户内散热器室自然通风数值分析

邵志伟，黄亚继，张 强，刘明涛

（1.东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102）

户内散热器室自然通风数值分析

邵志伟1，黄亚继1，张 强1，刘明涛2

（1.东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102）

利用计算流体动力学建立散热器室通风系统模型，采用标准k-ε湍流模型对散热器室的自然通风系统进行数值模拟研究，获得散热器不同截面的最高温度分布。将散热器不同截面处最高温度作为衡量散热效果的标准，研究不同导流罩类型、安装高度和出口面积对散热器室散热的影响规律。研究结果表明：散热器上方安装凹型导流罩可有效提高散热效果；导流罩安装高度H＝2.9 m，出口面积比σ＝0.49时，散热效果最好；通过比较导流罩类型、安装高度和出口面积对散热效果的差异，得到导流罩类型影响最大，安装高度次之，出口面积影响最小。

散热器室；通风；数值模拟；优化

0 引言

户内变电站具有占地少、噪音低、辐射小、安全性高等优点，然而却带来了通风降温难的问题［1］。变压器是电力输送过程中的重要设备，夏季高温时大部分变压器都在接近或超过满负荷的情况下运行，因而变压器的散热问题已经成为影响变压器出力和安全运行的重要因素［2－3］。目前，户内与变压器分体布置的散热器大多底部采用机械送风的方法来强化散热，但风机的使用不可避免地会带来能耗和噪声。自然通风作为既节能又能有效改善室内空气品质的通风降温方式，越来越受到工程技术人员的青睐［4］。鉴于安装导流罩可以改善散热器室气流组织，提高变压器散热效果的优点，本文首次建立带导流罩散热器室计算流体动力学（CFD）模型，利用Fluent软件对散热器内部速度场和温度场进行分析［5］，采用散热器不同截面的最高温度变化对散热效果进行评价。

1 散热器室模型

1.1 模型简化与边界条件

本文将扬州某110 kV变电站散热器室作为研究对象，采用特变电工衡阳变压器有限公司制造的110 kV油浸有载变压器，功率50 MVA，包括两台散热器，1个进风口和6个排风口；每个散热器有9组散热片，每组有28片散热片，共252片，变压器和散热器水平分体布置在两个房间内［6］。导流罩安装在散热器上方，导流罩由4块铰接在散热器室的4面侧墙上具有一定弧度的曲面拼接构成，几何示意图如图1所示。散热器室的送排风的流动过程均为湍流流动过程，模拟计算时假设：（1）流动为三维稳态湍流；（2）散热器为唯一热源，围护结构绝热，与外界不发生热交换；（3）自然进风的风向均与进风口垂直，不考虑外界环境的变化对进口风向的影响，且符合Boussinesq假设。入口采用速度入口，出口采用自由出口，散热表面采用均匀热流。散热器室具体计算参数见表1。

图1 散热器室示意图

1.2 数学模型

散热器与周围空气主要是通过对流换热来降低温度，散热器室内气体以湍流形式流动，掺混较强的动量、热量和质量，通过以下方程描述［7］。

1.2.1 质量守恒方程

式中，ρ为密度；t为时间；V为速度矢量；源项Sm是加入到连续相的质量，源项也可以是其他自定义的源项。

1.2.2 动量守恒方程

表1 散热器室参数

式中，p为流体微元体上的静压力；V为速度矢量；g和F分别代表作用在微元体上的重力体积力和其他外部体积力；τ为因分子黏性作用而产生的在微元体表面上的黏性应力张量。

1.2.3 能量守恒方程

式中，E为流体微团的总能；Jj为组分j的扩散通量；方程右边前3项分别为由于导热、组分扩散和黏性耗散所引起的能量传递；Sh为热源项。

1.2.4 标准的k-ε方程

k湍流动能输运方程：

ε湍流动能输运方程：

选用标准的k-ε方程求解湍流对流换热问题时，控制方程满足质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，其中，c1、c2、cμ、ck、σε、σT为Fluent软件中默认的常数。

