某列車牽引電機冷卻系統(tǒng)主風(fēng)道的流動特性研究

林鵬　仲崇成

摘要：文章基于CFD仿真，分析了在指定進風(fēng)量下某列車牽引電機冷卻系統(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特性，并與相關(guān)風(fēng)道性能數(shù)據(jù)的試驗測試數(shù)據(jù)進行了對比驗證，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；牽引電機；冷卻系統(tǒng)；主風(fēng)道；CFD仿真；流動特性 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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

1 概述

近年來，很多發(fā)達(dá)國家的知名鐵路制造企業(yè)，如法國阿爾斯通、日本東芝、德國西門子等，已經(jīng)著手研發(fā)用于新一代動車組的永磁牽引電機。與常用的異步牽引電機相比，永磁牽引電機具有效率更高、成本更低、體積更小、重量更輕化等優(yōu)點，更好地迎合了人類對地球環(huán)境保護及能源問題的要求。目前，我國也已著手開展永磁牽引電機的相關(guān)研發(fā)工作，并取得了一定階段成果。不過，永磁動車組在運行時，牽引電機的散熱量仍然較大，再加上車下設(shè)備艙空間有限且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給風(fēng)道合理布風(fēng)帶來了很大的困難和限制。對此，本文基于永磁牽引電機冷卻系統(tǒng)主風(fēng)道結(jié)構(gòu)（簡稱主風(fēng)道），研究了指定進風(fēng)量下的主風(fēng)道流動特性，為將來相似風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)。

2 CFD仿真模型的建立

CFD是近年來迅速發(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)與計算機科學(xué)相結(jié)合，數(shù)值求解描述不同種類流體運動及傳熱傳質(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、輸運、相變等數(shù)值解。本文正是基于CFD技術(shù)研究主風(fēng)道的流動分布特性，所用計算軟件是Star-CCM+?。

2.1 幾何模型

主風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖1所示，擁有1個進風(fēng)口、2個出風(fēng)口，兩分支流道通常被設(shè)計師形象地稱為“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)，可以在保證計算精度的同時，提高計算速度。為防止計算過程中出現(xiàn)回流，導(dǎo)致迭代不易收斂，還需對出口網(wǎng)格進行拉伸操作。最終生成多面體網(wǎng)格約87萬，頂點數(shù)約270萬。

2.3 計算參數(shù)設(shè)置

本文主要分析進風(fēng)量為50m3/min時主風(fēng)道的流動特性，按定常不可壓縮流動進行模擬，主要計算參數(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)模擬近壁面流動特性；模型僅考慮質(zhì)量和動量控制方程，無需聯(lián)立能量控制方程，求解過程視為等溫；采用二階迎風(fēng)格式離散對流項和擴散項，避免數(shù)值假擴散的誤差；采用分離式SIMPLE求解器處理離散所得方程組。

3 主風(fēng)道流動特性的分析及試驗對比

當(dāng)進風(fēng)量為50m3/min時，主風(fēng)道進風(fēng)口的法相流速約為19.1m/s。以進風(fēng)口中點為基準(zhǔn)，沿流動方向?qū)L(fēng)道從中央剖開，其剖面速度分布如圖2所示?？梢钥闯觯簛砹髟谶M風(fēng)口附近的擴口、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，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?？梢钥闯觯猴L(fēng)道內(nèi)空氣流動比較順暢，僅在少數(shù)區(qū)域存在渦流，以進風(fēng)口附近的擴口和彎腿出口處最為明顯。不過受設(shè)備艙其他部件的外形限制，主風(fēng)道外輪廓在實際設(shè)計時很難有大調(diào)整，其性能改進一般從內(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

為驗證仿真計算的正確性，還進行了風(fēng)道相關(guān)性能數(shù)據(jù)的試驗測試，全部基于《工業(yè)通風(fēng)機用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進行性能試驗》（GB/T 1236-2000）完成，如圖4（a）所示。對于進口流量測試而言，在風(fēng)道進口側(cè)按面積等分的方法選取測點，利用畢托管與電子微壓差計測得進風(fēng)口風(fēng)速，取各測點的平均值作為風(fēng)速值，然后根據(jù)速度面積法求得風(fēng)量。對于出口流量測試而言，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)量測試值計算得到，直接利用Model8373套帽式風(fēng)量罩測試出風(fēng)口風(fēng)速，如圖4（b）和圖4（c）所示。對于壓力測試而言，在風(fēng)道進口測點布置與風(fēng)速測試相同，利用畢托管與微壓差計測量各測點的動壓、靜壓和全壓值。測試的環(huán)境溫度為20℃。

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

（a）測試用主風(fēng)道實際結(jié)構(gòu)；（b）彎腿出口測試；

（c）直腿出口測試

圖4 主風(fēng)道試驗設(shè)置

4 結(jié)語

本文使用CFD分析了指定進風(fēng)量時主風(fēng)道的空氣流動特性，所得結(jié)論如下：在50m3/min的指定進風(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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作者簡介：林鵬（1982-），男，山東煙臺人，中車青島四方機車車輛股份有限公司國家工程研究中心高級工程師，工學(xué)博士，研究方向：力學(xué)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）