户外双层智能柜内温度场模拟与验证

周美娟，王立铮，赵保伟

（郑州科技学院 机械工程学院，河南 郑州 450064）

0 引 言

随着工业的发展，智能化控制设备应用越来越普及，智能变电站代替传统电站已经是一种新的趋势。夏季在户外无遮挡的情况下，环境温度超过40 ℃，密闭机柜内部的温度超过允许范围（-10 ～-55 ℃），装置长时间在超负荷高温下运行，会引起电器元件的性能降低，产生故障甚至爆炸，因此智能柜在设计时应考虑的关键问题是柜内温度的调控。此外，根据其工作环境，智能柜除了具有对外部环境一定的隔离功能外，还应具有防尘、防水、防太阳辐射的功能。

在关于智能柜温度调控的研究上，朱云霄等介绍了户外智能柜散热和保温设计方法，分析了最常用的风机散热问题及风机的选型。张洋等针对智能柜不同的散热方式，利用SolidWorks 软件对风机的散热进行分析和优化。郭胜军等以变电站内户外机柜为例，对户外机柜热设计的要素和方案进行仿真比较，认为智能柜在单层结构和箱体不开孔的情况下，通风和散热效果较差，内部需增加强制对流风机，风机安装在柜体的下部对温控有利。综上所述，以往的研究主要是针对户外单层智能柜以及散热方式等问题，但关于户外双层智能柜的结构及其内部温度的分布规律研究的较少。

在基于CFD 的研究上，A.M.Foster 等介绍了在优化冷藏陈列柜性能中，为了解不同结构下柜内温度场的分布状况，结合CFD 对陈列柜进行数值模拟，可以预测展示柜的空气流动，短时间内可以优化陈列柜的性能。Y.T.Ge 等介绍了冷藏陈列柜在基于CFD 下，运用FLUENT 软件对陈列柜数值模拟，通过实验验证了其模型的有效性，可为其他类型柜体的数值模拟提供参考。通过上述研究说明CFD 是一种可行的数值模拟。

因此本文针对户外双层智能柜的散热问题，首先运用Gambit 软件建立户外双层智能柜的模型，并进行网格划分，然后利用FLUENT 软件，采用数值模拟的方法研究户外双层智能柜在不同环境温度下柜内温度的变化规律，为了验证数值模拟的准确性，对该模拟进行实验研究。旨在获得基准模型，为更好地对户外双层智能柜内的温度进行调控奠定一定的基础。

1 户外双层智能柜的物理模型及实验设置

1.1 户外双层智能柜物理模型

户外双层柜智能柜的结构如图1所示，图1（a）为户外双层智能柜的外观结构，户外双层智能柜的尺寸为1 800 mm×964 mm×1 930 mm，图1（b）为户外双层智能柜体的结构示意图。从图1（b）中可以看出，机柜的前门、后门、侧板、顶盖均为双层结构。柜体两侧板和顶盖粘接有隔热棉、防止太阳辐射对机柜内部环境产生影响，同时侧板双层夹板上下端开放结构，有利于增加散热效果，并且柜体表面采用喷漆工艺，对于太阳辐射多了一层防护。柜体顶部布置两个大功率风机，风机口直径220 mm，每个风机的排风量在8 m/min。柜体前后门板上均开有百叶窗通风口，百叶窗后面装有通风效果较好的过滤棉，防止灰尘由呼吸窗进到柜体内部。柜体内外侧板尺寸25 mm，外侧板选用的是辐射率高、隔热效果好的材料（不锈钢），内侧板选用铝板（5052）。

图1 户外双层智能柜

1.2 实验设置

户外双层智能柜内装有2 台40 W 的智能元件，柜体顶部装有两个大功率的风机，在智能室（右侧）与传统室（左侧）之间装有温度感应器，温度感应器的作用是当柜内平均温度达到40 ℃，风机会自动启动。智能柜的空气流通主要有两个途径，途径一如图2（a）所示，空气通过门板的百叶窗进入柜内，途经智能元件，然后被顶部的两台风机排出，其流通方式属于强制对流。途径二如图2（b）所示空气经过外侧板和内侧板的间隔缝隙，由外部侧板底部的通风孔排出，以达到柜体内外气体交换要求，其流通的方式为自由对流。

图2 空气流通示意图

为了验证数值模拟的准确性，将工厂车间加热房内的温度调到与数值模拟相同的温度，加热房的最高温度可达到90 ℃，整个加热房进行了保温、隔热、防潮等处理。实验器材：如图1所示的双层智能控制柜一台，电器元件采用上海克拉加热器JB/T 7836.3-2005，电机用电加热器防爆型翅片管电加热器，功率40 W。风机型号SA22060CA2HT，风机排风量为8 m/min。温度计采用的是留点温度计，量程为0 ～100 ℃，工作原理和体温计相同，温度采样点如图2所示的点1 ～12，采样点的布置是根据空气的流动方向设置的。

2 数值计算

2.1 控制方程及边界条件

求解基于不可压缩的三维紊流流体流固耦合稳态传热问题，在常物性和宏观热能守恒的假设下，对于固体的导热计算应遵循傅立叶定律，同时流体流动和传热必须满足连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒定律。

