FXD型動(dòng)力集中動(dòng)車組暖風(fēng)機(jī)通風(fēng)域流動(dòng)特性評價(jià)及分析

王岳宸

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.國家軌道客車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130062)

1 引 言

動(dòng)力集中動(dòng)車組的成功研制及運(yùn)用，動(dòng)力集中動(dòng)臥車組運(yùn)行速度提升至160 km/h，標(biāo)志著我國鐵路客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步向著高效、快捷、舒適、動(dòng)力類型多維度、速度分布立體化的更高層次邁進(jìn)。但是隨著動(dòng)臥車組運(yùn)行速度的提升，動(dòng)力車與空氣的對流換熱強(qiáng)度明顯增大，在冬季為了維持司機(jī)室環(huán)境溫度適宜就需要消耗更多的熱量，這就對對暖風(fēng)機(jī)的選型及其導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性提出了更高的要求。動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車司機(jī)室內(nèi)布置了4臺(tái)1.5 KW暖風(fēng)機(jī)，同既有和諧型車相比總功率更大、實(shí)際面積更小，足以滿足冬季供暖需求，但是司機(jī)室后墻側(cè)2臺(tái)暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)布置不合理，導(dǎo)致動(dòng)車組運(yùn)用的首個(gè)冬季期，頻繁發(fā)生暖風(fēng)機(jī)過溫保護(hù)停機(jī)不能加熱的故障，有效供暖時(shí)間短，司機(jī)室整體溫度提升緩慢，嚴(yán)重影響用戶駕駛體驗(yàn)。由此可見暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對其實(shí)際制熱效率有重要影響，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法分析流速、結(jié)構(gòu)對動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)流動(dòng)特性的影響，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 數(shù)值模型

2.1 模型簡化

根據(jù)暖風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在滿足工程要求條件下，為了便于模擬計(jì)算，對該裝置做如下假設(shè)和簡化。

結(jié)構(gòu)簡化。(1)導(dǎo)流板厚度對于流場影響較小，忽略導(dǎo)流板厚度；(2)忽略細(xì)小結(jié)構(gòu)件(螺孔、螺帽等)對流場的影響。

物理問題簡化。(1)實(shí)際系統(tǒng)漏風(fēng)較小，因此不考慮系統(tǒng)的漏風(fēng)；(2)流動(dòng)是定常流動(dòng)；(3)流體物性參數(shù)為常數(shù)；(4)空氣為理想氣體；(5)模擬過程冷態(tài)流場，不考慮傳熱問題。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文采用全尺度模型進(jìn)行模擬計(jì)算，以FXD型動(dòng)力集中動(dòng)車組暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)為研究對象，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)區(qū)域?yàn)榕L(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)面板與導(dǎo)流蓋板圍城的區(qū)間，區(qū)間尺寸為450 mm×500 mm×50 mm，構(gòu)建該區(qū)域1∶1三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算工作，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FXD型動(dòng)力車暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)正面、背面示意圖

2.3 氣相湍流模型

暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣流場的控制方程式可表示為

(1)

根據(jù)暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣流動(dòng)時(shí)湍流的情況，采用Realizablek-ε湍流模型來模擬系統(tǒng)內(nèi)空氣的湍流運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 暖風(fēng)機(jī)流域流動(dòng)特性分析

標(biāo)況下模擬結(jié)果導(dǎo)流結(jié)構(gòu)區(qū)域平面速度云圖如圖2所示，空氣流動(dòng)主要集中暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口之間，空氣主流方向偏離系統(tǒng)出口，勢必導(dǎo)致暖風(fēng)機(jī)供暖效果劣化。觀察流通區(qū)域縱向切片云圖(見圖3)，暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口之間存在明顯回流，結(jié)合熱空氣流動(dòng)軌跡圖(見圖4)，近半數(shù)熱空氣直接循環(huán)回其內(nèi)部而非流出系統(tǒng)加熱司機(jī)室?？紤]暖風(fēng)機(jī)本身設(shè)計(jì)靜壓很小，分析認(rèn)為暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致流動(dòng)阻力顯著，而未與系統(tǒng)出口正對的熱空氣在流域內(nèi)形成二次流向?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)，損耗動(dòng)能的同時(shí)在壓差作用下大部分被暖風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口捕獲。上述因素共同作用導(dǎo)致大部分熱空氣在暖風(fēng)機(jī)內(nèi)循環(huán)加熱，不僅使暖風(fēng)機(jī)供暖效率嚴(yán)重下降，也是導(dǎo)致暖風(fēng)機(jī)頻繁觸發(fā)高溫保護(hù)停機(jī)的主要原因。

圖2 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)橫截面速度云圖/(m/s)

圖3 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)特征縱截面速度云圖/(m/s)

圖4 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)跡線圖/(m/s)

本文引入一個(gè)用于分析流通效果的參數(shù)，熱風(fēng)出流率K，定義為熱空氣出口風(fēng)量Q1與暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量Q的比率，如公式(2)所示，標(biāo)況下該型暖風(fēng)機(jī)熱風(fēng)出流率為69.4%。

(2)

