混合動力機車?yán)鋮s間CFD分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

崔洪江，王路揚

(大連交通大學(xué) 機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連)*

近幾十年來，國際鐵路運輸發(fā)展日新月異，我國鐵路事業(yè)也因此得以蓬勃發(fā)展，我國在內(nèi)燃機車方面已擁有雄厚的科技研發(fā)力量，形成了具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)化基地，標(biāo)志著我國內(nèi)燃機車技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平[1].由于自然能源緊缺的問題日益嚴(yán)重，對傳統(tǒng)內(nèi)燃機車提出了節(jié)能減排的要求，混合動力機車成為軌道車輛發(fā)展的新方向[2].

機車主要的冷卻散熱裝置被布置在冷卻間內(nèi)，冷卻間的散熱狀況直接影響著機車整體工作性能，是機車關(guān)鍵總成之一.通過對機車?yán)鋮s間風(fēng)扇總成的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析冷卻間內(nèi)部空氣流動以及溫度分布，有利于提高整車的安全性，可靠性[3].

1 模型分析

1.1 物理模型

機車?yán)鋮s間內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要包括支撐梁、端墻、散熱器、冷卻風(fēng)扇、冷卻通風(fēng)機、空氣濾清器及冷卻間內(nèi)其他設(shè)備等.冷卻間三維模型如圖1所示.

圖1 混合動力機車?yán)鋮s間三維模型

1.2 計算模型

建立混合動力機車?yán)鋮s間CFD計算模型如圖2所示.對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，通過多級化網(wǎng)格以及局部細(xì)化等方法使冷卻間計算模型網(wǎng)格疏密合理，光滑貼合[4].最終計算網(wǎng)格單元數(shù)約為234萬，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為239萬.

圖2 混合動力機車機車?yán)鋮s間CFD計算模型

2 參數(shù)及監(jiān)測點設(shè)置

2.1 監(jiān)測點設(shè)置

在冷卻風(fēng)扇上方散熱器水平中間位置共設(shè)置25個計算結(jié)果監(jiān)測點，如圖2中散熱器上方所示.根據(jù)散熱器尺寸長2 040 mm，寬2 000 mm，監(jiān)測點在散熱器長邊方向間隔340 mm，短邊方向間隔333 mm，垂直方向位于散熱器中間平面.

2.2 參數(shù)設(shè)置

該冷卻間CFD計算模型計算域長×寬×高具體為3 883 mm×2 814 mm×2 200 mm，在CFD計算軟件中設(shè)置仿真模型對應(yīng)的參數(shù)，加載壓力與流量邊界條件.冷卻風(fēng)扇加載流量—風(fēng)壓性能曲線如圖3所示，散熱器加載空氣流速與通風(fēng)阻力關(guān)系曲線如圖4所示.設(shè)定流體為空氣，空氣濾清器的風(fēng)量為2.7 m3/s，通風(fēng)機的風(fēng)量為5.3 m3/s，冷卻間內(nèi)部環(huán)境溫度設(shè)定為45℃，散熱器散熱量設(shè)置為350 kW，采用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型.

圖3 冷卻風(fēng)扇速度—壓力性能曲線

圖4 散熱器流速—通風(fēng)阻力關(guān)系曲線

3 計算結(jié)果分析

3.1 理論分析

在迭代計算過程中，當(dāng)各個物理變量的殘差值都降到低于1×10-3就認(rèn)為計算收斂.質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律是任何流動系統(tǒng)中都必須滿足的基本定律.質(zhì)量守恒定律的方程形式又可稱為連續(xù)性方程，公式如下：

(1)

其中：ρ為密度，t為時間；u、v、w是速度矢量在x、y、z方向的分量.

動量守恒定律實際上是牛頓第二定律，公式如下：

(2)

其中：u為流動速度；p為流動過程中的壓力；s為流動過程中的廣義源項；i、j表示不同流向.

能量守恒定律實際是熱力學(xué)第一定律，公式如下：

(3)

其中：Cp為比熱容；T為溫度；k為流體傳熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)由于黏性作用機械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的部分[4].

