動車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道流場數(shù)值計(jì)算

宋剛,尤明,王東屏,高壯

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發(fā)部，吉林 長春 130062; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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動車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道流場數(shù)值計(jì)算

宋剛1,尤明2,王東屏2,高壯2

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發(fā)部，吉林 長春 130062; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

基于不可壓縮流體控制方程和標(biāo)準(zhǔn)的 k-ε湍流模型，建立動車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道的三維流場計(jì)算模型，在兩種計(jì)算工況下對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出風(fēng)道(包含硬風(fēng)道和軟風(fēng)道)損耗及軟風(fēng)道出風(fēng)口處的風(fēng)壓和風(fēng)量，對風(fēng)道的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估.計(jì)算表明：兩種工況下，風(fēng)道總壓降為266.1～356.7 Pa，風(fēng)道出口的壓力能達(dá)到2 880～3 150 Pa，風(fēng)道兩出風(fēng)口的相對誤差為2.53%～5.30%，風(fēng)道的設(shè)計(jì)方案均滿足設(shè)計(jì)要求.

風(fēng)道；CFD；方案評估

0 引言

動車組高速、重載，要求發(fā)動機(jī)功率大，對牽引電機(jī)散熱要求高.牽引電機(jī)散熱情形的好壞將決定動車組能否安全運(yùn)行.因此對動車組動車牽引電機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)及風(fēng)道布風(fēng)有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn).由于動車組車下空間復(fù)雜且有限，給風(fēng)道均勻布風(fēng)帶來很大的困難及限制，所以選擇性能良好并用合理的通風(fēng)系統(tǒng)非常必要[1].

利用試驗(yàn)的方法來確定風(fēng)道系統(tǒng)送風(fēng)口的尺寸、位置往往耗費(fèi)很大，且難于找到影響風(fēng)量分配的主要因素.運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在工程中的應(yīng)用，使得研究者可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行研究，探明問題、縮短研制周期,減少反復(fù)試驗(yàn)造成的浪費(fèi).文獻(xiàn)[2]利用ANSYS中的PFLOTRAN模塊對機(jī)車牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道內(nèi)流場進(jìn)行三維計(jì)算分析,獲得了管道進(jìn)出口壓差和流量,為新型機(jī)車?yán)鋮s管道的設(shè)計(jì)提供了依據(jù).文獻(xiàn)[3]利用Fluent 軟件對內(nèi)燃機(jī)車牽引電動機(jī)風(fēng)道內(nèi)流場進(jìn)行三維計(jì)算分析，獲得了風(fēng)道進(jìn)出口壓差和流量的平衡，對風(fēng)道進(jìn)出口的尺寸和形狀進(jìn)行了優(yōu)化.上述文獻(xiàn)在機(jī)車風(fēng)道設(shè)計(jì)中，用CFD的方法對風(fēng)道流場進(jìn)行了數(shù)值分析，并且在優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了一些研究，但還未涉及對動車組牽引電機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)做數(shù)值分析.

1 算法原理

研究動車組動車風(fēng)道內(nèi)流場的空氣動力特性，其實(shí)質(zhì)是流體流動問題.而流體運(yùn)動是最復(fù)雜的物理行為之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問題相比，其建模與數(shù)值模擬要困難得多.動車風(fēng)道內(nèi)流場的空氣流動是三維、定常、不可壓縮流動.根據(jù)流場特點(diǎn)，描述空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、Reynolds 時均Navier-Stokes 方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS)以及湍流模型方程[4].計(jì)算湍流運(yùn)動時，還需要附加湍流方程，本次計(jì)算采用了適用范圍廣，且工程計(jì)算中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[5].

在數(shù)值計(jì)算中，采用有限體積法中常用的SIMPLE算法對離散方程進(jìn)行求解，離散方程時，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)采用二階中心差分格式.

2 風(fēng)道的數(shù)值計(jì)算

圖1(a)為風(fēng)道內(nèi)流場的三維計(jì)算模型.風(fēng)道有1個進(jìn)風(fēng)口和2個出風(fēng)口，空氣由通風(fēng)機(jī)吹入進(jìn)風(fēng)口.風(fēng)道出口通向電機(jī)，共分兩個子通道.風(fēng)道的網(wǎng)格模型如圖1(b)所示.風(fēng)道出口由兩端軟風(fēng)道組成.為了適應(yīng)風(fēng)道的模型結(jié)構(gòu)，采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，風(fēng)道的網(wǎng)格單元數(shù)為750萬，整體網(wǎng)格質(zhì)量良好.

