變電站戶外機(jī)柜的熱仿真分析

本文運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)密閉戶外機(jī)柜及內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行熱分析。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)方式、機(jī)柜內(nèi)部不同流體控制方式，對(duì)機(jī)柜內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)及溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真模擬分析，獲得在不同情況下內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化情況，從而為實(shí)際應(yīng)用提供一個(gè)理論支撐。

　　一、前言

　　由于變電站業(yè)務(wù)需求及技術(shù)的進(jìn)步，促使變電站一、二次設(shè)備的融合，功能向智能化發(fā)展，也產(chǎn)生了智能終端設(shè)備配置及安裝的變化，使其從原來(lái)的戶內(nèi)開放式放置向戶外密閉式放置過(guò)渡。在戶外無(wú)遮擋情況下，陽(yáng)光輻射以及設(shè)備本身耗散的熱量作用使得密封機(jī)柜內(nèi)部溫度有可能超出設(shè)備允許的范圍，裝置長(zhǎng)時(shí)間在超負(fù)荷高溫下運(yùn)行，會(huì)引起元器件性能的降低，進(jìn)而導(dǎo)致裝置故障，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在密封的戶外機(jī)柜中如何控制內(nèi)部的溫度，成為戶外機(jī)柜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　目前對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)熱負(fù)荷設(shè)計(jì)分析，大多采用有限元分析方法。本文以SolidWorks Simulation軟件對(duì)戶外機(jī)柜內(nèi)部的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，為戶外機(jī)柜熱仿真提供一種直觀效果，提高計(jì)算的閱讀力。另外根據(jù)仿真結(jié)果可方便地修改局部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步達(dá)到最優(yōu)。

　　二、 熱傳遞機(jī)理

　　通常，熱量的傳輸有三種方式。

　　(1)傳導(dǎo)。傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式。其傳熱量與材質(zhì)的熱導(dǎo)率、溫差、通過(guò)的面積成正比，與通過(guò)的長(zhǎng)度成反比。

　　(2)對(duì)流。對(duì)流是固體表面與附近流體間的傳熱方式。傳熱量的大小與對(duì)流系數(shù)、表面積、表面與流體間的溫差成正比。

　　(3)輻射。熱輻射是在一定溫度下的物體通過(guò)電磁波的形式向外發(fā)射的過(guò)程。物體熱輻射的大小與物體表面積、物體表面輻射系數(shù)和溫度的4次方成正比。

　　密閉戶外機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)就是遵循以上原理，對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，合理布局內(nèi)部元件，選擇合適的散熱方式，達(dá)到對(duì)裝置內(nèi)部元器件散熱的目的。

　　三、建立數(shù)學(xué)模型

　　1.控制方程

　　在計(jì)算過(guò)程中，要考慮流體、傳熱的綜合效果，其計(jì)算基礎(chǔ)如下。

　　在穩(wěn)態(tài)情況下：流體的連續(xù)方程為。 其中u、v、w為x、y、z方向的速度分量。

　　動(dòng)量方程為

　　其中p為壓力，為粘滯系數(shù)。

　　能量方程為。

　　仿真計(jì)算就是通過(guò)求解3個(gè)方程，獲得流體在穩(wěn)態(tài)時(shí)各點(diǎn)的u、v、w分布以及P和T分布情況。

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