機車?yán)鋮s間通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，選用ANSYS-FLUENT提供的湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型.流體湍動能計算公式如下：

(4)

流體的湍流耗散率計算公式如下：

(5)

其中：k為湍動能；ε為湍流耗散率；ν是流體運動黏性系數(shù)；U為平均速度；t為時間；u、v、w是速度矢量在x、y、z方向的分量[5].

3.2 性能分析

圖5為散熱器中間位置的速度、壓力和溫度云圖.經(jīng)過仿真計算散熱器平均溫度為50.2℃，最高溫度為68.5℃， 散熱器中間位置溫度為66.9℃.根據(jù)速度云圖和壓力云圖可知，冷卻風(fēng)扇所正對的散熱器部分冷卻風(fēng)速高于其他部分，該處熱量交換現(xiàn)象效果更好.結(jié)合溫度云圖可知散熱器在冷卻風(fēng)扇正面處，冷卻風(fēng)能有效降低散熱器溫度，但存在明顯的通風(fēng)死區(qū)，熱量集中在散熱器四角，該部分溫度要明顯高于其他位置.

(a) 速度云圖

(b) 壓力云圖

(c) 溫度云圖圖5 散熱器中間位置速度、壓力、溫度云圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及分析

由于初始方案存在散熱器熱量集中的現(xiàn)象，現(xiàn)希望使散熱器整體溫度均勻，消除由通風(fēng)死區(qū)帶來的局部溫度過高的現(xiàn)象.并且在改善散熱器冷卻效果的同時不對冷卻間內(nèi)部空氣流動造成影響，提出對散熱器的冷卻由四風(fēng)扇并聯(lián)代替一個風(fēng)扇總成，四個風(fēng)扇的總風(fēng)量與原風(fēng)量相同.

對比兩種方案計算結(jié)果，對所設(shè)置的監(jiān)測點速度、壓力、溫度、湍動能和湍流耗散率對照分析.選用湍動能和湍流耗散率來做評價指標(biāo)的依據(jù)在于湍流動能是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)，是湍流強度的度量，直接關(guān)系到邊界層內(nèi)動量、熱量和能量的輸送[6].湍流耗散率是指在分子黏性作用下由湍流動能轉(zhuǎn)化為分子熱運動動能的速率[7].

經(jīng)過仿真計算散熱器平均溫度為49.7℃，最高溫度為61.6℃，散熱器中間位置溫度為59.3℃，均低于原方案，溫度比較如圖6所示.改進(jìn)方案速度、壓力和溫度云圖如圖7所示.

圖6 原方案與改進(jìn)方案溫度計算結(jié)果對比

(a) 速度云圖

(b) 壓力云圖

(c) 溫度云圖圖7 改進(jìn)方案散熱器中間位置云圖

由以上可知，改進(jìn)方案對散熱器的冷卻效果優(yōu)于初始方案.對兩個方案的25個監(jiān)測點速度、壓力、湍動能和湍流耗散率的分布情況整理分析,如圖8所示.

如圖8(a)、8(b)所示，由于風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)形式是中心部分下安放動力裝置電動機，因此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致風(fēng)扇的實際有效通風(fēng)面積為同心圓形，中心部分有遮擋面無法通風(fēng). 初始方案中監(jiān)測點處于非通風(fēng)位置的是1、5、13、21、25，這些監(jiān)測點因不在直接通風(fēng)面上流動速度相對其他點較低，因流動速度越快相對應(yīng)的壓力越低，反正亦然，所以這些監(jiān)測點壓力較高.監(jiān)測點3、11、15、23處在直接通風(fēng)面的位置上且不靠近非通風(fēng)面，因此這些點流動速度較高，壓力較低.其他監(jiān)測點雖處于通風(fēng)面上但靠近非通風(fēng)面因此流動速度和壓力大小都處于以上兩種監(jiān)測點之間.改進(jìn)方案中監(jiān)測點處于非通風(fēng)面的是3、8、11、12、13、14、15、18、23，這些監(jiān)測點處流動速度較低壓力較高，其中相對于其他點監(jiān)測點13遠(yuǎn)離通風(fēng)面因而流動速度最低壓力最高.剩余監(jiān)測點的位置在通風(fēng)面處流動速度較高壓力較低，因為這些監(jiān)測點位置相對對稱且相近因此讀取的流動速度以及壓力數(shù)值差異不明顯.

