发电机组变频器流场模拟及其散热优化.pdf
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1、第36卷第4期2023年8月Vol.36 No.4Aug.2023四川轻化工大学学报(自然科学版)Journal of Sichuan University of Science&Engineering(Natural Science Edition)收稿日期:2022-07-24基金项目:国家自然科学基金项目(51876109);陕西省国际科技合作计划重点项目(2020KWZ-015);陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目(22JP012)作者简介:谭礼斌(1991-),男,工程师,博士生,研究方向为热能工程及流体力学,(E-mail)文章编号:20967543(2023)04003409D
2、OI:10.11863/j.suse.2023.04.05发电机组变频器流场模拟及其散热优化谭礼斌,袁越锦(陕西科技大学机电工程学院,西安 710021)摘 要:以某发电机组为研究对象,对变频器吹风冷却结构方案进行了对比分析,研究不同散热结构下变频器表面的风速分布。结果表明:风扇方案6、变频器中间挡板散热片下移5 mm、风扇向内增高2 mm、风扇入口半径4.5 mm的环形小孔和风扇出口长度增加15 mm时变频器表面风速分布较好,变频器表面最高温度为80,体平均温度为73,满足使用需求(90);缸头、缸头盖、箱体盖及箱体温度分布合理。研究结果可为发电机组中变频器部件冷却结构设计及改良提供方法参考
3、。关键词:变频器;风扇结构;散热片布置;表面风速;最高温度中图分类号:TM46文献标识码:A引 言发电机组中变频器的散热冷却至关重要。若变频器温度过高以至超出正常使用温度上限,则会报温度高故障且停止运行。另外,长时间高温环境中运行也会损坏变频器1。因此,散热冷却成为机组变频器关键问题之一。发电机组变频器冷却为强制风冷,主要采用风扇吹风或风扇吸风的方式将冷却风吹至变频器表面,通过散热片布局将冷却风分散,从而达到均匀冷却变频器的目的。目前,随着计算机仿真技术的发展,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析方法对发电机组整机流场及部件冷却的分析及结构改
4、进已得到学者们的广泛关注2-6。如于荣等2开展了变频器绝缘栅双极晶体管芯片(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块散热方法的设计研究,通过调整风道及进风方式改善了模块表面温度。陈俊杰等3结合数值模拟与实验提出了 IGBT模块冷却改进方案,促使IGBT最高温度满足设计要求。韩阳阳4对发电站发电机组冷却系统进行了优化改造,将机组功率提升了 70 kW。李猛5采用 ANSYS软件对高压变频器水冷系统进行了数值模拟分析,验证了水冷系统设计的可靠性。可见,基于CFD技术的数值模拟方法可快速评估产品散热性能。基于CFD分析结果可对其散热结构进行针对性地优化,以提
5、升产品性能7-10。某发电机组变频器冷却结构为风扇吹风强制风冷。为对该发电机组变频器冷却结构进行性能评估及结构改进,本文基于CFD方法搭建机组流场分析模型,重点关注变频器部件表面风速分布。依据流场分析结果针对性地对变频器冷却结构进行第36卷第4期谭礼斌,等:发电机组变频器流场模拟及其散热优化探究并寻求较优的冷却结构方案,从而保证变频器冷却良好,满足使用温度要求,同时预测机组各固体部件的表面温度。研究结果可为发电机组变频器冷却结构设计及整机温度场预测提供方法参考。1 发电机组CFD分析模型搭建1.1 物理模型某发电机组整机三维模型如图1(a)所示。其结构包括机架、发动机、消声器、油箱、导流罩、变
