塔筒门朝向对塔筒内散热影响的仿真研究

端和平 徐飞彬 王庆峰 姜婷婷 罗勇水

（1.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 311100）

0 引言

为了方便对风电机组的运行进行维护，大部分风机厂家都把变流器放在塔底，其工作时产生的热量如果不能被及时排出，就容易造成塔基温度过高，出现风电机组高温停机或限功率运行的情况[1]。因此，解决塔筒底部通风散热的要求越来越迫切。

一般的技术改造措施是在塔筒门上安装轴流风扇，通过强制对流换热的方式将变流器产生的热量带出塔筒[2-3]。然而，很少有学者研究外环境来流对塔筒通风散热的影响。

随着计算机技术的不断发展，运用CFD技术对塔筒等室内热流场进行仿真研究已逐渐成为1种新的趋势[4]。该文采用CFD软件对某3.0 MW机组塔筒门朝向对塔筒内通风散热的影响进行数值模拟研究，进而找到塔筒门最佳的安装角度。

1 计算模型

该文研究的计算模型包括用于测试验证的单塔筒模型和用于塔筒门朝向研究的塔筒+外流场模型。为了简化模型、提高计算效率，忽略了对塔筒内通风散热影响较小的元器件（例如爬梯、电缆桥架、电缆以及塔筒门门框等），建立了2种计算模型，如图1所示。其中发热部件为变流器，其内部的铜排电线满发运行时的热损耗功率为33 kW。

图1 计算模型

该文采用Fluent软件进行数值计算，选择带有旋流修正的Realizable k-ε两方程湍流模型[5]，气体流动遵守质量、动量和能量守恒的定律，空气密度基于Boussinesq假设[6]，考虑重力加速度为-9.81 m/s2，计算域采用非结构化四面体网格进行划分，不考虑壁面间的辐射传热，求解方法选择SIMPLE算法。

2 测试验证

2.1 测试工况

为了验证仿真方法的可靠性，该文采用某3.0 MW机组持续满发时（机组满发持续时间﹥4 h，认为塔筒内温度达到稳定状态，定义为持续满发状况）的温度测试数据进行验证。

验证工况边界条件和Fluent计算设置的描述如下：1） 塔门轴流风扇在测试时未开启，测量时得到自然进风风速约为6 m/s，因此，将塔筒门风扇口设为速度进口，其值为6 m/s，其温度为7.82 ℃（该温度取测试时的外界环境温度）。2） 将塔筒门窗户设为压力进口，其温度为7.82 ℃；将顶部平台开孔设为压力出口，其温度为7.82 ℃。3） 变流器发热体功率为33 kW。4） 变流器风扇按照各自的风量风压（PQ）特性进行设置，分为并网柜风扇（变流器出风口1）和模组风扇（变流器出风口2、变流器出风口3）。5） 塔筒壁面设置成Wall，材料为Steel，导热系数为40 W/（m·K），其余壁面为绝热壁面。考虑重力加速度，空气密度为1.063 kg/m3。

2.2 测试验证结果

图2是仿真计算得到的塔筒内热流线图（图中温度单位用开尔文 K表示，0 ℃=273.15 K）。

由图2可知，当变流器风扇工作时，塔筒内产生负压，外界低温空气通过塔筒门窗户进入第二层塔筒，通过塔筒门风扇口进入第一层塔筒，随后进入第一层塔筒内的空气通过爬梯口进入第二层塔筒内，并在浮升力和变流器风扇的作用下螺旋上升至塔筒顶部平台，最后从顶部平台的开孔处排出塔筒。

图2 塔筒内热流线图

仿真结果与实测数据的对比见表1。由表1可知，大部分测点的误差在3 ℃以内。对比11号～14号测点，因为不知道实际测点的具体位置，所以仿真结果只能用该高度水平截面的平均温度代替，存在误差。总的来说，通过与测试数据的对比验证了仿真方法的可靠性。

