1. 幾何模型

以110 kV預(yù)制艙式變電站的GIS艙為例進(jìn)行仿真分析，首先建立全尺寸幾何模型，如圖1所示。建模時(shí)將智能柜、就地控制柜(local control panel, LCP)和GIS管道簡化等效處理為不同大小的長方體發(fā)熱源。電纜終端處于預(yù)制艙艙體側(cè)墻外部，拼接處有嚴(yán)密封堵措施，因此在模型中將該部分予以簡化處理。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，節(jié)約計(jì)算資源，利用對(duì)稱性在模型截面處對(duì)模型進(jìn)行對(duì)稱處理。

2. 流場(chǎng)模型

實(shí)際工況下，艙體內(nèi)部的濕空氣會(huì)在空調(diào)及排風(fēng)口風(fēng)機(jī)作用下形成強(qiáng)制對(duì)流，模型中將艙內(nèi)濕空氣視作干燥空氣與水蒸氣的理想狀態(tài)混合氣體，選用雷諾數(shù)Re來描述艙內(nèi)濕空氣的流體運(yùn)動(dòng)特征：

式(1)、(2)中：ρ為濕空氣密度，取1.121 kg/m³;u₀為濕空氣平均流速，取1.5 m/s; L為艙體縱截面的特征長度m; a、b分別為艙體縱截面的寬度、高度，取a=1.8m, b=3.6 m;μ為濕空氣的動(dòng)力黏度，取18.448×10^-6Pa·S。

由式(1)、(2)計(jì)算可得Re=2.188×10⁵,遠(yuǎn)大于工程上湍流的臨界值(Re=2300),故選用“湍流，k-ε”模型模擬計(jì)算艙內(nèi)濕空氣的流體運(yùn)動(dòng)。此外，考慮到艙內(nèi)濕空氣的流速相對(duì)較低、壓力變化相對(duì)較小，將其視為不可壓縮牛頓流體，并考慮重力場(chǎng)影響，其瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型﹝包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程(納維斯托克方程)和能量守恒方程﹞描述如下:

式(3)—(9)中：u為流體流速；p為流體壓力，Pa; g為重力加速度常數(shù)；I為單位矩陣；K為應(yīng)力項(xiàng)展開式；F為體積力矢量；k為湍流動(dòng)能；G為壁距離導(dǎo)數(shù)；ε為湍流耗散率；l_ref為湍流參考長度；l_w為湍流長度；μ_T為湍流黏度；f_ε、f_μ分別為耗散率函數(shù)、動(dòng)力黏度函數(shù)；P_k為生成項(xiàng)展開式；σ_k、σ_ε、C_μ、C_ε1、C_ε2、σ_w均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；t為時(shí)間；▽為哈密頓算子；U=(▽u_x,▽u_y,▽u_z),u_x、u_y、u_z為三維空間矢量u的x、y、z軸分量。

式中：C_p為定壓熱容，J/(kg·K);q為熱流密度，W/m²;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Q為熱源項(xiàng)；T為溫度，K。

2. 邊界條件設(shè)定

采用“湍流，k-ε”模型來模擬艙體內(nèi)部的流場(chǎng)，使用“入口”邊界條件作為空調(diào)的進(jìn)風(fēng)口。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在圖2(a)頂棚處、圖2(b)左側(cè)艙壁處設(shè)置長方形邊界，其出風(fēng)速度為1.5 m/s; 左側(cè)艙體側(cè)壁上設(shè)置有3個(gè)通風(fēng)閥，分別為上部2個(gè)事故風(fēng)閥，下部1個(gè)通風(fēng)閥，使用“入口”邊界條件作為通風(fēng)閥的進(jìn)氣口，其進(jìn)氣速度為0.5 m/s; 右側(cè)艙體側(cè)壁對(duì)應(yīng)設(shè)置有3個(gè)排風(fēng)機(jī)，分別為上部1個(gè)日常排風(fēng)機(jī)，下部2個(gè)事故風(fēng)機(jī)，使用“風(fēng)扇”邊界作為排風(fēng)機(jī)的排氣口，傳遞流量為0.05 m³/s。

采用“固體+流體傳熱”模型來模擬艙體內(nèi)部的熱場(chǎng)，定義空氣域?yàn)椤皾窨諝狻?其余部分均定義為“固體”,艙體內(nèi)部環(huán)境溫度初始值設(shè)定為35 ℃。對(duì)應(yīng)空調(diào)出風(fēng)口及通風(fēng)閥進(jìn)氣口，使用“流入”邊界條件，設(shè)定空調(diào)出風(fēng)口的上游溫度值為16 ℃,通風(fēng)閥進(jìn)氣口處的溫度為環(huán)境溫度；使用“發(fā)熱源”邊界條件，將艙體內(nèi)的設(shè)備柜和GIS管道等效為發(fā)熱源,熱耗率分別為設(shè)定為200 W(LCP柜)、100 W(智能柜)、500 W(GIS管道);使用“熱通量”邊界條件，定義艙壁與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換的傳熱系數(shù)為2.5 W/(m²·K)。

采用“空氣中的水分傳輸”模型來模擬艙體內(nèi)部的濕度場(chǎng)，艙體內(nèi)部環(huán)境初始相對(duì)濕度設(shè)定為80%,對(duì)應(yīng)空調(diào)出風(fēng)口及通風(fēng)閥進(jìn)氣口，使用“流入”邊界條件，設(shè)定空調(diào)出風(fēng)口的上游溫度值為16 ℃,上游相對(duì)濕度為60%,通風(fēng)閥進(jìn)氣口處為環(huán)境溫度和環(huán)境相對(duì)濕度；使用“潮濕表面”邊界條件，將艙體內(nèi)壁、地面和設(shè)備柜表面均設(shè)置為可在其表面發(fā)生蒸發(fā)或冷凝效應(yīng)，設(shè)定各表面的蒸發(fā)率因子為1 m/s, 初始液態(tài)水濃度為0。

如果模擬中相對(duì)殘差大于相對(duì)容差，大概有七個(gè)原因：

1. 模型高度非線性化

2. 邊界條件不連續(xù)

3. 沒有穩(wěn)態(tài)解

4. 有多解

5. 網(wǎng)格劃分的過于粗糙

6. 非線性時(shí)間相關(guān)模型

7. 時(shí)間相關(guān)的波模型

本文來自：COMSOL仿真交流