郭華仲 賈紅洋 張延蕾
【摘要】本文通過對(duì)高溫環(huán)境機(jī)車牽引變流器冷卻裝置的設(shè)計(jì)分析、流場(chǎng)仿真計(jì)算分析、試驗(yàn),流場(chǎng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本穩(wěn)合,對(duì)后續(xù)高溫環(huán)境中的冷卻裝置設(shè)計(jì)具有借鑒作用。
【關(guān)鍵詞】高溫環(huán)境? 機(jī)車牽引? 變流器冷卻裝置? 流動(dòng)特性研究
本文針對(duì)最高環(huán)境溫度50℃(高于環(huán)境溫度一般40℃左右的要求),運(yùn)用FloTHERM10.0對(duì)機(jī)車牽引變流器冷卻裝置內(nèi)部空氣流動(dòng)狀況和路徑進(jìn)行研究,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,旨在驗(yàn)證流場(chǎng)仿真結(jié)果的可信程度、分析冷卻裝置流動(dòng)速度場(chǎng)分布規(guī)律、提出優(yōu)化高溫環(huán)境冷卻裝置散熱能力的方法。
高溫環(huán)境機(jī)車牽引變流冷卻裝置的工作原理是冷卻風(fēng)機(jī)通過空氣過濾網(wǎng)把冷空氣(環(huán)境空氣)吸入到裝置中,強(qiáng)迫冷卻空氣通過水散熱器后穿過電抗器吹向機(jī)車側(cè)面。冷空氣和熱流體通過水散熱器的對(duì)流換熱,從而實(shí)現(xiàn)冷卻牽引變流器的目的,保證牽引變流器在一定的溫度范圍內(nèi)正常地工作。
一、冷卻裝置構(gòu)成
冷卻裝置包括1個(gè)水散熱器、2個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)、1個(gè)空氣過濾網(wǎng)、鋼結(jié)構(gòu)及管路等。
二、試驗(yàn)方法
進(jìn)口空氣溫度Ta1=50℃,同時(shí)采集進(jìn)口空氣速度、出口空氣溫度、空氣動(dòng)壓等參數(shù)。根據(jù)GB/T 25331-2010規(guī)定方法計(jì)算空氣體積流量Va。
調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī),在規(guī)定的空氣體積流量附近范圍內(nèi),測(cè)量散熱器進(jìn)口空氣速度、風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣速度。
三、空氣流場(chǎng)仿真
(一)幾何模型
因防止計(jì)算結(jié)果過于龐大,對(duì)實(shí)際冷卻裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)化,只保留和流動(dòng)速度分析相關(guān)的特征。三維幾何模型如圖1所示。
(二)邊界條件
流場(chǎng)仿真計(jì)算的邊界條件如下所示:散熱器邊界條件:①環(huán)境溫度:55℃;②空氣密度:1.2kg/m3;③空氣體積流量:5.3m3/s;④空氣壓力損失:920 Pa;⑤散熱面積:61.5m2。風(fēng)機(jī)邊界條件:①額定風(fēng)量:5.3m3/s;②額定點(diǎn)靜壓:1550Pa;③額定軸功率:13kw;④轉(zhuǎn)速:2930r/min。
(三)網(wǎng)格劃分
本仿真分析采用system Grid,四面體網(wǎng)格數(shù)為573191,求解域內(nèi)最大的尺寸比為43.5。
(四)計(jì)算方法
本文流場(chǎng)仿真所用的湍流模型為Flotherm10.0默認(rèn)的Automatic Algebraic,屬于零方程Reynolds渦粘模型。由軟件計(jì)算湍動(dòng)粘度,不需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)。軟件自動(dòng)計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的特征長(zhǎng)度和速度,湍動(dòng)粘度取決于網(wǎng)格內(nèi)的特征長(zhǎng)度和速度。
其計(jì)算公式如下:
μτ=0.9×ρ×υ×ι
μτ:湍動(dòng)粘度;ρ:流體密度(kg/m3);υ:Algebraic Model中的特征流速(m/s);ι:Algebraic Model中的特征長(zhǎng)度(m)。
四、結(jié)果與討論
(一)仿真流場(chǎng)速度分析
冷卻裝置空氣流場(chǎng)速度分布如圖3所示。
從仿真結(jié)果分析,在風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口處風(fēng)速最高,在兩風(fēng)機(jī)出口之間的部分流速較低,影響中間兩排電抗器的散熱效果,并且由于風(fēng)機(jī)出口與電抗器設(shè)計(jì)的距離較近,位于風(fēng)機(jī)出風(fēng)位置的流速降低比較劇烈,差值約為30 m/s。整個(gè)冷卻裝置中不同位置最高流速相差最大值約55m/s。
冷卻裝置用仿真模擬方法進(jìn)行的流速試驗(yàn)數(shù)據(jù),位于散熱器進(jìn)口處測(cè)量最高速度約為10m/s,位于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處測(cè)量最高速度約為26m/s,風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處風(fēng)速值最高,約為35m/s。在風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和邊緣附近的空氣流速值較低。
(二)試驗(yàn)結(jié)果
冷卻裝置流速試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如下:①空氣流量(散熱器進(jìn)口):5.3m3/s;②空氣壓力損失:≤920Pa;③散熱器進(jìn)風(fēng)口出最大流速:15 m/s;④風(fēng)機(jī)進(jìn)口處最大流速:20m/s。
(三)討論
流動(dòng)場(chǎng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果有一定差距,由于仿真過程中對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,未考慮冷卻裝置與周圍環(huán)境的自然對(duì)流換熱,簡(jiǎn)化后的物理模型對(duì)冷卻裝置的流動(dòng)速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果有一定影響,在散熱器進(jìn)口區(qū)域測(cè)量值會(huì)比實(shí)際流速偏低,在風(fēng)機(jī)進(jìn)口區(qū)域測(cè)量值會(huì)比實(shí)際流速偏高,但流場(chǎng)仿真對(duì)前期的設(shè)計(jì)結(jié)果提供有效的驗(yàn)證,最高速度與試驗(yàn)結(jié)果偏差25%,整體仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)較吻合。
通過流程仿真分析可以看出,在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口區(qū)域,風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和邊緣附近的空氣流較弱,在此區(qū)域的電抗器可能無法得到很好的冷卻,在后續(xù)冷卻裝置為提高散熱效果可根據(jù)實(shí)際情況改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
五、結(jié)論
(1)通過仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,說明仿真分析結(jié)果可信,驗(yàn)證了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。
(2)通過建立冷卻裝置流動(dòng)模型,確立工程設(shè)計(jì)中高溫環(huán)境機(jī)車牽引變流器冷卻裝置的改進(jìn)方向。