高溫環境機車牽引變流器冷卻裝置流動特性研究

郭華仲　賈紅洋　張延蕾

【摘要】本文通過對高溫環境機車牽引變流器冷卻裝置的設計分析、流場仿真計算分析、試驗，流場仿真結果與試驗結果基本穩合，對后續高溫環境中的冷卻裝置設計具有借鑒作用。

【關鍵詞】高溫環境? 機車牽引? 變流器冷卻裝置? 流動特性研究

本文針對最高環境溫度50℃（高于環境溫度一般40℃左右的要求），運用FloTHERM10.0對機車牽引變流器冷卻裝置內部空氣流動狀況和路徑進行研究，并與試驗結果對比，旨在驗證流場仿真結果的可信程度、分析冷卻裝置流動速度場分布規律、提出優化高溫環境冷卻裝置散熱能力的方法。

高溫環境機車牽引變流冷卻裝置的工作原理是冷卻風機通過空氣過濾網把冷空氣（環境空氣）吸入到裝置中，強迫冷卻空氣通過水散熱器后穿過電抗器吹向機車側面。冷空氣和熱流體通過水散熱器的對流換熱，從而實現冷卻牽引變流器的目的，保證牽引變流器在一定的溫度范圍內正常地工作。

一、冷卻裝置構成

冷卻裝置包括1個水散熱器、2個冷卻風機、1個空氣過濾網、鋼結構及管路等。

二、試驗方法

進口空氣溫度Ta1=50℃，同時采集進口空氣速度、出口空氣溫度、空氣動壓等參數。根據GB/T 25331-2010規定方法計算空氣體積流量Va。

調節變頻風機，在規定的空氣體積流量附近范圍內，測量散熱器進口空氣速度、風機進口空氣速度。

三、空氣流場仿真

（一）幾何模型

因防止計算結果過于龐大，對實際冷卻裝置進行了簡化，只保留和流動速度分析相關的特征。三維幾何模型如圖1所示。

（二）邊界條件

流場仿真計算的邊界條件如下所示：散熱器邊界條件：①環境溫度：55℃;②空氣密度：1.2kg/m3;③空氣體積流量：5.3m3/s;④空氣壓力損失：920 Pa;⑤散熱面積：61.5m2。風機邊界條件：①額定風量：5.3m3/s;②額定點靜壓：1550Pa;③額定軸功率：13kw;④轉速：2930r/min。

（三）網格劃分

本仿真分析采用system Grid，四面體網格數為573191，求解域內最大的尺寸比為43.5。

（四）計算方法

本文流場仿真所用的湍流模型為Flotherm10.0默認的Automatic Algebraic，屬于零方程Reynolds渦粘模型。由軟件計算湍動粘度，不需要設置相關參數。軟件自動計算每一個網格內的特征長度和速度，湍動粘度取決于網格內的特征長度和速度。

其計算公式如下：

μτ=0.9×ρ×υ×ι

μτ：湍動粘度;ρ：流體密度（kg/m3）;υ：Algebraic Model中的特征流速（m/s）;ι：Algebraic Model中的特征長度（m）。

四、結果與討論

（一）仿真流場速度分析

冷卻裝置空氣流場速度分布如圖3所示。

從仿真結果分析，在風機的出風口處風速最高，在兩風機出口之間的部分流速較低，影響中間兩排電抗器的散熱效果，并且由于風機出口與電抗器設計的距離較近，位于風機出風位置的流速降低比較劇烈，差值約為30 m/s。整個冷卻裝置中不同位置最高流速相差最大值約55m/s。

冷卻裝置用仿真模擬方法進行的流速試驗數據，位于散熱器進口處測量最高速度約為10m/s，位于風機進風口處測量最高速度約為26m/s，風機出風口處風速值最高，約為35m/s。在風機的旋轉軸和邊緣附近的空氣流速值較低。

（二）試驗結果

冷卻裝置流速試驗的數據如下：①空氣流量（散熱器進口）：5.3m3/s;②空氣壓力損失：≤920Pa;③散熱器進風口出最大流速：15 m/s;④風機進口處最大流速：20m/s。

（三）討論

流動場仿真與試驗結果有一定差距，由于仿真過程中對模型進行了一定的簡化，未考慮冷卻裝置與周圍環境的自然對流換熱，簡化后的物理模型對冷卻裝置的流動速度場計算結果有一定影響，在散熱器進口區域測量值會比實際流速偏低，在風機進口區域測量值會比實際流速偏高，但流場仿真對前期的設計結果提供有效的驗證，最高速度與試驗結果偏差25%，整體仿真數據與試驗較吻合。

通過流程仿真分析可以看出，在風機出風口區域，風機的旋轉軸和邊緣附近的空氣流較弱，在此區域的電抗器可能無法得到很好的冷卻，在后續冷卻裝置為提高散熱效果可根據實際情況改進結構設計。

五、結論

（1）通過仿真分析結果與試驗數據對比，說明仿真分析結果可信，驗證了仿真優化設計的可行性。

（2）通過建立冷卻裝置流動模型，確立工程設計中高溫環境機車牽引變流器冷卻裝置的改進方向。