤差在可以接受范圍。可見，本文構建的分析模型是有效的。

圖9 消聲器前護罩表面溫度分布及取點示意圖Fig.9 Surface temperature distribution and point drawing of front muffler shield

圖10 消聲器前護罩表面溫度實驗與仿真對比圖Fig.10 Comparison diagram between surface temperature experiment and simulation of front muffler shield

4.2 流場分布

圖11為X=-0.28 截面的速度分布云圖。從圖7中可以看出，冷卻風從進氣格柵進入，流經變頻器后，進入旋轉風扇域，通過風扇的旋轉作用，將風導向發動機主體（缸頭及箱體部分），最后流入消聲器內，從排氣格柵流出。整體速度分布比較均勻。圖12 為整機流線圖。從圖中可以很清晰地看出，冷卻風的流經路徑是：冷卻風扇旋轉吸風→風吹向缸頭→缸頭導流作用將風導入消聲器罩→冷卻完消聲器表面后從出口流出。通過冷卻風的作用，高溫部件（缸頭及消聲器）得到較好的散熱。圖13 為消聲器內流速度流線圖。由圖可知，消聲器內部流動較順暢，不存在較大的速度梯度及流動死區。

圖11 X=-0.28 截面速度云圖分布Fig.11 Cloud map distribution of the cross-section velocity in X=-0.28

圖12 整機內部流線圖Fig.12 Internal streamline diagram of the whole machine

圖13 消聲器內流速度流線圖Fig.13 Muffler internal flow velocity flow line diagram

圖14 為發動機表面速度分布云圖。從圖中可以看出，發動機缸頭及箱體底部風速分布較好，利于冷卻。圖15 為發動機冷卻風道速度截面及變頻器散熱片速度截面速度云圖分布。從圖中可以看出：發動機火花塞側速度較大，說明流經火花塞側的冷卻風越多，有利于此側高溫區域的冷卻；變頻器散熱片截面的流速分布呈現中間區域流速高、邊緣區域流速低的趨勢，變頻器主體中間區域為熱源區域，流速越高有利于熱源件的散熱。

圖14 發動機表面速度分布云圖Fig.14 Cloud map of the engine surface velocity distribution

圖15 截面速度分布云圖Fig.15 Cloud map of the cross-section velocity distribution

4.3 固體溫度場分布

圖16 為發動機主體表面溫度分布云圖。由圖可以看出，發動機表面溫度整體分布相對較均勻，火花塞區域（或排氣管接口位置）溫度最高，約為200 ℃，未超過220 ℃的溫度極限。

圖16 發動機缸體溫度分布云圖Fig.16 Cloud diagram of the engine cylinder mass temperature distribution

圖17 為排氣系統輻射能量分布云圖。圖中負值代表向外輻射熱量，正值代表吸收外界輻射過來的熱量。從圖中可以看出：消聲器排氣管的輻射熱量值為負，表示該區域主要是向外輻射熱量，影響周圍部件或空氣的溫度變化；消聲器罩及消聲器表面的輻射熱量為正值，表示該區域從外界吸收輻射過來的熱量，因此消聲器的溫度相比其他部件溫度較高。

圖17 排氣系統輻射能量分布云圖Fig.17 Cloud map of the radiation energy distribution of the exhaust system

圖18 為發電機組溫度場分析中主要熱源部件的溫度分布云圖。從圖中可以看出，定子及其繞組線圈最大溫度約為120 ℃，未超過線圈最高溫度不得超過150 ℃的承受范圍。變頻器系統的最大溫度是91.66 ℃，略高于90 ℃，后續可嘗試適當增加進氣格柵面積，提升總體散熱風量，來改善變頻器的散熱性能。排氣消聲器固體的最大溫度約為400 ℃（內插管表面溫度），溫度分布較均勻。

圖18 主要熱源部件溫度分布云圖Fig.18 Cloud map of the temperature distribution of the main heat source components

綜上，本文通過搭建發電機組流場及溫度場分析模型，獲得了機組內部各個固體部件的溫度分布情況，為整機散熱的定量化評估提供了溫度數據參考。

5 結論

本文基于CFD 方法，利用STAR-CCM+中cosimulation 方法搭建了發電機組溫度場分析模型，分析了各冷卻風道風量分布、部件表面風速場及溫度場分布情況。基于分析得出結論如下。

1）發電機動力部件、發動機缸頭及箱體表面速度分布較均勻，不存在速度死區；消聲器內部流動較順暢，不存在較大的速度梯度及流動死區；發電機組內部氣流流動較順暢，利于機組散熱冷卻。

2）消聲器護罩表面溫度仿真值與實驗值誤差為4.9%，誤差在可接受范圍，從而驗證了流固耦合分析模型的有效性。溫度場結果表明：發動機表面溫度較高區域出現在排氣管接口附近，溫度約為200 ℃；定子及其繞組線圈最大溫度約為120 ℃，未超過線圈最高溫度不得超過150 ℃的承受范圍；變頻器系統最大溫度約為91.66 ℃。