崔洪江,張燕,高俊帥

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116024)

出口南非內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力室冷卻CFD計(jì)算

崔洪江1,張燕1,高俊帥2

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116024)

以出口南非內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力室通風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS-FLUENT對(duì)其湍流性能和散熱效果進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果表明不同工況下動(dòng)力間內(nèi)平均溫度均高于設(shè)計(jì)要求.對(duì)初始方案的速度場和溫度場進(jìn)行具體分析，選擇在其出風(fēng)口位置增加了兩個(gè)風(fēng)機(jī)的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.采用ANSYS-FLUENT分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后動(dòng)力室內(nèi)空氣的流動(dòng)情況，可以看出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)加快了通風(fēng)口處的空氣流速，顯著增強(qiáng)了流體的湍流性能，從而強(qiáng)化了通風(fēng)系統(tǒng)的換熱效果，降低了動(dòng)力室內(nèi)部溫度.

動(dòng)力室；通風(fēng)散熱；CFD；湍流性能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)水平的提高以及政府對(duì)機(jī)車車輛出口業(yè)務(wù)的支持,機(jī)車的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量也飛速進(jìn)步，我國機(jī)車制造公司以高的性價(jià)比、最短的交貨期以及熱忱周到的服務(wù)贏得了世界廣大鐵路用戶的青睞[1],內(nèi)燃機(jī)車大量出口到國外.

柴油機(jī)工作時(shí)所發(fā)出的總熱量通常只有35%～45%可以轉(zhuǎn)化成有效功，而其余熱量有很大一部分是直接排出柴油機(jī)體外，這不僅會(huì)造成柴油機(jī)的損失，還會(huì)使機(jī)車動(dòng)力室環(huán)境溫度過高.尤其是在炎熱的夏季,柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的熱量加上周圍過高的環(huán)境溫度，動(dòng)力室溫度甚至?xí)^60℃.動(dòng)力室溫度過高不僅會(huì)對(duì)工作人員的巡視、檢修工作帶來不利影響,而且會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力室內(nèi)部相關(guān)設(shè)備故障率增高.通過有效降低動(dòng)力室環(huán)境溫度,不僅可以減少冷卻風(fēng)扇的功率消耗,提高電機(jī)工作的可靠性,同時(shí),由于動(dòng)力室環(huán)境溫度與柴油機(jī)進(jìn)氣溫度之間存在著一定程度的依存關(guān)系,所以動(dòng)力室環(huán)境溫度的降低對(duì)降低柴油機(jī)進(jìn)氣溫度也將產(chǎn)生一定的積極影響[2].本文對(duì)出口南非內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力室通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算分析，討論空氣流動(dòng)湍流性能與對(duì)流換熱之間的關(guān)系.通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化增強(qiáng)了流體的湍流性能，使通風(fēng)系統(tǒng)的換熱效果提高，從而達(dá)到降低動(dòng)力室內(nèi)部溫度的目的.

1 CFD計(jì)算分析前處理

1.1計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

動(dòng)力室位于機(jī)車的中部，室內(nèi)主要設(shè)置有柴油機(jī)、柴油機(jī)進(jìn)氣過濾器、主發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)等，其PRO/E模型如圖1所示.為了方便計(jì)算和減小工作量，CFD計(jì)算建模中進(jìn)行了簡化處理，去掉與計(jì)算不相關(guān)的部分，得到的模型如圖2所示.

圖1 機(jī)車動(dòng)力室通風(fēng)系統(tǒng)三維PRO/E模型

圖2 機(jī)車動(dòng)力室流場計(jì)算模型

ANSYS-FLUENT軟件所使用的離散化方法為有限體積法，其區(qū)域離散化的實(shí)質(zhì)是用有限個(gè)離散點(diǎn)來代替連續(xù)空間.其離散化過程為：將計(jì)算區(qū)域劃分為多個(gè)互不重疊的子區(qū)域，即計(jì)算網(wǎng)格，再確定子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置及其所代表的控制體積.對(duì)所建立的模型進(jìn)行區(qū)域離散化，所生成的網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 100 122，單元總數(shù)為1 070 200.

1.2邊界條件及監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置

南非地處非洲大陸最南部，其緯度自南緯22°～35°，經(jīng)度從東經(jīng)17°～33°.南非全境大部分處副熱帶高壓帶，屬熱帶草原氣候.氣溫比南半球同緯度其它國家相對(duì)低，但年均溫度仍在零度以上，一般在12～23℃，夏季最高溫度可接近40℃,且日照充足，全國全年平均日照時(shí)數(shù)為7.5～9.5 h.

在柴油機(jī)與動(dòng)力室側(cè)墻之間均勻設(shè)置20個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，距離地板高度分別為600和1 600 mm，如圖3所示.

