某型配电柜空间热场分析

李巍巍， 潘 捷， 赵克威

(中国船舶电站设备有限公司，上海 200129)

0 引 言

配电柜通常被设计为封闭结构，这种形式使屏柜只能采用外部自然冷却的散热形式，而柜内元器件所释放的热量全部由壳体吸收[1]。配电柜内部断路器和铜排导电发热，热量通过对流、辐射和扩散等3种方式传至外部空间[2]。配电柜内空间狭小、不易散热，需要优化内部结构、表面通风孔隙几何形状及位置，以保证配电柜内部温度分布满足相关规范。

主要通过SolidWorks Flow Simulation软件对配电柜进行流场模拟，计算在标定工况下发热元件及充放电板内部空间温度变化，并根据计算结果对配电柜布局进行优化设计，使配电柜整体满足相关规范要求。

1 配电柜建模

1.1 传热学计算方法

通过对换热原理的分析，将配电柜散热问题归结为求解流体动力学方程组，其基本方程为流体力学中的质量、动量和能量守恒方程[3]。

连续性方程为

(1)

动量方程为

(2)

(3)

(4)

能量方程为

(5)

式(1)～式(5)中：ρ为流体密度，kg/m3；u、v、w分别为流体在x方向、y方向和z方向的速度分量，m/s；μ为流体黏性系数，kg/(m·s)；p为流体内部压力，Pa；g为重力加速度，m/s2；T为流体温度，℃；λ为流体导热系数，W/(m·K)；Cp为流体定压比热容，J/(kg·K)[3]。

与常规流体力学问题不同，与传热相关、需要加以考虑的影响因子[3]如下：

(1)选用合适的湍流模型才能得到合理的计算结果。

(2)配电柜内部结构非常复杂，采用结构化网格进行网格划分。在边界层模型方面，采用工程流体计算常用的标准壁面函数模型。

(3)适用完全气体模型，气体状态方程采用克拉伯龙方程。

(4)气体浮力和重力作用，在控制方程中引入重力和浮力项。

(5)固体壁面间辐射换热，数值计算在能量方程中引入辐射热。

1.2 计算模型参数设置

配电柜外形尺寸为800 mm×500 mm×1 800 mm，计算模型如图1所示。

图1 配电柜计算模型

模型简化：集合模型按照设计图纸生成，对内部元件几何形状进行合理简化。主要包括如下内容：(1)省略底部槽钢；(2)省略螺钉等附件和倒圆角；(3)省略内部支架；(4)铜排及线缆暂时不定(暂时忽略铜排及线缆发热问题)；(5)省略各元件突出部分；(6)发热元件改为矩形结构(尺寸根据元件原尺寸)；(7)侧板、后板冲百叶根据实际尺寸，改为平板结构，通过分析软件设置为多孔板结构。全计算域几何模型如图2所示。

图2 全计算域几何模型

在进行传热计算时，配电柜内各部件初步认定的发热元件(体热源)如表1所示。

表1 发热元件(体热源) W

全计算域几何模型边界条件(见图3)如下：固体内热传导，重力方向大小为9.81 m/s2；流体材料为空气；固体材料为碳钢；壁面热交换系数为10 W/(m2·K)，外部流体温度为40 ℃。

图3 全计算域几何模型的边界条件

1.3 计算模型网格划分

利用SolidWorks Flow Simulation软件生成全局网格并对网格进行局部加密(见图4)。全局网格定为级别3。由于安装位置关系，3处发热模块间距较小并大于简化模型的最小板厚，因此在间隔处对网格加密，产生级别5网格。其他元件表面网格加密为级别4。网格划分为2 529 330个。

图4 局部网格

2 计算结果

轨迹线效果如图5所示。

图5 轨迹线

多个截面速度场计算结果如图6所示。

图6 截面速度场云图

计算结果曲线如图7所示。

图7 计算结果曲线

计算结果各项数据的最小值与最大值如表2所示。

表2 计算结果各项数据的最小值与最大值

3 结 论

通过分析计算得到的轨迹线、云图及曲线，得出如下结论：配电柜内部温度区间为39.94～87.44 ℃，流体+固体，流体最高温度集中在2个发热模块间隙处，由于间隙较小，因此自然对流很难带走该区域热量；速度为0～0.538 m/s，由于没有强制对流，完全靠发热元件热气产生自然对流，因此速度较慢，而流体流动则由侧板及后板的百叶窗上下开口处进出。经过对百叶窗位置进行适当优化，内部温升指标满足规范要求。