風(fēng)電機(jī)艙溫度場(chǎng)-流場(chǎng)仿真及優(yōu)化研究

華電河南新能源發(fā)電有限公司 李 強(qiáng) 索連帥 劉征遠(yuǎn) 朱文會(huì) 華電電力科學(xué)研究院有限公司 楊 帥 張銀龍

1 前言

風(fēng)電是一種具有巨大潛在發(fā)展和相對(duì)成熟的可再生能源。對(duì)減少溫室氣體和應(yīng)對(duì)氣候變化的新形勢(shì)下，風(fēng)能受到了世界各國(guó)的高度重視。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的高速擴(kuò)大，它給企業(yè)帶來了非常其明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但同時(shí)也面臨著一系列的設(shè)備問題，如齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制柜產(chǎn)生的熱量大量積聚，至使機(jī)艙內(nèi)溫度不斷上升的問題已經(jīng)出現(xiàn)了多年，相關(guān)人員還沒有找到經(jīng)濟(jì)有效的處理辦法，因此尋找可靠有效的散熱方法的非常必要的。

沈陽工業(yè)大學(xué)閆闖[1]等人針對(duì)目前風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量提升所帶來的機(jī)艙溫升問題，以目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的機(jī)艙類型作為研究對(duì)象，尋求通過對(duì)機(jī)艙內(nèi)的氣流組織進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降低機(jī)艙內(nèi)的平均溫度，優(yōu)化溫度場(chǎng)分布，削弱多熱源間的影響，增強(qiáng)機(jī)艙的散熱性能的目的，對(duì)通過改變風(fēng)電機(jī)艙結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳散熱效果具有參考意義。

陳子新[2]等人通過對(duì)風(fēng)電組機(jī)艙內(nèi)的主要熱源分析，提出了一種基于自動(dòng)控制的智能控溫系統(tǒng)。分析了散熱槳葉在不同功率下，機(jī)艙內(nèi)氣流對(duì)散熱性能的影響。對(duì)優(yōu)化機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)具有參考意義。

應(yīng)華冬[3]等人以存在散熱問題的機(jī)組作為研究對(duì)象，從科學(xué)的重新規(guī)劃氣流組織，降低系統(tǒng)吸風(fēng)阻力等方面入手，對(duì)機(jī)組的散熱系統(tǒng)進(jìn)行改造。同時(shí)用計(jì)算機(jī)輔助軟件對(duì)改造結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證了良好的改造結(jié)果，為機(jī)艙散熱性能優(yōu)化提供了依據(jù)。

馬鐵強(qiáng)[4]等人在以散熱布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)“下送尾排”式機(jī)艙散熱布局結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了“下送側(cè)排”式、“側(cè)送尾排”式和“側(cè)送側(cè)排”式3種機(jī)艙散熱布局結(jié)構(gòu)；然后通過改變送風(fēng)口與排風(fēng)口的位置，運(yùn)用CFD軟件對(duì)4種機(jī)艙散熱布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。

由于強(qiáng)對(duì)流風(fēng)冷在目前風(fēng)電機(jī)艙散熱系統(tǒng)中運(yùn)用十分廣泛，所以國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中的大部分學(xué)者都是通過有限元分析建立流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)[5]，在比較溫度效率值找出最佳散熱方案的，以上文獻(xiàn)均有提到通過改變進(jìn)/排風(fēng)口數(shù)量、尺寸，選取不同表面等方法優(yōu)化氣流質(zhì)量改善溫度場(chǎng)分布不均引起的“熱短路”問題。由于以上文獻(xiàn)已做過大量數(shù)據(jù)分析和比對(duì)。結(jié)合以上文獻(xiàn)基于“下進(jìn)側(cè)排”方式，發(fā)現(xiàn)在齒輪箱上方隔板可以有效的解決機(jī)艙尾部“熱短路”的問題，并再文獻(xiàn)原有散熱性能上得到大幅提升。

N Kang[6]根據(jù)某3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)房結(jié)構(gòu)、環(huán)境運(yùn)行要求以及各部件的散熱情況，對(duì)其機(jī)房的熱平衡進(jìn)行了研究。對(duì)機(jī)艙熱負(fù)荷進(jìn)行了分析，建立了基于有限體積法的物理模型。