2 模拟结果与分析

散热器内部最高温度是评价散热器散热性能优劣的关键指标。利用控制变量的思想，通过有规律地改变散热器参数，进行数值模拟计算，得到散热器导流罩不同类型、安装高度和出口面积对散热器自然通风散热效果的影响规律。模拟实验方案见表2。

表2 数值模拟工况

本文对以上4种工况进行数值模拟，从导流罩安装前后、导流罩类型、导流罩安装高度和导流罩出口面积4个方面进行研究，得到不同截面的最高温度变化趋势图（见图2～图10），在图2～图10中，坐标X表示距离进风口的距离，坐标Y表示导流罩距离地面的距离，坐标Tmax表示截面的最高温度。

2.1 导流罩安装前后对散热效果影响分析

本小节为工况1的模拟结果。图2为X＝5.77 m时截面速度矢量图。由图2可以看出：图2a中未安装导流罩时，大部分空气从散热器外围流出，出口风速最大达到0.292 m／s；图2b中安装导流罩后，在上方档板作用下，会促使更多冷空气流过散热器通道，由于喷管效应，导流罩喉部最大风速达到0.337 m／s。其主要原因是：散热器内部布置密集，阻力大，没有加装导流罩时，气流会沿阻力小的路径上升排出，阻力损失也较小，出口风速较大；安装导流罩后，迫使空气更多通过散热器内部，形成了局部涡流，阻力损失增大，出口风速会减小。

图3和图4给出了安装导流罩前后工况下不同截面的最高温度变化趋势图。由图3可以得到：在距离进风口3.0～6.5 m时，截面温度不断升高；在距离进风口大于6.5 m时，截面最高温度不断降低。安装导流罩后，散热器内部截面温度相对来说趋于均匀，维持在42～65℃；没有安装导流罩时，在距离进风口小于5 m时，截面最高温度反而有所降低，但距离进风口5～7 m时，散热器内部出现局部温度偏高现象。由图4可以看出：无导流罩工况下，Y＝3.2 m处截面温度突然异常降低，原因是该处与自然进风中心等高，气流扰动比较剧烈；加装导流罩后，距离地面各截面温度明显降低，降幅在10℃左右，比较而言，安装导流罩后有利于散热器室通风散热，主要是因为安装导流罩后，空气更多进入散热器内部，气流与散热片表面热交换后在热压差作用下上升，散热器内部的气流扰动增强，增大了表面对流换热系数，因此对散热器通风散热有利［8］。

图2 X＝5．77 m截面速度矢量图（单位：m／s）

图3 距进风口不同位置温度分布（工况1）

图4 距地面不同高度温度变化（工况1）

2．2 导流罩类型对散热效果影响分析

本小节为工况2的模拟结果。已知加装导流罩对气流组织和通风效果有很大影响，本节以无导流罩工况作为参照，对安装不同类型导流罩后散热器的通风进行数值模拟，导流罩形状分别为凹型、直板型和凸型，其余形状参数均相同。

图5为距进风口不同位置温度分布，图6为距地面不同高度温度变化。从图5和图6可以得到：（1）不同类型的导流罩的散热效果也不相同。不论采用哪种类型导流罩，散热效果均有很大提高，没有加装导流罩时，散热器内部最高温度高达90℃，凸型导流罩时只有85℃，直板导流罩时为80℃，凹型导流罩最高温度下降到65℃。（2）随着距离自然进风口越远，散热器的温度先升高后有所下降；随着距离地面高度增加，散热器通道内附近温度急剧升高，超出散热器高度后骤降，出现了明显的温度分层现象。显然，散热效果的优劣次序为：凹型＞直板＞凸型＞无导流罩。出现这种现象的主要原因如下：自然进风通过散热器片之间的通道在其表面发生自然对流，受热的空气边上升边向前流动，不断带走热量。随着气体流动的深入，气流速度减小，热边界层厚度逐渐增厚，有限空间内空气外掠平板换热的局部传热系数逐渐减小并趋于不变，使表面热量散失困难，温度快速升高，达到最大值后又开始下降，是因为散热器外部的冷空气掺混进去，导致上方区域温度降低。凹型导流罩之所以散热效果最好，是因为在喷管效应作用下，使散热器室内上下热压差加大，增强散热器内部的扰动，提高对流换热系数，同时减少从散热器外部直接排出的无效空气［9］。

