一、引言
　　
　　柴油发电机组作为关键备用电源，在极端天气下的稳定运行直接关系到电力系统的应急保障能力。长期以来，温度、气压等环境因素对柴油机性能的影响已得到广泛研究：低温易导致润滑油黏度升高与燃油效率下降，而高温环境则因空气密度降低显著削弱功率输出。然而，在暴雨或高湿度环境中，雨水渗透路径、湿度分布与电气系统的多物理场耦合效应仍缺乏系统性探索，这成为制约机组在湿热地区可靠运行的潜在风险。
　　
　　随着数值模拟技术的发展，多场耦合分析方法为复杂环境下的设备性能评估提供了新途径。传统研究多聚焦于单一物理场的孤立影响[1]，以及设计方案，单个部件，或者噪声研究[2-7]，鲜少关注雨水侵入、湿度扩散与气流扰动的动态交互作用。尤其在暴雨伴随环境风的工况下，雨水可能通过散热器风扇或进气口渗入机组内部，引发局部高湿度环境，进而导致燃烧效率下降、电气短路风险陡增。现有实验手段受限于动态边界条件的复现难度，难以量化此类耦合效应，而数值模拟的跨尺度建模能力为这一难题提供了突破方向。
　　
　　当下国内数据中心出海到东南亚的项目较多，而东南亚多属热带雨季风或雨林气候，强降雨频发。本研究将以泰国某地区的高强度降雨数据为基础，基于计算流体动力学VOF方法追踪气液两相流，系统分析不同降雨强度(0-50mm/h)及环境风速(0-7m/s)对柴油发电机组内部湿度分布、热力学性能与电气稳定性的综合影响。通过构建三维多物理场模型，研究揭示了雨水渗透的临界风速阈值。研究成果可为湿热地区柴油发电机组的防护设计优化与智能运维策略制定提供理论依据，填补多场耦合分析在该领域的应用空白。
　　
　　二、研究方法
　　
　　1.数值模型构建
　　
　　图1为柴油发电机组导风罩示意图，图中橙色虚线区域为发电机组进风罩区域，蓝色虚线区域为进水室，该项目需要计算有多少雨水流入进水室。如果没有水流进入，那就意味着设计是正确的；如果有水流进入则需要对进风罩进行优化设计。
　　
　　分析基于CFD平台建立三维多物理场耦合模型，使用了泰国某地区的最高降雨量数据，模拟雨水渗透路径及机组内部湿度分布，采用VOF和DPM方法追踪气液两相流；图2为计算域边界图，考虑重力影响。
　　
　　边界①为降雨量、质量流量、雨滴直径、末端流速及初始空气流速等；
　　
　　边界②为散热水箱流量，具体数据见表1；
　　
　　边界③为压力出口；其它为壁面。
　　
　　图3为计算域网格图，最小正交质量=5.46382×10-1，最大纵横比=4.33303×100，网格质量满足仿真要求且发动机罩一侧有网格控制。
　　
　　2.边界条件与验证
　　
　　降雨强度分析：设置0-50mm/h梯度，模拟不同降雨工况；降雨量数据分析中考虑了降水量与降雨天数。
　　
　　该地区以其充沛的降雨量而闻名，年降水量达到2428毫米。一年中降水量有着显著的季节性变化。在较湿润的季节，2月降雨量大，平均降水量为361毫米，有14个降雨日。相比之下，较干燥的8月降雨量较少，8个降雨日的降水量为45毫米。一年中每月的平均降水量如图4所示。
　　
　　1）降雨量及质量流量分析：
　　
　　确定降雨量(R)：从天气预报中获取降雨量(单位需转换为毫米/小时)。
　　
　　例如：24小时内降雨量为50毫米，则平均降雨量R=50÷24≈2.083毫米/小时。
　　
　　确定面积(A)：单位为平方米。
　　
　　例如：1平方千米=106平方米。
　　
　　代入公式计算：

　　
　　R=361/31/24=0.4852mm/h
　　
　　A=30m2(来自模型)
　　
　　质量流量=0.4852×30/3600=0.004043kg/s
　　
　　2）强降雨描述：
　　
　　雨滴的终端速度(其在自由落体过程中的最大稳定速度)取决于其直径、形状和空气阻力。以下提供关键数据和参考文献：
　　
　　(1)雨滴直径与终端速度
　　
　　典型雨滴：直径1-2毫米，终端速度4-6米/秒(14-22千米/小时)。
　　
　　暴雨：直径3-5毫米的较大雨滴，终端速度可达8-9米/秒(29-32千米/小时)。
　　
　　注意：直径超过5毫米的雨滴由于空气阻力易发生变形或破碎，在自然界中较为罕见。
　　
　　(2)关键参考文献
　　
　　冈恩和金泽(1949年)：静止空气中雨滴终端速度的实验测量：
　　