Ningqiang Shi[7]設(shè)計(jì)了一種散熱系統(tǒng)。確定了換熱器與散熱器的組合結(jié)構(gòu)，以及內(nèi)外循環(huán)隔離換熱的散熱方式，提出了以西門子PLC為核心的控制方法和運(yùn)行方式，采用計(jì)算流體力學(xué)方法設(shè)計(jì)了散熱系統(tǒng)的空冷換熱器和液冷散熱器。

本文主要通過有限元仿真模擬的方法，對(duì)風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)布局來改變機(jī)艙內(nèi)的氣流組織情況，得到不同情況下的機(jī)艙溫度場(chǎng)云圖，通過對(duì)溫度云圖的分析優(yōu)化機(jī)艙散熱、降低艙內(nèi)平均溫度、削弱由于機(jī)艙呈軸線布局結(jié)構(gòu)帶來的局部熱量積聚問題。該方法可以通過改變機(jī)艙結(jié)構(gòu)及布局影響流速場(chǎng)的變化，在通過散熱系數(shù)可以直觀地分析出氣流對(duì)于散熱差異，大大的降低了實(shí)驗(yàn)成本和分析難度。

2 散熱問題評(píng)價(jià)方法與有限元方法理論基礎(chǔ)

2.1 風(fēng)電機(jī)艙傳熱方式

2.1.1 熱傳導(dǎo)

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)的規(guī)律總結(jié)為傅里葉定律：

式中：q—熱流密度，W/m2；λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

導(dǎo)熱系數(shù)λ是用來表征物體材料導(dǎo)熱能力優(yōu)劣的物性參數(shù)。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般不同，同種材料在不同溫度條件下其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)隨溫度變化而變化。一般情況下金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)最大，液體次之，氣體最小。當(dāng)材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化不大時(shí)，可以將導(dǎo)熱系數(shù)做常數(shù)處理。

2.1.2 熱對(duì)流

熱對(duì)流是由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而使各部分流體產(chǎn)生了相對(duì)位移，導(dǎo)致冷熱流體相互摻混產(chǎn)生熱量傳遞的過程。對(duì)流傳熱可分為兩大類：流體冷熱部分密度不同而引起的自然對(duì)流；泵、風(fēng)機(jī)和其他壓力差造成的強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流傳熱用牛頓冷卻公式表示為：

式中，q—熱流密度，W/m2；h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2K）；ΔT—壁面和流體的溫度，℃。

2.1.3 熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。熱輻射特點(diǎn)是可以在真空中傳遞，采用斯忒藩-玻爾茲曼定律來計(jì)算表面輻射傳熱的情形。

式中：Φ—熱流量，W；ε1—物體的發(fā)射率，其值總是小于1，與物體的類別和狀態(tài)有關(guān)；σ—斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/（m2K4）；A1—輻射面1的面積，m2；T1—為輻射面1的絕對(duì)溫度，K；T2—為輻射面2的絕對(duì)溫度，K。

2.2 機(jī)艙散熱性能評(píng)價(jià)方法

2.2.1 基于溫度效率的機(jī)艙散熱性能評(píng)價(jià)方法

基于溫度效率的機(jī)艙散熱性能評(píng)價(jià)方法[8]，已知空氣溫度變化負(fù)荷分為兩部分：顯熱指無相變的溫度變化；潛熱指相變熱。

溫度效率指顯熱交換效率，也稱顯熱回收效率。風(fēng)電機(jī)艙的溫度效率越高其散熱能力越強(qiáng)。

式中：Te—排風(fēng)口溫度值；T0—進(jìn)風(fēng)口溫度值；Tz—機(jī)艙內(nèi)的平均溫度值。

2.2.2 基于溫度值標(biāo)準(zhǔn)差的機(jī)艙散熱性能評(píng)價(jià)方法

溫度標(biāo)準(zhǔn)差指所有的溫度結(jié)果與平均溫度值的分散程度[9]，若溫度標(biāo)準(zhǔn)差越大說明機(jī)艙內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均勻，反之則說明機(jī)艙內(nèi)大部分溫度與平均溫度值相近，其溫度場(chǎng)分布情況也越好。