图5 距进风口不同位置温度分布（工况2

图6 距地面不同高度温度变化（工况2）

2．3 导流罩高度对散热效果影响

本小节为工况3的模拟结果，图7和图8给出了导流罩安装高度分别为H＝2.9 m，3.9 m，4.9 m，5.9 m下的最高温度变化趋势图。从图7和图8中可以得到：当导流罩安装高度H＝5.9 m下降到H＝2.9 m时，距离进风口X＝5.77 m截面最高温度从85℃降低到62℃，距离地面Y＝2.6 m截面最高温度从90℃降低到55℃，而且散热器同一截面的最高温度均有所降低，这说明导流罩安装越低，对散热越有利。出现这种现象的主要原因是导流罩安装高度降低，一方面减少了从导流罩下方直接排出的无效冷空气；另一方面可促使冷空气更多地流过散热器内部，增强内部气流扰动，从而提高散热效果［10］。总之，随着导流罩安装高度的降低，散热器内部截面最高温度在不断下降，降幅为2～8℃，当安装高度H＝2.9 m时，散热器的散热效果最好。

图7 距进风口不同位置温度分布（工况3）

图8 距地面不同高度温度变化（工况3）

2.4 导流罩出口面积对散热效果影响

本小节为工况4的模拟结果，定义σ为导流罩出口面积与散热器横截面积的比值。图9和图10给出了σ＝0.01，σ＝0.16，σ＝0.49，σ＝1.00，σ＝1.69工况下的最高温度变化趋势图。由图9可知：随着距进风口越远，散热器不同截面最高温度先升高后降低，在X＝5 m截面处温度达到最高；当σ＝0.49时，距进风口不同截面最高温度均为最低。由图10可知：距离地面越高，散热器内部温度先升高，达到最大值后降低，在距离地面Y＝2.9 m处温度达到最高；随着σ的增大，同一截面最高温度的变化没有明显规律性，但当σ＝0.49时，距离地面不同高度截面最高温度也为最低，说明导流罩出口面积的变化对散热器散热的影响效果比较复杂。主要原因是导流罩出口面积变小，散热器上部热空气不能快速排出，外面冷空气不能及时进入，热空气在散热器上部聚集，散热器上部区域传热恶化，但同时气流与散热器片的接触时间变长，也会对传热造成影响；出口面积过大，会造成气流短路直接排出，导流罩基本形同虚设，流过散热器内部的空气减少，接近没有安装导流罩时的情形［11］。因此，虽然导流罩出口面积大小对散热器通风影响较复杂，但存在最佳值，当σ＝0.49，散热器下部最高温度不超过40℃，散热器上部最高温度不超过65℃，综合散热效果最好。

图9 距进风口不同位置温度分布（工况4）

图10 距地面不同高度温度变化（工况4）

3 结论

（1）散热器室内气流组织的流场和不同截面的最高温度变化结果可用来预测散热器的散热效果。

（2）在散热器上方加装导流罩，有利于散热器室散热，可使散热器内部温度降低，对变压器正常运行有利；不同的导流罩类型对散热器室散热影响不同，散热效果顺序为：凹型＞直板＞凸型。

（3）综合比较导流罩类型、安装高度和出口面积对散热效果的影响，导流罩类型影响最大，安装高度次之，出口面积影响最小。

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TU834

A

1672－6871（2014）06－0066－05

国家自然科学基金项目（51006023）；江苏省环保厅基金项目（2012027）

邵志伟（1987－），男，安徽阜阳人，硕士生；黄亚继（1975－），男，江苏南京人，教授，博士，博士生导师，研究方向为变电站自然通风和固体废物资源化利用及洁净煤技术.

2013－07－27