某列車(chē)牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)主風(fēng)道的流動(dòng)特性研究

林鵬　仲崇成

摘要：文章基于CFD仿真，分析了在指定進(jìn)風(fēng)量下某列車(chē)牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)主風(fēng)道內(nèi)的壓力分布、沿程損失、局部渦流分布等空氣流動(dòng)特性，并與相關(guān)風(fēng)道性能數(shù)據(jù)的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，提高了仿真模型的準(zhǔn)確度，為后續(xù)主風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作提供了支撐。

關(guān)鍵詞：列車(chē)；牽引電機(jī)；冷卻系統(tǒng)；主風(fēng)道；CFD仿真；流動(dòng)特性 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U260 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.006

1 概述

近年來(lái)，很多發(fā)達(dá)國(guó)家的知名鐵路制造企業(yè)，如法國(guó)阿爾斯通、日本東芝、德國(guó)西門(mén)子等，已經(jīng)著手研發(fā)用于新一代動(dòng)車(chē)組的永磁牽引電機(jī)。與常用的異步牽引電機(jī)相比，永磁牽引電機(jī)具有效率更高、成本更低、體積更小、重量更輕化等優(yōu)點(diǎn)，更好地迎合了人類(lèi)對(duì)地球環(huán)境保護(hù)及能源問(wèn)題的要求。目前，我國(guó)也已著手開(kāi)展永磁牽引電機(jī)的相關(guān)研發(fā)工作，并取得了一定階段成果。不過(guò)，永磁動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)的散熱量仍然較大，再加上車(chē)下設(shè)備艙空間有限且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給風(fēng)道合理布風(fēng)帶來(lái)了很大的困難和限制。對(duì)此，本文基于永磁牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)主風(fēng)道結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)主風(fēng)道），研究了指定進(jìn)風(fēng)量下的主風(fēng)道流動(dòng)特性，為將來(lái)相似風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 CFD仿真模型的建立

CFD是近年來(lái)迅速發(fā)展的復(fù)合學(xué)科，它將近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合，數(shù)值求解描述不同種類(lèi)流體運(yùn)動(dòng)及傳熱傳質(zhì)規(guī)律的偏微分方程組，得到確定邊界條件下的工質(zhì)流動(dòng)、輸運(yùn)、相變等數(shù)值解。本文正是基于CFD技術(shù)研究主風(fēng)道的流動(dòng)分布特性，所用計(jì)算軟件是Star-CCM+?。

2.1 幾何模型

主風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖1所示，擁有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口、2個(gè)出風(fēng)口，兩分支流道通常被設(shè)計(jì)師形象地稱(chēng)為“直腿”和“彎腿”。風(fēng)道內(nèi)布有7塊導(dǎo)流板，以求使兩出風(fēng)口的流量盡可能相等，同時(shí)減小兩分支的沿程壓力損失和局部渦流。

圖1 主風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

本文選用多面體網(wǎng)格劃分主風(fēng)道結(jié)構(gòu)，可以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高計(jì)算速度。為防止計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)回流，導(dǎo)致迭代不易收斂，還需對(duì)出口網(wǎng)格進(jìn)行拉伸操作。最終生成多面體網(wǎng)格約87萬(wàn)，頂點(diǎn)數(shù)約270萬(wàn)。

2.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

本文主要分析進(jìn)風(fēng)量為50m3/min時(shí)主風(fēng)道的流動(dòng)特性，按定常不可壓縮流動(dòng)進(jìn)行模擬，主要計(jì)算參數(shù)設(shè)置如下：采用兩方程k-ε模型描述湍流行為；采用壁面函數(shù)模擬近壁面流動(dòng)特性；模型僅考慮質(zhì)量和動(dòng)量控制方程，無(wú)需聯(lián)立能量控制方程，求解過(guò)程視為等溫；采用二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)，避免數(shù)值假擴(kuò)散的誤差；采用分離式SIMPLE求解器處理離散所得方程組。