式中：σ—標(biāo)準(zhǔn)差；μ—溫度的算數(shù)平均值；N—選取對(duì)比溫度節(jié)點(diǎn)數(shù)；x—選取節(jié)點(diǎn)溫度。

2.3 仿真過程中有關(guān)單元的有限元方法

2.3.1 有限元微分方程

在機(jī)艙傳熱模擬的過程中，使用的有限元計(jì)算微分方程如下[10]：

q—單位體積的熱生成；hf—對(duì)流換熱系數(shù)；TB—計(jì)算流體溫度；δT—溫度的虛變量；S2—熱通量的面積；S3—對(duì)流面積

2.3.2 氣流組織控制方程

機(jī)艙內(nèi)氣體的流速一般約為3m/s，風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)氣流組織的統(tǒng)一控制方程如下。

（1）機(jī)艙內(nèi)氣體為不可壓縮流體，滿足流體連續(xù)性方程：

（2）機(jī)艙內(nèi)氣體在各個(gè)速度分量方向上，滿足動(dòng)量守恒方程：

（3）不考慮機(jī)艙內(nèi)氣體的黏性耗散，滿足能量守恒方程：

式中：u—艙內(nèi)氣體瞬時(shí)流速；p—?dú)怏w壓力；cp—?dú)怏w比熱容，λ—?dú)怏w傳熱系數(shù)；T—?dú)怏w溫度。

（4）艙內(nèi)氣體湍流模型

已知雷諾數(shù)是判斷氣體為層流還是湍流的無量綱數(shù)，其數(shù)值為慣性力與粘性力的比值。由于風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部件眾多，自然環(huán)境中空氣的粘性力很小，在風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流的情況下機(jī)艙內(nèi)部呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)，所以在風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)的仿真分析中采用k-epsilon湍流模型：

式中：Gk—?dú)怏w層流速度梯度所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb—浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM—可壓縮氣體流動(dòng)由湍流導(dǎo)致的波動(dòng)，此處研究氣體為不可壓縮流體故此處忽略不記；Sk、Sε—用戶定義的源項(xiàng)，通常也忽略不計(jì)；?k、?ε—為方程k和方程ε的湍流普朗特?cái)?shù)。

2.4 網(wǎng)格劃分的誤差

在穩(wěn)態(tài)問題研究中，對(duì)網(wǎng)格的劃分會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果。已知在實(shí)際情況中，穩(wěn)態(tài)的實(shí)際溫度要高于網(wǎng)格上結(jié)點(diǎn)溫度，當(dāng)網(wǎng)格劃分越密集其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)溫度越接近，但計(jì)算量也隨之增大，且當(dāng)網(wǎng)格增加到一定值后對(duì)計(jì)算結(jié)果并無明顯影響，故不需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行過細(xì)的劃分，增加額外的計(jì)算量。仿真模擬存在誤差，故網(wǎng)格的劃分需要根據(jù)實(shí)際情況改變。

2.5 風(fēng)電機(jī)組傳熱模型

利用軟件建立風(fēng)電機(jī)艙流固耦合傳熱模型，主要分為以下幾個(gè)步驟：機(jī)艙模型的建立、材料的選擇、固體和流體傳熱邊界條件設(shè)置、湍流條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、物理場(chǎng)選擇、求解計(jì)算設(shè)置。

為合理簡(jiǎn)化求解，根據(jù)機(jī)艙環(huán)境溫度、絕對(duì)壓力、送/入風(fēng)口設(shè)定邊界條件。若邊界條件不合理會(huì)直接影響分析結(jié)果。

3 風(fēng)電機(jī)組高溫原因分析

由于齒輪箱的阻隔作用，齒輪箱后面的流場(chǎng)呈現(xiàn)較明顯的分割效果，使得氣流流通效果差。綜合來看風(fēng)電機(jī)艙艙內(nèi)空氣流動(dòng)性較差，機(jī)艙內(nèi)平均流速約為1m/s，由于流體流動(dòng)總是沿著阻力最小的方向進(jìn)行，導(dǎo)致冷卻空氣沒有與齒輪箱和發(fā)電機(jī)等發(fā)熱部件充分接觸后就排出機(jī)艙，造成了熱短路的問題。