圖3 機(jī)車動(dòng)力室溫度監(jiān)測點(diǎn)位置圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1湍流模型

流體在管路中的流動(dòng)分為層流和湍流兩種狀態(tài)，而工程中常見的流體流動(dòng)、傳熱等過程幾乎全部都是湍流過程.在計(jì)算過程中，通常以雷諾數(shù)Re作為區(qū)分層流和湍流的標(biāo)準(zhǔn).當(dāng)Re≤2 320為層流，Regt;2 320為湍流.雷諾數(shù)Re的計(jì)算如式(1)所示

其中，v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長度.

ANSYS-FLUENT提供的湍流模型主要有零方程模型 、標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型、 RNGk—ε模型、Realizablek—ε模型等.標(biāo)準(zhǔn)k—ε兩方程模型主要是針對(duì)高雷諾數(shù)和各向同性湍流的計(jì)算模型，是在關(guān)于湍流動(dòng)能k的方程的基礎(chǔ)上，再引入一個(gè)關(guān)于湍流動(dòng)能耗散率ε的方程[5].它具有計(jì)算精度高，數(shù)據(jù)積累較多，計(jì)算機(jī)配置要求低等特點(diǎn),在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛.本文采用的就是此模型.在求解流動(dòng)及換熱問題時(shí)，其控制方程組包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、k方程和ε方程[5].

(a)質(zhì)量守恒方程：

(b)動(dòng)量守恒方程：

(c)能量守恒方程：

式中，u為速度；ρ為流體密度；T為溫度；p為壓力；t為時(shí)間；g為重力；β為體積膨脹系數(shù)；f為體積力；為熱容；k為導(dǎo)熱率；Q為體積熱源.

(d)k方程：

(e)ε方程：

2.2模擬計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過模擬計(jì)算得出列車在運(yùn)行速度為0、20、40、60、80、100 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)平均溫度分別為75.53、72.96、72.54、72.27、71.93、70.91℃.可以看出，隨著運(yùn)行速度的增加，動(dòng)力室平均溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但在任一速度下，此方案的監(jiān)測點(diǎn)平均溫度均高于70℃.

圖4為不同速度下20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處湍流動(dòng)能以及湍流耗散率的分布情況.可以看出同一監(jiān)測點(diǎn)處的湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε在不同工況下數(shù)值變化較小，而由監(jiān)測點(diǎn)位置不同引起的流動(dòng)情況變化幅度則較大.局部的湍流動(dòng)能k最小數(shù)值接近0，最大可達(dá)9 m2/s2，局部的湍流耗散率ε最小為0.2 m2/s3左右，最大可達(dá)115 m2/s3.

(a) 湍流動(dòng)能

(b) 湍流耗散率

側(cè)墻出風(fēng)口處的速度矢量圖與溫度云圖如圖5所示.動(dòng)力室車體雖然為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但由于內(nèi)部設(shè)備并非完全對(duì)稱，所以側(cè)墻上兩出風(fēng)口處的空氣流速存在細(xì)微差異，兩側(cè)的溫度分布也因此而不相同；出風(fēng)口附近的空氣流速明顯高于其他位置，溫度也高于其他位置，說明動(dòng)力室內(nèi)部的高溫空氣通過側(cè)墻上的兩出風(fēng)口與外界空氣進(jìn)行了熱量交換；柴油機(jī)是動(dòng)力室內(nèi)部的主要熱源，柴油機(jī)附近溫度最高，所以通風(fēng)口位置設(shè)置在柴油機(jī)附近最為合理；出風(fēng)口的設(shè)置對(duì)動(dòng)力室的冷卻通風(fēng)產(chǎn)生了一定的效果，但由于柴油機(jī)功率較大及環(huán)境溫度較高，出風(fēng)口面積較小等原因，這種自然對(duì)流的方式并不能滿足該動(dòng)力室的通風(fēng)散熱需求.

(a) 速度矢量圖

(b) 溫度云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1模型的建立

由于原方案自然對(duì)流的通風(fēng)方式無法滿足該動(dòng)力室的散熱需求，經(jīng)過多種方案調(diào)整優(yōu)化后，選擇在原方案的通風(fēng)口處增加兩臺(tái)風(fēng)機(jī)以增強(qiáng)動(dòng)力室與外部空氣的熱量交換.排風(fēng)扇的流量由動(dòng)力室總散熱量來確定.根據(jù)柴油機(jī)功率、太陽輻射熱量、環(huán)境溫度等參數(shù)，初步確定排風(fēng)扇的性能曲線如圖6所示.