计算选用simple 算法，采用三维不可压缩，且满足Boussinesq 假设，湍流、稳态模型，忽略黏性耗散。残差、连续方程、湍流参数和动量方程的收敛的标准为10，能量方程的收敛标准为10。

控制方程：div（）=div（Γgradφ）+S其中，为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项，与值相对应。控制方程的各变量如表1所示。

表1 控制方程各变量

由于户外双层智能柜的结构复杂，前处理采用Gambit软件进行建模和网格划分，为了保证该模型能够准确地反映柜内温度梯度和气流组织状况，在进行网格划分时，对户外双层智能柜的排气部分（进风口、排风风机、出风口等）进行了局部加密，并采用非结构网格对其进行网格划分。由于智能柜的结构相对复杂，因此在保证相关物理量准确的前提下，建立模型时对柜体做了以下简化与假设：（1）忽略侧板的空气对流，因为侧板之间的间距很小，属于自由对流。（2）忽略周围空气温度对流，智能柜壁面的温度恒定。（3）忽略柜内支撑杆对流场的影响。

柜体边界条件：设定环境温度，实验测取相应的壁面温度。Fluent 中进口选用速度入口（velocity-inlet），假设入口来流的速度均匀分布，忽略重力场的影响，进口速度根据选用的风机排风量来确定，温度为环境温度。出口选用outflow。柜内2 块40 W 的智能元件，边界条件是热源source terms，设置其热流密度q（w/m）。计算结果的处理方法见文献[7]。

2.2 数值计算结果

采用该模型对户外双层智能柜内部的温度场进行研究。由于户外双层智能柜的工作环境温度通常是40 ℃和50 ℃，因此对智能柜进行数值模拟时选用环境温度为40 ℃和50℃。计算结果如图3所示，由图可知环境温度40 ℃和50℃时柜体内部的温度分布情况。从数值模拟结果的截面图（=480）可以清晰地看出柜体内部空气流动过程中所产生的温度梯度，环境温度为40 ℃时，柜内的最高温度为324 K（50.85 ℃），环境温度为50 ℃时，柜内的最高温度为335 K（61.85 ℃），二者的最高温度均是柜体内智能元件的温度，且下侧智能元件比上侧智能元件的温度略低。百叶窗口附近的温度较低，因百叶窗是外部空气的主要进口，柜体底部的温度比百叶窗附近的温度略高，原因在于外部空气进入柜体内，随着排风机的运行，气流向上流动，较少的气流在柜体下侧循环流动，智能元件发出的热量被带到柜体顶部，然后从顶部的百叶窗排到柜外。此外，由图可以看出，风机附近的温度略高于百叶窗附近的温度，这是由于柜体内部的热量由风机带动排出，进而实现柜体内部温度的降低。

图3 环境温度为40℃和50℃的温度场分布（y=480）

3 数值模拟与实验的对比分析

实验开始前，首先将加热房温度调到40 ℃和50 ℃，然后开启户外双层智能柜，使智能柜内部的智能元件和风机运行一段时间，保证智能柜的速度场处于一个比较稳定的状态。温度采样点的布置如图2所示，表2给出了环境温度在40℃和50 ℃时，各个采样点的温度值，由表中数据可知柜体内部温度的分布规律，柜体中部采样点的温度值偏高，进风口和出风口的温度偏低，这是由于柜内中部的热量流通性较进风口和出风口略差，将实验与模拟值对比发现，实验值较模拟值略高。

表2 环境温度40 ℃和50 ℃的模拟和实验温度值

为了更好地验证数值模拟结果的准确性，又因智能元件是智能柜正常运行的重要组件，因此进一步研究了6 种（30 ～90 ℃）不同环境温度下智能元件表面的温度值，即采样点2 和6，研究结果如图4所示。由4 图可知，随着环境温度的升高，采样点2 和6 的温度逐渐升高，将数值模拟与实验的数值进行了对比发现实验值较模拟值略高。按模型量纲化指标中的均方根差对各物理参数工况下的结果进行分析，得出：环境温度为40 ℃和50 ℃时温度的均方根差（RMSE）分别为6.14%和7.2%。点2 和6 在不同工况下温度的均方根差（RMSE）分别为4.1%和2.1%。整个模拟的平均RMSE 为4.9%。

图4 采样点2 和6 在不同环境温度下的温度特点

由上述分析可见，该数值模拟结果是可靠的，说明该CFD 模型可以作为基准模型，将其用于其他工况下户外双层智能柜内温度场和流场的数值模拟，进而实现户外双层智能柜内温度控制的研究。

4 结 论

本文以户外双层智能柜作为研究对象，通过数值模拟和实验对智能柜内部的温度进行了研究，将二者进行了对比，发现：（1）数值模拟和实验结果基本吻合，整个模拟的平均均方根差为4.9%。（2）获得了模拟户外双层智能柜的基准模型，为能够更好控制柜体内部温度，以及智能柜的结构优化研究提供了模型基础。