4 改進(jìn)措施及效果

4.1 增設(shè)擋流板

當(dāng)機(jī)艙內(nèi)的空氣進(jìn)入機(jī)艙后，大部分氣流通過機(jī)艙頂部的流道流出機(jī)艙，使得齒輪箱、發(fā)電機(jī)和控制柜區(qū)域氣流流量較小造成氣流的短路。合理的機(jī)艙內(nèi)部空氣流動(dòng)路徑應(yīng)使得冷卻空氣多流經(jīng)熱源表面，針對(duì)機(jī)艙上部氣流組織短路問題在其上部設(shè)置導(dǎo)流擋板，改變機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)路徑，優(yōu)化機(jī)艙散熱。

在加入導(dǎo)流擋板后冷卻空氣從機(jī)艙底部進(jìn)入帶動(dòng)周圍空氣流動(dòng)，在機(jī)艙頂部由于導(dǎo)流擋板的作用，冷卻空氣從齒輪箱后部向下流動(dòng)，然后經(jīng)過發(fā)電機(jī)與控制柜區(qū)域，最后在機(jī)艙尾部艙口流出。

由圖1可以得出加入導(dǎo)流板后機(jī)艙殼體的溫度為20.37℃，機(jī)艙內(nèi)氣體的平均溫度為20.83℃、齒輪箱的溫度為64.31℃、發(fā)電機(jī)的溫度為67.34℃，加入導(dǎo)流擋板之前各個(gè)部分溫度均有顯著的下降，由機(jī)艙內(nèi)空氣流道的改變，使得冷卻氣流盡可能的流經(jīng)熱源流動(dòng)阻力加大，此時(shí)機(jī)艙內(nèi)空氣的平均流速約為1.19m/s。

圖1 加入導(dǎo)流板后機(jī)艙內(nèi)空氣與機(jī)艙殼體溫度場(chǎng)

5 結(jié)語

5.1 結(jié)論分析

由模擬仿真可知，在機(jī)艙底部加送風(fēng)口、對(duì)齒輪箱底部加裝導(dǎo)熱片和在機(jī)艙頂部設(shè)置導(dǎo)流擋板的方法，使齒輪箱及發(fā)電機(jī)的熱量明顯降低，提高風(fēng)電機(jī)艙散熱的能力。需要注意的是增加的送風(fēng)口風(fēng)速不能大于機(jī)艙內(nèi)主氣流的風(fēng)速，避免兩股氣流在機(jī)艙內(nèi)相互沖突無法表現(xiàn)出對(duì)機(jī)艙內(nèi)散熱能力的提升。

5.2 建議

本文通過增加隔板改變了氣流路徑，使冷卻空氣成功流經(jīng)控制柜和發(fā)電機(jī)，解決了由齒輪箱阻擋冷空氣無法到達(dá)機(jī)艙尾造成熱短路的問題，但無嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)進(jìn)/排風(fēng)口的大小，位置及送風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，如：進(jìn)風(fēng)口的位置不僅決定了冷卻空氣進(jìn)入機(jī)艙后的流通路徑，也決定了冷卻空氣的氣流組織狀態(tài)。如果進(jìn)風(fēng)口位置不合理，則會(huì)引起高強(qiáng)度的湍流，導(dǎo)致高溫氣體在機(jī)艙內(nèi)滯留，難以排除機(jī)艙外。所以在對(duì)機(jī)艙氣流組織布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)計(jì)算；進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)量與尺寸相關(guān)，當(dāng)進(jìn)入機(jī)艙的冷卻空氣流量一定時(shí)，進(jìn)風(fēng)口尺寸的增大將引起進(jìn)風(fēng)速度的減小，進(jìn)風(fēng)口尺寸的減小將引起進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大。所以應(yīng)當(dāng)通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型及分析選出最合理的方案。