王 鑫，王淑玲，李國(guó)清，田學(xué)靜，張曉玲

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

動(dòng)車組牽引電機(jī)通風(fēng)道位于車體底部轉(zhuǎn)向架區(qū)域，連接牽引電機(jī)和牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)，用于給運(yùn)行中的牽引電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱，防止出現(xiàn)由于牽引電機(jī)溫度過高而造成列車運(yùn)行故障問題。由于動(dòng)車組運(yùn)行速度的提高，牽引電機(jī)的功率也不斷提升，其散熱的要求也越來(lái)越高［1］。

由于車體結(jié)構(gòu)的限制CRH3項(xiàng)目中的牽引電機(jī)通風(fēng)道是焊接在車體底部，利用車體型腔和風(fēng)道實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的通風(fēng)。而CRH3優(yōu)化項(xiàng)目中，車體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架枕梁較CRH3項(xiàng)目而言均發(fā)生變化，導(dǎo)致牽引電機(jī)通風(fēng)道不能直接焊接在車體底部，也不能利用車體型腔的空間進(jìn)行通風(fēng)。針對(duì)上述問題，在CRH3優(yōu)化項(xiàng)目中對(duì)整個(gè)風(fēng)道進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)，并利用STAR—CCM+仿真軟件對(duì)兩種不同方案的通風(fēng)道分別從空氣流動(dòng)特性、出口風(fēng)壓風(fēng)量分配比例進(jìn)行了對(duì)比。

1 牽引電機(jī)通風(fēng)道模型設(shè)計(jì)

牽引電機(jī)通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口連接牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)，出風(fēng)口為兩個(gè)，分別連接轉(zhuǎn)向架懸掛的兩個(gè)牽引電機(jī)的進(jìn)風(fēng)口。根據(jù)牽引電機(jī)的散熱要求和牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)要求，牽引電機(jī)通風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的風(fēng)壓風(fēng)量要求參見表1。

表1 牽引電機(jī)通風(fēng)道進(jìn)出口參數(shù)要求

除了考慮牽引電機(jī)通風(fēng)道的外部結(jié)構(gòu)不與車體和轉(zhuǎn)向架造成干涉外，最重要的就是要考慮風(fēng)道內(nèi)部氣流的分布，通過風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，來(lái)改變氣流分布情況，使得風(fēng)道兩個(gè)出風(fēng)口處的風(fēng)壓、風(fēng)量接近。

經(jīng)過對(duì)初期牽引電機(jī)通風(fēng)道模型的修改，最終確定了兩種方案。這兩種方案中進(jìn)風(fēng)口大小和位置，出風(fēng)口大小和位置相同，只是在氣流分布和導(dǎo)流方式有所區(qū)別：方案1是通過風(fēng)道內(nèi)部空間水平方向分割的形式實(shí)現(xiàn)的，方案2是通過風(fēng)道內(nèi)部空間垂直方向分割的形式實(shí)現(xiàn)的，兩種方案的模型如圖1所示。

2 理論公式與仿真計(jì)算

2.1 理論公式

牽引電機(jī)風(fēng)道流場(chǎng)的計(jì)算分析是基于黏性、穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均形式的質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程。以牽引電機(jī)風(fēng)道寬度為特征尺度的流場(chǎng)雷諾數(shù)Re＞106，流場(chǎng)為紊態(tài)流場(chǎng)。計(jì)算中采用κ-ε兩方程紊流模型來(lái)模擬紊態(tài)流體流動(dòng)［2］。

圖1 牽引電機(jī)通風(fēng)道兩種方案模型

流場(chǎng)描述微分方程為：

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

紊流模型描述方程為：紊動(dòng)能方程：

紊動(dòng)耗散率方程：

其中u、v、w分別為速度在x、y、z坐標(biāo)方向上的分量（m／s）；

p為流場(chǎng)壓力（Pa）；ρ為空氣密度（kg／m3）；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)（Pa·s）；μt為紊流黏度系數(shù)（Pa·s）；k為紊流動(dòng)能（J／kg）；ε為紊流動(dòng)能耗散率（m2／s3）；C1，C2，Cμ，σk，σε分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

2.2 仿真計(jì)算

通過利用流體分析仿真軟件STAR—CCM+對(duì)牽引電機(jī)通風(fēng)道內(nèi)部壓力分布和流線分布進(jìn)行了分析計(jì)算［3-4］。在計(jì)算中，主要考慮兩點(diǎn)，一是壓力分布情況，在保證出口壓力滿足需求的情況下，避免在部分死角或者拐角等位置出現(xiàn)壓力極大值，對(duì)材質(zhì)的強(qiáng)度造成較大的影響；二是速度分布，分析在內(nèi)部是否產(chǎn)生較多渦流，同樣可以對(duì)結(jié)構(gòu)的修改提供理論依據(jù)。

（1）壓力分布

方案1牽引電機(jī)通風(fēng)道壓力分布如圖2、圖3所示。方案2牽引電機(jī)通風(fēng)道壓力分布如圖4、圖5所示。

（2）流速分布

方案1牽引電機(jī)通風(fēng)道內(nèi)部流線分布如圖6所示，方案2牽引電機(jī)通風(fēng)道的內(nèi)部流線分布如圖7所示。

圖2 方案1風(fēng)道底部壓力云圖

圖3 方案1風(fēng)道頂部壓力云圖

圖4 方案2風(fēng)道底部壓力云圖

圖5 方案2風(fēng)道頂部壓力云圖

圖6 方案1風(fēng)道內(nèi)部流線示意圖

圖7 方案2風(fēng)道內(nèi)部流線示意圖

3 結(jié)果比較與分析

計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比情況如表2所示。

經(jīng)過軟件仿真計(jì)算，可以看出方案1近端和遠(yuǎn)端的流量分配比例為48.6∶51.4，出口靜壓差約為400Pa；方案2的近端和遠(yuǎn)端的流量分布比例為50.3∶49.7，出口靜壓差約為18Pa。由此可以看出，方案2更符合兩個(gè)出口流量、壓力分布均勻的要求。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對(duì)牽引電機(jī)通風(fēng)道的設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算和方案2樣件試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

（1）在牽引電機(jī)通風(fēng)道的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮的因素就是氣壓氣流的分布和導(dǎo)流方式，避免出現(xiàn)不必要的渦流現(xiàn)象和空間上的浪費(fèi)；

（2）通過仿真軟件STAR—CCM+可以確定風(fēng)道內(nèi)部靜壓分布和氣流速度場(chǎng)，以及兩出風(fēng)口風(fēng)量分布，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果可信度高；

（3）根據(jù)仿真結(jié)果選擇的方案通過試驗(yàn)測(cè)試，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值相接近，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；

（4）根據(jù)仿真軟件STAR—CCM+的仿真結(jié)果調(diào)整風(fēng)道結(jié)構(gòu)，可以減少樣件生產(chǎn)和試驗(yàn)周期。

［1］王惠玉，芮 斌，焦立新.機(jī)車牽引電機(jī)冷卻風(fēng)道空氣流場(chǎng)的分析［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2003，（5）：11-15，23.

［2］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］張小軍，胡欲立，王耀霆，等.CFD技術(shù)在求解電子系統(tǒng)風(fēng)道特性上的應(yīng)用研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，（S1）：156-158.

［4］吳春玲，牟江峰，劉雙喜，等.基于STAR CCM+對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化［J］.裝備制造技術(shù)，2011，（7）：50-52，56.