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。