圖6 機(jī)車動(dòng)力室排風(fēng)扇性能曲線

3.2模擬計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在運(yùn)行速度為0、20、40、60、80、100 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)平均溫度分別為62.05、60.46、59.29、55.73、50.06、48.27℃.圖7為不同速度下20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處湍流動(dòng)能k以及湍流耗散率ε的分布情況.由圖中結(jié)果可以看出，隨著運(yùn)行速度的增加，動(dòng)力室平均溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在不同運(yùn)行速度下監(jiān)測點(diǎn)平均溫度均保持在60℃左右，低于原方案的溫度，符合預(yù)期效果.由圖7可以看出監(jiān)測點(diǎn)位置的湍流動(dòng)能和湍流耗散率在不同工況下的變化趨勢(shì)較為一致，而不同監(jiān)測點(diǎn)處流動(dòng)情況變化幅度較大.局部的湍流動(dòng)k能浮動(dòng)范圍為1～27 m2/s2，局部的湍流耗散率ε最小為2 m2/s3左右，最大可達(dá)650 m2/s3.

(a) 湍流動(dòng)能

(b) 湍流耗散率

3.3與原方案對(duì)比分析

圖8為優(yōu)化前后不同運(yùn)行速度下監(jiān)測點(diǎn)平均溫度折線圖.由圖中可以看出，在環(huán)境溫度一定的條件下，隨著列車運(yùn)行速度的增加，兩種方案的動(dòng)力室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的平均溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且原方案下降的幅度較小，優(yōu)化方案下降的幅度較大.在不同運(yùn)行速度下優(yōu)化方案的監(jiān)測點(diǎn)平均溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原方案，即優(yōu)化方案的通風(fēng)散熱效果優(yōu)于原方案.

圖8 優(yōu)化前后監(jiān)測點(diǎn)平均溫度折線圖

為了更直觀地對(duì)比兩種方案的湍流性能，分別利用式(7)和式(8)計(jì)算優(yōu)化前后湍流動(dòng)能k以及湍流耗散率ε的平均值和均方差.平均值揭示流體參數(shù)的分布范圍，均方差表示流體參數(shù)的離散程度[8].

均方差S:

計(jì)算結(jié)果及數(shù)值對(duì)比如表1所示.由表中可以看出，優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)可明顯提升動(dòng)力間內(nèi)部空氣的湍流動(dòng)能和湍流耗散率.

表1 優(yōu)化前后不同速度下監(jiān)測點(diǎn)處參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)CFD計(jì)算所得云圖和矢量圖可以準(zhǔn)確快捷地呈現(xiàn)動(dòng)力室內(nèi)部熱流場的分布規(guī)律，通過對(duì)動(dòng)力室內(nèi)部空氣流動(dòng)特性進(jìn)行分析，可對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，以提高動(dòng)力室的通風(fēng)散熱性能；

(2)在其他條件一定的情況下，隨著機(jī)車運(yùn)行速度的增加，動(dòng)力室進(jìn)風(fēng)口的空氣流速會(huì)隨之增大，動(dòng)力室溫度呈下降的趨勢(shì).即在環(huán)境溫度最高，列車運(yùn)行速度最低的情況下動(dòng)力室溫度若能滿足散熱要求，則在其他工況下也必定能滿足要求；

(3)由于優(yōu)化方案在動(dòng)力室通風(fēng)口處增加了排風(fēng)扇，加快了通風(fēng)口處的空氣流速，提升了動(dòng)力室內(nèi)部空氣的湍流動(dòng)能和湍流耗散率，增大了動(dòng)力室與外界的對(duì)流換熱，從而提高了通風(fēng)散熱能力，所以優(yōu)化后方案的散熱性能比優(yōu)化前有了很大的提高;

(4)在夏季高溫環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力室排氣扇必須及時(shí)開啟.若對(duì)動(dòng)力室通風(fēng)散熱性能有更高的要求，可以嘗試更換流量更大的排風(fēng)扇.

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CoolingCFDCalculationofExportingtoSouthAfricaDieselLocomotivePowerRoom

CUI Hongjiang1,ZHANG Yan1,GAO Junshuai2

(1.School of Trafficamp;Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.Dalian Iocomotive Vehicle Co., Ltd，Dalian 116024，China)

Aiming at the power room ventilation system of an export diesel locomotive,using computational fluid dynamics software ANSYS-FLUENT is used to simulate and calculate its turbulent performance and heat transpiration.The research results show that the average temperature of the power room is higher than the design requirements in different working conditions.The temperature field and the velocity filed are analyzed specifically.Then two fans are added on the location of its outlets to optimize the structure.The fluid flow both in traditional structure and the improved structure are investigated using ANSYS-FLUENT,It is found that the optimized structure accelerates the velocity of the air vents and enhances the turbulent performance of the fluid significantly,which enhances the heat transfer effect and reduces the internal temperature of the power room.

power room；ventilation and cooling；CFD；turbulent performance；optimization design

1673- 9590(2017)06- 0054- 05

2016- 06- 27

崔洪江(1972-),男，副教授,博士，主要從事機(jī)車車輛空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究

E-mailranducui@163.com.

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