(a) 速度變化圖

(b) 壓力變化圖

(c) 湍動能變化圖

(d) 湍流耗散率變化圖圖8 監(jiān)測點速度、壓力、湍動能、湍流耗散率變化圖

如圖8(c)、8(d)所示，對比初始方案及改進(jìn)方案監(jiān)測點的湍動能和湍流耗散率可知，優(yōu)化冷卻風(fēng)扇散熱器總成改為四風(fēng)扇結(jié)構(gòu)后湍動能和湍流耗散率的總體趨勢明顯要高于初始方案.對散熱器通風(fēng)情況和散熱情況進(jìn)行數(shù)理分析，運用均值公式和均方差公式比較兩種方案[8].

均值公式：

(5)

均方差公式：

(6)

經(jīng)過計算初始方案監(jiān)測點的流動速度的平均值為13.27 m/s，壓力平均值為210.43 Pa，湍動能平均值為8.78 m2/s2，湍流耗散率的平均值為192.11 m2/s3.改進(jìn)方案監(jiān)測點的流動速度的平均值為10.37 m/s，壓力平均值為206.68 Pa，湍動能平均值為15.58 m2/s2，湍流耗散率的平均值為416.24 m2/s3.由此可知改進(jìn)方案后平均流動速度降低為初始方案的0.78，壓力平均值降低為初始方案的0.98，但湍動能及湍流耗散率增加明顯,分別是初始方案的1.77和2.17倍.

經(jīng)過計算初始方案監(jiān)測點流動速度的均方差值為1.54，壓力均方差值為32.91，湍動能的均方差值為3.38，湍流耗散率的均方差值為88.97.改進(jìn)方案后監(jiān)測點的流動速度的均方差值為1.62，壓力均方差值為28.08，湍動能的均方差為4.31，湍流耗散率的均方差值為120.40.

由于風(fēng)扇總成結(jié)構(gòu)的改變，使原一個風(fēng)扇變成4個小風(fēng)扇，單個小風(fēng)扇的工作能力不及原風(fēng)扇的效果，流速降低.但改變結(jié)構(gòu)后在各監(jiān)測點處流動速度離散情況差別不大的情況下，散熱器通風(fēng)壓力趨于均勻穩(wěn)定，整體湍動能和湍流耗散率的離散程度增大，散熱器處于非通風(fēng)面的部分湍動能和湍流耗散率有了顯著提高，有利于散熱器熱量交換.

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過仿真計算，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)扇總風(fēng)量略小于原始方案，這是由于新方案的單個風(fēng)扇性能低于初始方案，并聯(lián)結(jié)構(gòu)使冷卻風(fēng)扇之間存在相互影響，但其他出口的空氣流量沒有受到明顯影響，改進(jìn)方案各出風(fēng)口的風(fēng)量依舊能滿足設(shè)計要求，冷卻間內(nèi)部空氣流動未受影響；

(2)改進(jìn)方案冷卻空氣的流動速度和壓力略低于初始方案，但湍動能及湍流耗散率顯著提高，散熱器的冷卻效果更好，緩解了熱量集中帶來的局部溫度過高的問題.

綜上所述，改進(jìn)結(jié)構(gòu)消除了進(jìn)氣死區(qū)，顯著緩和了進(jìn)風(fēng)不均勻的情況.保證冷卻風(fēng)足量均勻通過散熱器，解決了因溫度集中對設(shè)備的影響.改進(jìn)方案能夠使散熱器工作溫度降低，保證冷卻間設(shè)備處在安全溫度下工作，確保機車運行安全可靠.