舰船用配电柜散热分析

2020-05-18赵克威

造船技术 2020年2期

赵克威, 徐敏

(中国船舶电站设备有限公司，上海 200129)

0 引言

随着综合电力推进技术和造船技术的飞速发展，船舶自动化、电气化水平越来越高。舰船对电力的需求呈几何级数增长，其电力系统由过去的辅助系统变为主要系统。

电器屏柜是舰船电力系统的重要组成，集中了大部分的低压电器设备和控制设备。电器屏柜是电器设备和控制设备的电气性能得以实现的重要保障[1]。柜内元器件功率高，有效散热面积小，导致单位面积发热量升高，这种热驱动引起的机械、化学、电气等方面的问题可能严重影响元器件的质量和可靠性[2]。散热情况的好坏还会影响操作人员的热舒适性，关系到任务的执行效率[3]。因此，需对电器屏柜内功率元器件的散热问题进行研究，以保证系统的整体功效，避免工程实施后出现较大问题。

电器屏柜通常设计成封闭的系统，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[4]。配电柜是电器屏柜的一种，内部断路器和铜排导电发热，热量通过对流、辐射、扩散等3种方式传到外部空间[5]。箱内空间狭小，不易散热，需优化配电柜内部结构、表面通风孔隙几何形状及位置，保证配电柜内部温度分布满足相关规范。

电子机柜散热的计算方法包括基于传热实验关联式的解析计算方法和基于计算传热学的数值计算方法。张云超[6]采用解析计算方法对某舰船用电子设备开式机柜进行散热设计。战乃岩等[7]以小型电子设备散热技术为背景，运用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法，借助Fortran语言，对小空间热源群绕体自然对流进行三维仿真模拟。陈文博[8]通过搭建精确下送风模型实验台，并结合CFD数值模拟研究单机柜通风和温度问题。徐燕飞[9]对电器设备中主要元器件进行通风散热数值分析和试验研究，建立一套电子元器件热分析和热改进方法。

根据配电柜的设计方案，使用Fluent软件进行计算，分析配电柜温度分布状况，并根据分析结果对配电柜的结构进行优化设计，使配电柜整体满足相关规范的要求。

1 配电柜的建模及计算

1.1 计算传热学

通过换热原理分析，可将配电柜散热问题归结为求解流体动力学方程组的问题。其基本方程为流体力学中的质量、动量和能量守恒方程。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(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方向及z方向的速度分量，m/s；μ为流体的黏性系数，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，℃；Cp为流体的比热容，J/(kg·K)；λ为流体的导热系数，W/(m·K)。

但是，与常规的流体力学问题不同，若干与传热相关的影响因子也需要被考虑到：

(1) 选择湍流模型。流场为湍流状态，需采用雷诺平均方程与脉动方程相结合的算法。由于脉动方程为经验或半经验公式，不同湍流的脉动方程有其自身的适用范围，所以需考察湍流模型对计算结果的影响，选用合适的湍流模型才能得到合理的计算结果。研究选用工程流体计算中最常用的标准k-ε湍流模型。

(2) 边界处理方法。由于边界层内的流动状态对传热效果影响很大，所以在数值计算时需注意边界层网格设计及边界层模型对计算结果的影响。在网格设计方面，由于配电柜内部结构非常复杂，所以采用结构化网格进行网格划分。在边界层模型方面，采用工程流体计算中最常用的标准壁面函数模型。

(3) 气体压缩性。如果采用不可压气体，将无法产生浮力，无法计算自然对流问题。根据温度和压力的变化范围可知，研究对象适用完全气体模型，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。需要估计固体表面热辐射参数，数值计算时在能量方程中引入辐射热。在仿真计算中采用Fluent提供的S2S模型处理辐射换热。

1.2 计算参数设置及网格划分

根据配电柜的设计图纸和三维模型，对其有限元模型进行简化，省略螺钉和倒圆角等对计算影响较小的零部件。全计算域几何模型如图1所示，内部为配电柜，最外层方框为舱室边界。配电柜内部几何形状及外表面如图2和图3所示。

在进行传热计算时，配电柜内各部件精确的热力学参数设置如下：

(1) 铜排总发热量为2 000 W，断路器发热量为653 W；

(2) 铜排的材料属性为铜，其他结构材料属性为钢；

图1 全计算域几何模型

图2 配电柜内部断路器和母排形状

图3 配电柜外表面

(3) 固体表面发射率取0.8。

在计算时采用非结构网格，虽然操作简便，但是网格数量大幅上升，内存溢出，计算时间大幅增加，计算误差难以控制。结构化计算网格操作稍复杂，但计算速度快，误差相对可控，所以模型网格划分采用结构化网格。配电柜内网格分辨率为5 ～10 mm，网格总量约1 200万个。铜排和断路器表面网格细节如图4所示。

图4 铜排和断路器表面网格

1.3 边界条件设定

环境温度为50 ℃，舱室边界、配电柜及内部各部件表面为固壁边界条件。位于计算域最外层的舱室边界温度固定为323 K。内部各部件表面温度通过计算得出。通过这样的设计使得数值计算模型中的边界条件、边界与内部辐射换热模式、环境温度对计算域内部的影响等与实际情况保持一致。为了方便计算研究，给配电柜内部的铜排进行编号。图5为各铜排编号情况。

图5 铜排编号

由于每根铜排的电阻和电流各不相同，其发热量也不相同。在铜排总热量为2 000 W的前提下，可根据每根铜排的长度、电阻和电流计算各自的焦耳热与总热量之比，从而求得每根铜排表面热流密度。表1为各铜排表面热流密度。

表1 典型铜排表面热流密度

2 计算结果与分析

(1) 自然对流现象

配电柜内气体流速分布如图6所示。配电柜内部铜排和断路器工作时不断发热，对气体加热，被加热的气体密度降低，向上运动，最大运动速度约0.65 m/s。

图6 配电柜箱内气体速度分布状况

(2) 断路器、铜排及箱体表面温度状况

应用有三个方面：一利用模型对其他未知化合物的相关性质/活性进行预测，在效应评价和暴露评价等方面可弥补缺失的数据，对有机化合物进行筛选和评价；二根据模型的组成与形式，结合已有的化学、生物学知识，探求有机化合物的毒理性质、环境过程和生态效应等机理分析；三根据所阐明的结构-性质关系结果，为设计目标化合物指明方向。

断路器、铜排及箱体表面温度状况如图7～图9所示。

图7 断路器表面温度分布

图8 铜排表面温度分布

图9 箱体表面温度分布

由计算结果可以看出，全流域温度分布范围为323～374 K。断路器发热量为653 W，平均表面热流密度为358 W/m2；表面温度范围为338～372 K，表面平均温度为349 K。铜排发热量为2 000 W，平均表面热流密度为95 W/m2；表面温度范围为324～374 K，表面平均温度为333 K。箱体表面温度范围为323～330 K，表面平均温度为325 K。

虽然断路器发热量较低，但是其表面平均热流密度更高，所以断路器表面平均温度高于铜排表面平均温度。断路器和铜排的平均温度与最低温度接近，说明断路器和铜排表面大部分区域温度并不高，断路器表面平均温度比环境温度高约26 ℃；铜排表面平均温度比环境温度高约10 ℃。但是，箱内结构复杂，局部位置气流不畅，无法有效散热，因而断路器和铜排表面局部区域产生热斑。

(3) 高温区域

图10和图11为铜排和断路器高温热斑位置。