静音型发电机组通风散热系统仿真研究

2010-02-26李茂青郭立滨

装备制造技术 2010年4期

李茂青，郭立滨，李鹏

（1.重庆通信学院，重庆400035；2.西安通信学院，陕西西安710106）

静音机组的通风散热系统设计与计算，是静音机组设计的重要内容之一。机组内通风散热不良，内部出现高温热岛，将导致机组工作温度过高，热负荷过重，造成机组输出功率下降，电机及电子元器件绝缘破坏，影响整个机组工作的动力性指标、可靠性指标和电气性能指标，甚至出现安全事故。良好的通风散热设计，一方面可以获得优良的噪声控制效果，另一方面可以保证机组内部通风散热效果良好，发电机组可以长期连续工作。

应用计算机数值模拟的方法，计算出机组内部流场、温度场的分布特点，分析其内在联系及规律。仿真方面主要通过运用流体力学和传热学的基本理论，建立机组内部数学模型并借助CFD软件计算机组内部流场和温度场分布情况。

1 CFD方法介绍

CFD（Computed Fluid Dynamics）计算流体力学，就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，即在工程设计中，首先建立数值模型，然后从计算实验中获得数据的技术。它涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法及计算机图形处理等多种学科。这种技术允许工程师去研究不同物理条件（有些是实验条件下不可能获得或很难获得的）下的不同模型配置，具有很大的灵活性。

FLUENT软件是近年来应用较为广泛的一种CFD软件，主要用于计算流体流动力传热问题。它提供的非结构网格生成程序，对于相对复杂的几何结构网格生成非常有效。FLUENT还可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。

FLUENT软件的求解模块是其核心部分，该模块的数学模型是以N-S方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加运输方程与关系式。采用的是有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用祸合法。此外，FLUENT软件采用的二阶迎风格式是针对非结构网格提出的多维梯度重构法，较成功的用于非结构网格的二阶迎风格式，能较好的处理畸变网格的计算，从而使其在技术上处于领先地位。

2 机组内部流场和温度场的建模与仿真

2.1 热源特征分析与计算

静音机组带负载工作时，其能量耗散主要分为水箱散热Qw、排气带走热量Qexh、发动机和电机表面散热Qair以及发电机组对外的能量输出共4个主要部分。

将发动机总热量用Q表示，则有

其中，冷却系统（水箱）散走的热量

式中，A——传给冷却系统的热量占燃料热能百分比；

ge——内燃机功率(kW)；

hn——燃料的低热值(kj/kg)。

由于受诸多复杂因素的影响，排气带走热量、发电机组表明散热量难以精确计算，根据经验估算，一般认为排气带走的热量占发电机组总放热量的32.4%～34.5%，发电机组表面的散热量占发电机组总放热量的5%。

本文研究对象是一台由额定功率19.5 kW的小型柴油机驱动发电机组，根据式（1）和式（2）计算得出柴油机及发电机组的各部分热量。

水箱散热

排气带走热量

发动机和发电机表面散热量

2.2 静音机组模型

在利用CFD方法对隔声罩内部流场、温度场进行数值模拟时，首先要建立数学模型。但限于计算机的计算能力，不能对完全真实的复杂形状进行数值模拟，并且由于主要热源外移，机组内产生的热量较小，为此，在反映隔声罩内部真实流动特性的前提下，对机组的三维模型进行简化（如图1所示）。

图1 简化模型

2.3 计算工况与边界条件

隔声罩内流场、温度场进行耦合计算时，发电机组处于满载工况下运行，大气压强为标准大气压强；机组在较恶劣的环境工况下满载工作，环境温度为50℃。隔声罩进出风口分别采用的是压力入口边界条件和压力出口边界条件，隔声罩表面设定为绝热，排风扇采用软件中的风扇边界条件直接进行模拟。

2.4 计算过程

论证采用标准k-ε两物理模型，它是在双方程数学模型中应用最广泛的湍流流动计算数学模型，也是一个经过实践检验较为成功的模型，采用k-ε模型求解湍流流动对流换热问题时，控制方程是从流体力学的基本方程出发，引入时均值和脉动值的概念，经过假设和简化，最终可得到适用于湍流粘性流动的控制方程，其中包括：连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能k方程及湍流能量耗散ε方程。

简化条件为：

（1）机组内流体状态为低速不可压缩流动，并满足理想气体状态方程；

（2）机组内气体属于牛顿流动；

（3）流体粘性耗散忽略不计，仅在计算升力时考虑流体密度的变化；

（4）假定流场具有高湍流雷诺数，流体的湍流粘度各向同性。

对于靠近壁面的流场区域，由于湍流雷诺数很低，故采用避免函数法解决近壁区域的流动与换热计算的低雷诺数问题。