3.2 暖風(fēng)機(jī)風(fēng)量對流動(dòng)特性影響

通常，為了克服系統(tǒng)阻力，會(huì)選擇適當(dāng)提高供風(fēng)設(shè)備靜壓，暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速也會(huì)隨之提高。本文模擬了暖風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s和4 m/s四種工況下流動(dòng)狀態(tài)，各工況下特征截面4速度云圖如圖5所示，可以看出，提高暖風(fēng)機(jī)風(fēng)量使流出系統(tǒng)的熱空氣量增大了，但仍有相當(dāng)一部分熱空氣在結(jié)構(gòu)阻力和暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差驅(qū)動(dòng)下，流回暖風(fēng)機(jī)內(nèi)部循環(huán)加熱。分析認(rèn)為，隨著暖風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大，暖風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差增大，促使空氣回流的驅(qū)動(dòng)力隨之增大，對改善流動(dòng)特性的貢獻(xiàn)很小。熱風(fēng)出風(fēng)率K隨暖風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速變化記錄于表1中，變化趨勢如圖6所示，可以看出隨著暖風(fēng)機(jī)出口流速增大，K逐步增大，但增長幅度卻快速減小，最終趨于平緩，在現(xiàn)有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)條件下，即使顯著增大風(fēng)量仍會(huì)有約20%的熱空氣流回暖風(fēng)機(jī)循環(huán)加熱。綜上所述，增大風(fēng)量可以提高流出系統(tǒng)的熱空氣量，但并不能解決熱空氣回流循環(huán)加熱的問題，無法改善暖風(fēng)機(jī)供暖效果。

圖5 不同暖風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速下特征截面4速度云圖

表1 K隨暖風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速變化

圖6 K隨不同暖風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速下變化趨勢

3.3 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動(dòng)特性影響

暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流蓋板上的有兩組導(dǎo)流板有著促進(jìn)熱空氣向司機(jī)室擴(kuò)散的作用，但同時(shí)導(dǎo)流板角度的選取對流動(dòng)阻力有明顯影響，本文在標(biāo)況流動(dòng)參數(shù)下依次模擬了導(dǎo)流板與蓋板夾角呈55°、65°、75°的三種工況，特征截面速度云圖如圖7所示。隨著夾角的增大，回流趨勢有所降低，但變化很小。不同導(dǎo)流板角度下K如表2所示，隨著導(dǎo)流板與蓋板夾角增大，K值增大，回流熱風(fēng)量降低，對發(fā)揮暖風(fēng)機(jī)熱效率有益。但是，K值增幅逐步減小，且夾角越大，熱風(fēng)的擴(kuò)散效果就越差，不利于冷熱空氣的混合，所以導(dǎo)流板與蓋板夾角不易取得過大。結(jié)合相關(guān)研究，合理的排風(fēng)口導(dǎo)流板角度能減少分離回流損失，本文認(rèn)為取在65°～70°之間最為適宜。

圖7 不同導(dǎo)流板角度下特征截面速度云圖/(m/s)

表2 K隨暖風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速變化

3.4 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為顯著改善暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)特性，本文對暖風(fēng)機(jī)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，在兩組導(dǎo)流板間增加一塊隔板，如圖8所示，形成流動(dòng)分區(qū)的效果。本文在標(biāo)況流動(dòng)參數(shù)下分別對加裝25 mm和40 mm寬隔板的工況進(jìn)行了模擬，特征截速度云圖如圖9所示，能夠明顯看出隨著隔板寬度增加回流趨勢得到顯著抑制，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)趨于均勻，熱空氣有效流向司機(jī)室空間而非循環(huán)回暖風(fēng)機(jī)內(nèi)二次加熱。各隔板寬度工況下熱風(fēng)出風(fēng)率K值如表3所示，當(dāng)隔板寬度增加至40 mm時(shí)，K值達(dá)到97.2%，熱風(fēng)幾乎全部從蓋板出風(fēng)口流出，使暖風(fēng)機(jī)功效完全發(fā)揮，能夠有效避免暖風(fēng)機(jī)異常過熱保護(hù)。

圖8 隔板加裝位置示意

圖9 不同寬度隔板下特征截面速度云圖/(m/s)

表3 K隨隔板寬度變化

4 結(jié) 論

本文采用Realizablek-ε湍流模型對FXD型動(dòng)力集中動(dòng)車組司機(jī)室暖風(fēng)機(jī)通風(fēng)域?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真研究，通過建立熱風(fēng)流出率K評價(jià)指標(biāo)，從流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩個(gè)角度的進(jìn)行了模擬分析，得出如下結(jié)論。

(1)增大風(fēng)量可以提高流出系統(tǒng)的熱空氣量，但對K影響較弱，也無法解決熱空氣回流循環(huán)加熱的問題，不能改善暖風(fēng)機(jī)供暖效果，依舊存在暖風(fēng)機(jī)頻繁過熱停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)增大導(dǎo)流蓋板上導(dǎo)流板角度能夠提高K，但角度越大，熱風(fēng)向司機(jī)室內(nèi)的擴(kuò)散效果就越差，不利于冷熱空氣的混合，所以導(dǎo)流板與蓋板夾角不易取得過大，本文認(rèn)為取在65°～70°之間最為適宜。

(3)在導(dǎo)流蓋板進(jìn)出風(fēng)口之間增加隔板可以提高K，隔板寬度偏低時(shí)，K值增幅較小，當(dāng)隔板寬度增大到40 mm時(shí)，K值可達(dá)到97.2%，此時(shí)熱空氣回流循環(huán)加熱現(xiàn)象基本消除，能夠有效改善暖風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)。本文認(rèn)為隔板寬度取在35～40 mm之間最為適宜。