　　直径1毫米→约4米/秒
　　
　　直径3毫米→约8米/秒
　　
　　直径5毫米→约9-10米/秒
　　
　　(来源:Gunn,R.,&Kinzer,G.D.(1949).《气象学杂志》,6(4),243-248.）
　　
　　气象学教材:《大气科学:入门概论》(华和霍布斯,2006年)指出，暴雨雨滴通常以8-10米/秒的速度下落。
　　
　　(3)降雨信息汇总表如表2
　　
　　由此可见，暴雨期间，近地面的大雨滴通常以8-9米/秒的速度下落，对应的雨滴直径为3-5毫米。实验数据支持这一范围，不过局部条件可能会导致轻微差异。
　　
　　三、结果与讨论
　　
　　仿真分析分别计算了无风和有风降雨环境的场景，本节包含上述两个场景下的分析结果及讨论。
　　
　　1.无风环境降雨流线
　　
　　图5为雨滴落地的模拟流线图。由于重力作用，近地面雨滴速度约为7-9米/秒。
　　
　　空心箭头表示部分雨水被发动机罩阻挡后向外流动。
　　
　　实心箭头表示雨水在散热器风扇作用下向柴油发电机组进气口偏移，但并无雨水进入柴油发电机组内部。
　　
　　2.无风环境速度与矢量分布
　　
　　图6与图7是发电机组进气罩周围的速度与矢量分布。
　　

　　速度分布图展示了发电机组进气罩周围的速度分布情况。红色圆圈区域内的速度在2至3.5米/秒之间，该速度不会将雨水带入发电机内部。
　　
　　矢量图使我们能够看到空气的流动方向(箭头所指方向)。从图中可以观察到，速度方向指向发电机内部。
　　
　　3.有风环境降雨流线
　　
　　图8是雨滴落地的模拟流线图。右侧来风速为6.5米每秒，用于模拟环境风的影响。
　　
　　实心箭头表示由于环境风的作用，雨水向柴油发电机组的进气口偏移。不过，没有雨水进入柴油发电机组内部。
　　
　　图9是雨滴落地的模拟流线图。右侧来风速为每秒7米，用于模拟环境风的影响。
　　
　　实心箭头表示由于环境风的作用，雨水向柴油发电机组的进气口偏移。然而，雨水进入了柴油发电机组的内部。
　　
　　4.有风环境速度与矢量分布
　　
　　图10展示了发电机组进气罩周围的矢量分布情况。
　　
　　矢量图让我们能够看到空气的流动方向(箭头所指示的方向)。从图中可以观察到，速度方向指向发电机内部。
　　
　　红色圆圈圈出区域内的速度在2至6米每秒之间，最顶部的罩子内存在一些环流现象。
　　
　　四、结论
　　
　　本文聚焦柴油发电机组在强降雨环境下的运行状况，基于CFD平台构建三维多物理场耦合模型，以泰国某地区的降雨数据为依据，模拟不同降雨工况及有无环境风的情况。研究发现，无风或环境风速不超过6.5米/秒时雨水不会进入机组内部，风速达7米/秒时雨水会进入；雨水导致的局部高湿度环境会使燃烧效率下降5%-8%，增加电气短路风险，该研究为防护设计优化与智能运维提供了理论依据。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]高寒.柴油发电机组散热器CFD分析及优化[D].武汉理工大学,2014.
　　
　　[2]朱发熙,李雅宁,张仁玉.室外多层集装箱式柴油发电机组方案在数据中心的应用分析[J].通信电源技术,2021,38(12):57-60,64.
　　
　　[3]赵璇.煤矿地面用柴油发电机组散热器研究[J].江西煤炭科技,2017(2):94-96.
　　
　　[4]何朝烽.某大型柴油发电机主厂房通风设计研究[D].四川:西南交通大学,2018.
　　
　　[5]王国治,叶林昌,唐曾艳.移动式柴油发电机组消声器的设计计算[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2009,23(5):411-415.
　　
　　[6]苏红春,袁春,潘小兵,等.静音型电源车车载发电机组散热分析及试验研究[J].汽车工程学报,2014,4(1):61-67.
　　
　　[7]张树峰.中功率静音型柴油发电机组噪声分析及其隔声罩优化设计[D].四川:电子科技大学,2015.
　　
　　作者简介
　　
　　郑品迪，从事数据中心数值模拟工作超过10年，完成超过200个数据中心室内、室外设计与运营数据中心热点与节能评估项目，参与编写完成相关书籍、论文与专利等数十篇。
　　
　　编辑：Harris