6、频器及风扇罩等。图1(b)、图1(c)所示分别为发电机组外流场计算域与整机的体网格模型示意图。该网格模型是通过流体分析软件STAR-CCM+中的多面体网格技术和边界层网格技术划分而成。根据前期针对发电机组制定的网格策略进行网格参数的设定11,最终发电机组体网格和外流场虚拟计算域的网格总量为800 万。计算域入口(a)三维模型示意图(b)外流场计算域及边界(c)整机体网格图1 发电机组整机三维示意图与网格模型示意图1.2 数学模型采用k-两方程湍流模型开展该发电机组整机流场特性数值模拟。机组内气流流动假设为不可压缩的稳态流动。通过求解流体基本控制方程(连续性方程、动量方程、能量方程)和湍流模型方
7、程即可获得机组流场模拟结果。相应的数学模型方程12-14包括:1)连续性方程ux+vy+wz=0(1)2)动量方程 dudt=Fx+px+2u+13(2ux2+2vxy+2wxz)dvdt=Fy+py+2v+13(2uxy+2vy2+2wyz)dwdt=Fz+pz+2w+13(2uxz+2vyz+2wz2)(2)3)能量方程cp(Tt+Tx+Ty+Tz)=(2Tx2+2Ty2+2Tz2)+d(3)4)k-湍流模型方程kt+uikxi=xj (+tPrk)kxj+Gk+Gb-YM+Skt+uixi=xj (+tPr)xj+C1k(Gk+C3Gb)-C22k+S(4)式(1)(4)中,x、y、z为
8、对应的坐标分量,m;u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量,m/s;为流体密度,kg/m3;Fx、Fy、Fz分别为沿x、y、z方向的体积力,N;为流体黏度系数,Pas;p是流体微元体上的压力,Pa;为拉普拉斯算子;t为时间,s;xi和xj分别为i方向和j方向的坐标分量,m;ui为i方向速度分量,m/s;T为温度,K;为流体换热系数,W/(m2K);d为能量耗散项,流速不高时一般可以忽略。Cp为流体定压比热容,J/(kgK);t为涡流运动粘滞系数,Pas;k为352023年8月四川轻化工大学学报(自然科学版)湍动能,m2/s2;为湍动能耗散率,m2/s3;Gk为速度梯度产生的湍动能项;Gb为
9、浮力产生的湍动能项;YM为膨胀耗散项;C1、C2、C3为经验常数;Prk、Pr分别为与湍动能k和耗散率对应的湍流普朗特数;Sk和S为用户定义源项。固体温度场采用流固耦合方法实现。流固耦合间热量传递采用傅里叶传导方程和流体的对流换热控制方程15描述为:KcondTn=qconv=hconv(Tf-Tw)(5)式中,Kcond为固体导热系数;T/n为法向温度梯度;qconv为单位面积热流量;hconv为局部对流换热系数;Tf为流体温度;Tw为壁面温度。1.3 边界条件风扇转速为 3600 r/min,采用旋转参考坐标(Moving Reference Frame,MRF)方法实现。计算域入口设置为
10、速度入口,速度大小为0.1 m/s,环境温度为40;计算域出口设置为压力出口边界,压力为标准大气压。空滤器边界为质量流量出口,流量为 20 g/s;消声器边界为质量流量进口,流量为20 g/s。缸头、缸头盖、箱体、箱体盖、变频器等固体的材料为Al,变频器的热源材料为Si,电路板材料为PVC。固体热边界加载区域示意图如图2所示。缸头:进气道缸头:排气道缸头:燃烧室区域1缸头:燃烧室区域3缸头:燃烧室区域2(a)进、排气道(b)燃烧室区域1、3(c)燃烧室区域2缸套区域3:缸套下缸套区域1:缸套上缸套区域2:缸套中(d)缸套区域1、3(e)缸套区域2图2 固体热边界条件加载区域示意图热边界加载情况