(a)計(jì)算模型

(b)網(wǎng)格模型

2.1 工況1的計(jì)算結(jié)果分析

首先試算在計(jì)算工況流量下風(fēng)道的壓降情況，壓降為332.8 Pa.然后對比進(jìn)口風(fēng)壓得到出口的風(fēng)壓值，以此設(shè)定為邊界條件如表1所示.

表1 工況1邊界條件

風(fēng)道進(jìn)出口體積流量相對誤差為0.001 4%，小于0.5%，計(jì)算迭代582步收斂，采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算殘差標(biāo)準(zhǔn)是10-3.

風(fēng)道的整體壓力云圖如圖2所示，由圖中可以看出，進(jìn)風(fēng)口處平均壓力為3 256 Pa，出風(fēng)口1處壓力為2 799.6 Pa，出風(fēng)口2處壓力為2 799.3 Pa.

圖2 風(fēng)道的壓力分布云圖(工況1)

圖3是風(fēng)道進(jìn)、出口及風(fēng)道中兩個截面的壓力分布.在軟風(fēng)道1進(jìn)口的平均壓力為2 824.8 Pa，出口的壓力為2 799.6 Pa，所以軟風(fēng)道1壓差為25.2 Pa.軟風(fēng)道2進(jìn)口的平均壓力為2 907.0 Pa，出口的壓力為2 799.3 Pa，軟風(fēng)道2的壓差為107.7 Pa.

圖3 風(fēng)道進(jìn)、出口及風(fēng)道中兩個截面壓力分布云圖

軟風(fēng)道的速度矢量分布如圖4所示.從圖中可以看出，軟風(fēng)道入口部位空氣速度較大，由于軟風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特殊，因此在軟風(fēng)道的壁上褶皺區(qū)域存在部分渦流現(xiàn)象，由此產(chǎn)生一定的壓力損失.整個風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口(1、2)的流量統(tǒng)計(jì)分別為：1.484、0.732 、0.751 m3/s，出風(fēng)口2與出風(fēng)口1流量相對誤差為2.60%.風(fēng)道中各部分風(fēng)壓統(tǒng)計(jì)如下：進(jìn)口壓力為3 156.1 Pa，風(fēng)道入口到軟風(fēng)道入口1壓差為331.2 Pa，軟風(fēng)道1壓差為25.2 Pa，

總的來說，該算法占用資源少、處理速度快，尤其適用于在圖像目標(biāo)的檢測場合中實(shí)現(xiàn)硬件加速，因此該算法不僅適用于在線紙病檢測系統(tǒng)，同時也適用于其他實(shí)時性較強(qiáng)的應(yīng)用中，可以針對不同的應(yīng)用場合靈活控制分塊的數(shù)量，完成對圖像目標(biāo)的檢測和提取，以提高系統(tǒng)的實(shí)時性。

(a)軟風(fēng)道1

(b)軟風(fēng)道2

風(fēng)道入口到軟風(fēng)道入口2壓差為249.0 Pa，軟風(fēng)道2壓差為107.7 Pa，風(fēng)道總壓降為356.7 Pa.

2.2 工況2的計(jì)算分析

由于工況2的風(fēng)量小，風(fēng)道的壓力損失比工況1小，為237.5 Pa.邊界條件的設(shè)定如表2所示.

表2 工況2的邊界條件

風(fēng)道進(jìn)出口體積流量相對誤差為0.000 13%，小于0.5%，計(jì)算迭代515步收斂，采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算殘差標(biāo)準(zhǔn)是10-3.

風(fēng)道的整體壓力云圖如圖5所示，從圖中可以看出，進(jìn)風(fēng)口處平均壓力為3 415.6 Pa，出風(fēng)口1處壓力為3 149.7 Pa，出風(fēng)口2處壓力為3 149.5 Pa，風(fēng)道的壓力損失為266.1 Pa.

