基于有限元的主發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)道設(shè)計(jì)

劉敬知

摘 要：以160km客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車為實(shí)例，結(jié)合有限元仿真技術(shù)和性能計(jì)算，設(shè)計(jì)出了滿足阻力要求的主發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)道，為今后的類似設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車；風(fēng)道；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元

1.背景

內(nèi)燃機(jī)車上有大量需要散熱的部件，要利用風(fēng)道來連接風(fēng)源，為其提供冷卻用風(fēng)。但由于空間、結(jié)構(gòu)等原因，該類風(fēng)道往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜且異形結(jié)構(gòu)，能夠巧妙的布置符合要求的風(fēng)道尤為重要。本文以160km客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車為實(shí)例，并結(jié)合有限元仿真技術(shù)和性能計(jì)算，設(shè)計(jì)出了滿足阻力要求的主發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)道，為今后的類似設(shè)計(jì)提供了參考。

2.工作原理

首次在干線內(nèi)燃機(jī)車上布置冷卻塔，該部件主要用于集中冷卻從機(jī)車主變流器、輔助變流器以及主發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的熱量?；炝魇街骼滹L(fēng)機(jī)安裝在冷卻塔主體機(jī)架內(nèi)，首先由風(fēng)機(jī)將冷卻空氣從機(jī)車電機(jī)室吸入，經(jīng)過冷卻塔散熱器，將冷卻液冷卻后，冷卻空氣從冷卻塔底部進(jìn)入主發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)道，最后對(duì)主發(fā)電機(jī)冷卻，隨后排向車外。部件外形具體見圖1：

3. 主發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1方案設(shè)計(jì)

風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能降低阻力來為整個(gè)系統(tǒng)騰出更多的設(shè)計(jì)余量。由于本例中受機(jī)車整體空間布局的限制，風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖2。

3.2有限元仿真

3.2.1 網(wǎng)格劃分

為了更準(zhǔn)確的計(jì)算風(fēng)道阻力，需要借助仿真分析軟件ANSYS 14.0對(duì)箱體沿程阻力和局部阻力進(jìn)行估算，本次分析主要利用幾何模型處理工具ANSYS DM 、流體網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD及流體動(dòng)力學(xué)分析軟件FLUENT等軟件，最終得到風(fēng)道的流場(chǎng)分布和阻力特性。

從Creo 2.0輸出到ANSYS中的模型，在ANSYS ICEM CFD中將模型處理為沒有厚度的壁面來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針對(duì)進(jìn)出口段增長(zhǎng)了一部分管道，有利于提高CFD分析的收斂性以及分析精度。在該幾何模型的基礎(chǔ)上，使用ICEM CFD中的直接從幾何體上劃分網(wǎng)格的魯棒性高的Octree的四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型及流場(chǎng)場(chǎng)線見圖3和圖4：

3.2.2 邊界條件及分析模型

邊界條件見表1。

分析模型見表2。

3.2.3 分析結(jié)果

通過收斂曲線、監(jiān)控變量的值是否不再變化及進(jìn)出口流量差是否小于規(guī)定值來判斷分析過程是否收斂，獲得了風(fēng)道阻力= 550pa。由于此阻力超過了設(shè)計(jì)需求，不滿足要求，需要設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.改進(jìn)方案

4.1 優(yōu)化項(xiàng)點(diǎn)

1）風(fēng)道與冷卻塔座設(shè)計(jì)了連接式倒流板2）在風(fēng)道直段處，設(shè)計(jì)了均衡風(fēng)速的導(dǎo)流板3）增大進(jìn)風(fēng)口，具體結(jié)構(gòu)見下圖5、6：

4.2 有限元仿真結(jié)果

網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置同上，最后獲得優(yōu)化后風(fēng)道最大流速為66.31m/s，風(fēng)道阻力位340pa。仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，見圖7。

5.結(jié)論

因?yàn)轱L(fēng)道阻力與風(fēng)速的平方成正比，所以在設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí)需要盡可能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低風(fēng)速。本文中通過優(yōu)化主發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，并通過有限元仿真，最終獲得了滿足要求的風(fēng)道，并為今后類似設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]《計(jì)算流體力學(xué)》 王曉東譯 東北大學(xué)出版社 2009.