表1 仿真计算结果与实测数据对比

3 塔筒门朝向研究

3.1 计算工况与边界条件

该文在研究塔筒门风扇工作（外界环境温度为40 ℃）和不工作（外界环境温度为10 ℃）时，对比分析塔筒门朝向（即塔筒门轴向与风向夹角）分别为0 °、30 °、60 °、90 °、120 °、150 °以及180 °时塔筒内的温度场和系统流量。

外流域进口设置为恒定的6 m/s速度进口，出口为压力出口，侧边和顶面为对称面，底面为无滑移壁面。

3.2 计算结果

3.2.1 温度场

各角度工况主要温度指标和系统风量的对比柱状图，如图3所示。由图3可知以下5点：1） 在所有角度工况中，0 °为最优工况，即塔筒门朝向正对来流，此时塔筒内空间及主要截面的平均温升在所有朝向的工况中最低，180 °次之，30 °和150 °较好，60 °为最不利工况，90 °和120 °较差。因此，从热流场的角度出发，塔筒门朝向与来流呈0 °～30 °、150 °～180 °较为适宜。2） 当塔筒门风扇不工作时，60 °与0 °工况相比，塔筒内平均温度升高21.5 ℃～23.5 ℃，风量降低了11300 m3/h；当塔筒门风扇工作时，60 °与0 °的工况相比，塔筒内平均温度升高了7.5 ℃～12.5 ℃，风量降低了9300 m3/h。3） 由于开启塔筒门风扇增加了系统风量，系统风量约为2000 m3/h～5000 m3/h，进而提高了系统的换热效率，因此塔筒门风扇工作时的塔筒内系统温升低于不工作时的系统温升。4） 结合计算结果和理想封闭系统热平衡公式（Q=Cp×m×△T，Q为发热功率，kW；Cp为流体介质比热容，kJ/（kg·℃）；m为单位时间流体介质进入系统的质量，kg；△T为进出口流体介质温度差。）可知，当进口温度一致、系统内发热体发热功率恒定时，系统进（出）风量的多少决定了塔筒内温度的大小，表现为高进（出）风量、低温度的规律。5） 一般来说，塔筒门窗户和塔筒门风扇口进风，顶部平台开孔出风。但是当塔筒门风扇不工作且朝向为60 °和90 °时，进出风口颠倒且风量较低，压制了烟囱效应，不利于变流器散热。

图3 温度和系统风量柱状图

3.2.2 流场

主要朝向工况塔筒内热流线图，如图4所示。由图4可知，当塔筒门风扇不工作且朝向为60 °和90 °时，气流大多从塔筒门窗户和风扇口掠过，很少进入塔筒内参与对流换热（尤其是第二层塔筒）。而当朝向大于90 °时，由于塔筒门背风，变流器风扇工作后，气流从顶部平台开孔处排出，使塔筒内形成负压，外界空气从塔筒门窗户和风扇口进入塔筒内，并且随着朝向角度的增大，来流空气对塔筒内外压差的影响程度就会变小。但是当塔筒门风扇工作时，第一层塔筒内总有空气被吸入。

3.2.3 压力场

塔筒门风扇不工作时的风扇口截面流场压力云图，如图5所示。由图5可知，当朝向为0 °时，塔筒门风扇内外压力呈现外高内低的分布，这有利于气流通过塔筒门风扇口进入塔筒内；而当朝向为90 °时，内外压力基本一致，导致气流难以进入塔筒内。内外压差的不同是塔筒门朝向影响散热效果的内因。

4 结论

该文采用CFD方法，在测试验证数值模拟方法可靠性的基础上，研究了塔筒门朝向对塔筒内热流场的影响，得到以下3个结论：1） 无论塔筒门风扇是否工作，0 °工况（塔筒门正对来流）为最优工况，60 °工况最不利工况。从热流场的角度出发，塔筒门朝向与来流呈0 °～30 °、150 °～180 °较为适宜。2） 塔筒门风扇工作时的温升低于不工作时。3） 塔筒进风口与外流场的压力差以及系统进（出）风量的多少是影响塔筒散热的内因，当压力分布为外高内低时，进（出）风量越大时，散热效果越好。

图4 主要朝向工况流线图

图5 压力云图