3 主風(fēng)道流動(dòng)特性的分析及試驗(yàn)對(duì)比

當(dāng)進(jìn)風(fēng)量為50m3/min時(shí)，主風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口的法相流速約為19.1m/s。以進(jìn)風(fēng)口中點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿流動(dòng)方向?qū)L(fēng)道從中央剖開(kāi)，其剖面速度分布如圖2所示。可以看出：來(lái)流在進(jìn)風(fēng)口附近的擴(kuò)口、風(fēng)道中央的導(dǎo)流板以及兩分支的出口處明顯減速，而在彎腿的拐角處明顯加速，速度最大值接近35m/s。此時(shí)，直腿與彎腿出口的流量比為1.014，沿程損失分別約為393Pa和410Pa。

圖2 剖面處的速度分布云圖

主風(fēng)道內(nèi)部的速度流線分布如圖3所示。可以看出：風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)比較順暢，僅在少數(shù)區(qū)域存在渦流，以進(jìn)風(fēng)口附近的擴(kuò)口和彎腿出口處最為明顯。不過(guò)受設(shè)備艙其他部件的外形限制，主風(fēng)道外輪廓在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)很難有大調(diào)整，其性能改進(jìn)一般從內(nèi)部導(dǎo)流板入手。

圖3 主風(fēng)道內(nèi)部的速度流線分布圖

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，還進(jìn)行了風(fēng)道相關(guān)性能數(shù)據(jù)的試驗(yàn)測(cè)試，全部基于《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》（GB/T 1236-2000）完成，如圖4（a）所示。對(duì)于進(jìn)口流量測(cè)試而言，在風(fēng)道進(jìn)口側(cè)按面積等分的方法選取測(cè)點(diǎn)，利用畢托管與電子微壓差計(jì)測(cè)得進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，取各測(cè)點(diǎn)的平均值作為風(fēng)速值，然后根據(jù)速度面積法求得風(fēng)量。對(duì)于出口流量測(cè)試而言，由于在出口側(cè)風(fēng)速分布極其不均勻，因此出口的風(fēng)速將基于風(fēng)量測(cè)試值計(jì)算得到，直接利用Model8373套帽式風(fēng)量罩測(cè)試出風(fēng)口風(fēng)速，如圖4（b）和圖4（c）所示。對(duì)于壓力測(cè)試而言，在風(fēng)道進(jìn)口測(cè)點(diǎn)布置與風(fēng)速測(cè)試相同，利用畢托管與微壓差計(jì)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓、靜壓和全壓值。測(cè)試的環(huán)境溫度為20℃。

分析試驗(yàn)結(jié)果后得出，直腿與彎腿的風(fēng)量相差很小，在50m3/min運(yùn)用工況下二者的分流比試驗(yàn)值為1.041，與仿真結(jié)果基本一致。但沿程壓力損失試驗(yàn)值要高于仿真值，分別約為直腿455Pa和彎腿464.7Pa，原因可能在于仿真模型無(wú)法反映風(fēng)道壁面的實(shí)際粗糙度。但總體上看，仿真得到的主風(fēng)道流動(dòng)特性與試驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，說(shuō)明了本文仿真建模思想的正確性。

（a）測(cè)試用主風(fēng)道實(shí)際結(jié)構(gòu)；（b）彎腿出口測(cè)試；

（c）直腿出口測(cè)試

圖4 主風(fēng)道試驗(yàn)設(shè)置

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用CFD分析了指定進(jìn)風(fēng)量時(shí)主風(fēng)道的空氣流動(dòng)特性，所得結(jié)論如下：在50m3/min的指定進(jìn)風(fēng)量下，主風(fēng)道兩分支出口流量比基本接近1，較好地滿足了主要設(shè)計(jì)目標(biāo)；彎腿沿程壓力損失略大于直腿，但兩者相差并不大，僅為數(shù)Pa左右。

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作者簡(jiǎn)介：林鵬（1982-），男，山東煙臺(tái)人，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司國(guó)家工程研究中心高級(jí)工程師，工學(xué)博士，研究方向：力學(xué)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）