靜音型發(fā)電機組通風散熱系統(tǒng)仿真研究

李茂青，郭立濱，李 鵬

（1.重慶通信學院，重慶400035；2.西安通信學院，陜西西安710106）

靜音機組的通風散熱系統(tǒng)設計與計算，是靜音機組設計的重要內(nèi)容之一。機組內(nèi)通風散熱不良，內(nèi)部出現(xiàn)高溫熱島，將導致機組工作溫度過高，熱負荷過重，造成機組輸出功率下降，電機及電子元器件絕緣破壞，影響整個機組工作的動力性指標、可靠性指標和電氣性能指標，甚至出現(xiàn)安全事故。良好的通風散熱設計，一方面可以獲得優(yōu)良的噪聲控制效果，另一方面可以保證機組內(nèi)部通風散熱效果良好，發(fā)電機組可以長期連續(xù)工作。

應用計算機數(shù)值模擬的方法，計算出機組內(nèi)部流場、溫度場的分布特點，分析其內(nèi)在聯(lián)系及規(guī)律。仿真方面主要通過運用流體力學和傳熱學的基本理論，建立機組內(nèi)部數(shù)學模型并借助CFD軟件計算機組內(nèi)部流場和溫度場分布情況。

1 CFD方法介紹

CFD（Computed Fluid Dynamics）計算流體力學，就是利用計算機求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術，即在工程設計中，首先建立數(shù)值模型，然后從計算實驗中獲得數(shù)據(jù)的技術。它涉及流體力學（尤其是湍流力學）、計算方法及計算機圖形處理等多種學科。這種技術允許工程師去研究不同物理條件（有些是實驗條件下不可能獲得或很難獲得的）下的不同模型配置，具有很大的靈活性。

FLUENT軟件是近年來應用較為廣泛的一種CFD軟件，主要用于計算流體流動力傳熱問題。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對于相對復雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。FLUENT還可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應能力對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。

FLUENT軟件的求解模塊是其核心部分，該模塊的數(shù)學模型是以N-S方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、燃燒與化學反應流模型、自由面模型以及非牛頓流體模型等。大多數(shù)附加的模型是在主體方程組上補充一些附加源項、附加運輸方程與關系式。采用的是有限體積法離散方程，其計算精度和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。采用壓力校正法作為低速不可壓流動計算方法，而可壓縮流動采用禍合法。此外，F(xiàn)LUENT軟件采用的二階迎風格式是針對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格提出的多維梯度重構(gòu)法，較成功的用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二階迎風格式，能較好的處理畸變網(wǎng)格的計算，從而使其在技術上處于領先地位。

2 機組內(nèi)部流場和溫度場的建模與仿真

2.1 熱源特征分析與計算

靜音機組帶負載工作時，其能量耗散主要分為水箱散熱Qw、排氣帶走熱量Qexh、發(fā)動機和電機表面散熱Qair以及發(fā)電機組對外的能量輸出共4個主要部分。

將發(fā)動機總熱量用Q表示，則有

其中，冷卻系統(tǒng)（水箱）散走的熱量

式中，A——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能百分比；

ge——內(nèi)燃機功率(kW)；

hn——燃料的低熱值(kj/kg)。

由于受諸多復雜因素的影響，排氣帶走熱量、發(fā)電機組表明散熱量難以精確計算，根據(jù)經(jīng)驗估算，一般認為排氣帶走的熱量占發(fā)電機組總放熱量的32.4%～34.5%，發(fā)電機組表面的散熱量占發(fā)電機組總放熱量的5%。

本文研究對象是一臺由額定功率19.5 kW的小型柴油機驅(qū)動發(fā)電機組，根據(jù)式（1）和式（2）計算得出柴油機及發(fā)電機組的各部分熱量。

水箱散熱

排氣帶走熱量

發(fā)動機和發(fā)電機表面散熱量

2.2 靜音機組模型

在利用CFD方法對隔聲罩內(nèi)部流場、溫度場進行數(shù)值模擬時，首先要建立數(shù)學模型。但限于計算機的計算能力，不能對完全真實的復雜形狀進行數(shù)值模擬，并且由于主要熱源外移，機組內(nèi)產(chǎn)生的熱量較小，為此，在反映隔聲罩內(nèi)部真實流動特性的前提下，對機組的三維模型進行簡化（如圖1所示）。

圖1 簡化模型

2.3 計算工況與邊界條件

隔聲罩內(nèi)流場、溫度場進行耦合計算時，發(fā)電機組處于滿載工況下運行，大氣壓強為標準大氣壓強；機組在較惡劣的環(huán)境工況下滿載工作，環(huán)境溫度為50℃。隔聲罩進出風口分別采用的是壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件，隔聲罩表面設定為絕熱，排風扇采用軟件中的風扇邊界條件直接進行模擬。

2.4 計算過程

論證采用標準k-ε兩物理模型，它是在雙方程數(shù)學模型中應用最廣泛的湍流流動計算數(shù)學模型，也是一個經(jīng)過實踐檢驗較為成功的模型，采用k-ε模型求解湍流流動對流換熱問題時，控制方程是從流體力學的基本方程出發(fā)，引入時均值和脈動值的概念，經(jīng)過假設和簡化，最終可得到適用于湍流粘性流動的控制方程，其中包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍流動能k方程及湍流能量耗散ε方程。

簡化條件為：

（1）機組內(nèi)流體狀態(tài)為低速不可壓縮流動，并滿足理想氣體狀態(tài)方程；

（2）機組內(nèi)氣體屬于牛頓流動；

（3）流體粘性耗散忽略不計，僅在計算升力時考慮流體密度的變化；

（4）假定流場具有高湍流雷諾數(shù)，流體的湍流粘度各向同性。

對于靠近壁面的流場區(qū)域，由于湍流雷諾數(shù)很低，故采用避免函數(shù)法解決近壁區(qū)域的流動與換熱計算的低雷諾數(shù)問題。

2.5 收斂準則

迭代的收斂準則，是對于能量方程要求前后兩步迭代結(jié)果之間的相對殘差小于10-6，其他方程前后兩步迭代結(jié)果之間的相對殘差小于10-3。

2.6 計算結(jié)果

迭代收斂時隔聲罩內(nèi)部溫度場情況如圖2所示。

迭代收斂時隔聲罩內(nèi)部流場情況如圖3所示。

圖2 隔聲罩溫度場分布

圖3 隔聲罩內(nèi)部流場

3 結(jié)束語

從溫度場和流場圖中，我們可以看出，機組理論結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度溫升不超過5℃，小于規(guī)定的溫升數(shù)值，說明機組內(nèi)部流場和溫度場分布合理。

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