圖5 風(fēng)道的整體壓力云圖(工況2)

風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口的平均壓力為3 415.6 Pa.在軟風(fēng)道1進(jìn)口的平均壓力為3 183.1 Pa，軟風(fēng)道1出口的壓力為3 149.7 Pa，軟風(fēng)道壓差為33.4 Pa.軟風(fēng)道2進(jìn)口的平均壓力為3 223.2 Pa，軟風(fēng)道2出口的壓力為3 149.5 Pa，軟風(fēng)道壓差為73.7 Pa.整個風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口(1、2)的流量統(tǒng)計(jì)分別為：1.25、0.608、0.642 m3/s，出風(fēng)口2與出風(fēng)口1流相對誤差為5.59%.工況2中風(fēng)道風(fēng)壓統(tǒng)計(jì)如下：進(jìn)口壓力為3 415.6 Pa，風(fēng)道入口到軟風(fēng)道入口1壓差為232.5 Pa，軟風(fēng)道1壓差為33.4 Pa，風(fēng)道入口到軟風(fēng)道入口2壓差為129.4 Pa，軟風(fēng)道2壓差為73.7 Pa，風(fēng)道總壓降為266.1 Pa.要求出口壓力不能低于2 000 Pa，所以設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié)論

通過對動車組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道三維內(nèi)部流場兩種計(jì)算工況的數(shù)值計(jì)算,得到風(fēng)道內(nèi)壓力場和速度場的詳細(xì)信息,分析結(jié)果得出如下結(jié)論:

(1)在風(fēng)道入口壓力3 250 Pa、流量1.484 m3/s的工況下，風(fēng)道進(jìn)口平均靜壓是3 156.1 Pa，風(fēng)道壓力最大損失356.7 Pa， 風(fēng)道出風(fēng)口1的出風(fēng)量為0.732 m3/s，風(fēng)道出風(fēng)口2的出風(fēng)量為0.751 m3/s，風(fēng)量相對誤差是2.60%；

(2)在風(fēng)道入口壓力3 500 Pa、流量1.25 m3/s的工況下，風(fēng)道進(jìn)口平均靜壓是3 415.6 Pa，工況2的風(fēng)道壓力最大損失266.1 Pa，風(fēng)道出風(fēng)口1的出風(fēng)量為0.608 m3/s，風(fēng)道出風(fēng)口2的出風(fēng)量為0.642 m3/s，風(fēng)量相對誤差是5.59%；

(3)計(jì)算結(jié)果表明：風(fēng)道的設(shè)計(jì)方案滿足風(fēng)壓及風(fēng)量均勻性的要求.

[1]王巍，劉艷艷，介紅恩，等．機(jī)車牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)部流動數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009(3) ：20-22．

[2]王惠玉，芮 斌，焦立新．機(jī)車牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道空氣流場的分析[J].內(nèi)燃機(jī)車，2003(5) ：7-11．

[3]張亞軍，杜禮明．機(jī)車通風(fēng)風(fēng)道流體性能計(jì)算分析和優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)車，2013(3)：18-20．

[4]田紅旗．列車空氣動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007．

[5]王福軍．計(jì)算流體動力學(xué)分析[M] ．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

Flow Field Numerical Calculation of EMU Traction Motor Air Cooling Channel

SONG Gang1,YOU Ming2,WANG Dongping2,GAO Zhuang2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Company Ltd,Railway Customer Development Department,Changchun 130062，China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Based on incompressible fluid flow control equations and standard k-ε turbulence model,a three-dimensional flow field calculation model of EMU traction motor air cooling channel is established.The numerical calculation is carried out for its internal flow field in both working conditions,and the pressure loss of air channel (including hard and soft air channels) and air volume and pressure of the soft air channel outlet are obtained to evaluate the design program of the channel.The calculation result shows that in both working conditions,the total channel pressure drop is 266.1-356.7 Pa,the channel outlet pressure can reach 2 880-3 150 Pa,and the relative error of the two air outlet channel is 2.53%-5.30%,which proves that the channel design meets the design requirements.

channel；CFD；program evaluation

1673-9590(2015)03-0022-04

2014-09-23

宋剛(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事動車組牽引系統(tǒng)及牽引冷卻系統(tǒng)方面研究 E-mail:songgang@cccar.com.cn.

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