11、说明如下:1)缸 头 进 气 道 温 度 为 60 ,换 热 系 数 为100 W/(m2K);排气道温度为 500,换热系数为500 W/(m2K)。2)缸头燃烧室划分为燃烧室区域1、燃烧室区域 2、燃烧室区域 3,热流边界分别为 112 500.0、72 560.0、25 430.0 W/m2。3)箱体缸套区域划分为缸套上、缸套中、缸套下,温 度 分 别 为 400、375、350 ;换 热 系 数 为400 W/(m2K)。4)缸头内部、缸头盖内部、箱体内部及箱体盖内部温度为100,换热系数为100 W/(m2K);缸头外部、缸头盖外部、箱体外部及箱体盖外部温度为40,换热系数为50 W
12、/(m2K);消声器表面温度为300。变频器工作环境是发电机组内部,主要实现发电机组的变速运行。变频器的主要发热源为IGBT模块。IGBT产生的热量若不能及时通过外部冷却36第36卷第4期谭礼斌,等:发电机组变频器流场模拟及其散热优化风散去,会导致部件失效而无法正常工作。为简化模型,IGBT模块视为集中发热的热源体,发热量由供应商提供。变频器发热的热源布局如图3所示。图3中热源1、2、3的发热量均为6.7 W,热源6、7、8、9的发热量均为50.0 W,热源4、5、10、11的发热量均为34.0 W,用于变频器表面温度场的计算。变频器散热则主要通过吹向变频器表面的冷却风带走散热片表面热量,以达
13、到降温目的。热源6热源2热源9热源8热源10热源11热源3热源1热源7热源4热源5图3 变频器热源位置2 变频器冷却结构方案2.1 不同风扇结构的风量对比表1列出了用于吹风冷却变频器的6种不同风扇结构方案。方案差异主要体现在叶片形状、叶片数量、叶片高度、风扇直径、蜗壳进出风布置5个方面。图4(a)所示为风扇蜗壳出风口的风量对比。其中,风扇方案6的风量为42.6 g/s,其风量最大,可作为变频器吹风冷却的风扇最优方案。该风扇方案结构尺寸如下:叶片数为24 片,高度为50 mm,直径为120 mm,轮毂直径为100 mm。图4(b)所示为变频器表面风速分布云图。依据变频器热源分布可知变频器的右上区
14、域为热源分布较为集中的区域,此处需要重点冷却。而从图4(b)中变频器表面风速来看,该区域冷却风速较小,冷却风速较大的区域主要集中在右下区域。变频器表面的冷却风风速分布不佳,不利于高温区域的冷却。因此可从变频器散热片布置、风扇进风面积及风扇出风位置等方面进行结构改进,达到改善变频器表面风速分布的目的,从而改善变频器的冷却。表1 6种风扇方案方案号叶片风扇布置12345626.523.617.3228.616.3542.612345601020304050?Q/(g?s-1)?Q风速/(ms-1)20.016.012.08.04.00(a)风扇出口风量对比(b)变频器表面风速分布图4 风扇方案及其
15、出口风量与变频器表面风速分布云图372023年8月四川轻化工大学学报(自然科学版)2.2 不同变频器方案对比图5所示为变频器结构示意图。本节在前述最优风扇方案基础上研究变频器中间挡板散热片位置对变频器表面风速的影响。图6所示为不同挡板方案变频器流道截面风速分布云图。由图6可见,变频器中间挡板散热片位置改动后,风速较大的区域主要集中在左下区域了,不利于中右和右下区域的冷却,但散热片位置改动后的风速分布略比原状态风速分布更合理。总体来看,散热片下移 5 mm的方案使得变频器表面风速分布更为均匀。变频器表面风速分布可通过提升进风能力来改善。中间挡板图5 变频器示意图风速/(ms-1)17.013.6
16、10.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40(a)原状态(b)下移3 mm(c)下移5 mm(d)挡板水平风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40(e)挡板水平+下移5 mm(f)挡板右上(g)挡板中间截断图6 不同挡板方案变频器流道截面风速分布云图2.3 风扇调整方案对比图7所示为风扇结构调整示意图。可以从进风形状或进风口
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