程海濤 張繼業(yè) 李 田

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 四川 成都 610031)

隨著中國鐵路的飛速發(fā)展，旅客列車的各項性能得到了很大提高。但與此同時，客車的負載也隨之增加，如電器元件功率的增加等。近年新聞曾有由于電器設(shè)備故障，引起客車發(fā)生火災(zāi)的相關(guān)報道出現(xiàn)[1]。由于客車整體空間的局限，電器柜的空間密閉狹小，若通風系統(tǒng)設(shè)計不當，極易出現(xiàn)電器柜通風散熱不暢等問題，對于客車的安全運行造成了極大的影響。

近年來，隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展和計算機性能的提高，CFD數(shù)值仿真計算在列車內(nèi)外流場研究方面得到了廣泛的應(yīng)用[2-6]。對于列車電器柜通風散熱問題，部分學者進行了一定的研究。袁華軍[7]分析了機車電器火災(zāi)多發(fā)的原因，根據(jù)相關(guān)電器元件的特性，提出電器柜內(nèi)加裝隔熱板的有效措施來預防火災(zāi)。董志忠等[8]針對新型交流傳動機車電器柜通風系統(tǒng)進行了CFD仿真分析，檢驗了電器柜通風系統(tǒng)滿足電器元件的換熱要求。孫海龍[9]以機車電器柜為研究對象，基于穩(wěn)態(tài)湍流模型，仿真計算了不同條件下系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布情況，通過交換散熱器位置、增加導流隔板和改變進風口面積，使其中一個未達標的散熱器滿足了換熱要求。這些研究大多是對具體某電器柜進行仿真驗證，沒有對電器柜通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)律性進行分析總結(jié)。下文通過改變客車電器柜通風系統(tǒng)的進風口位置、廢排口位置和冷卻風扇方向，對比夏、冬兩季工況下的12種方案，以低壓電源LVPS熱源溫度、斷路器柜內(nèi)溫度和電器柜室內(nèi)溫度為評價指標，得到了滿足通風散熱標準的最佳方案，總結(jié)了電器柜通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，為客車電器柜通風系統(tǒng)的設(shè)計提供了有利的參考。

1 物理模型

以某雙層旅客列車電器柜為研究對象，其幾何尺寸為1 295 mm×958 mm×2 550 mm。其內(nèi)部主要由低壓電源LVPS、斷路器柜和DC電池箱等組成，如圖1所示。電器柜位于客車后端，其通風系統(tǒng)與整車通風系統(tǒng)相連接。由空調(diào)機組制成的冷空氣通過整車通風系統(tǒng)分配進入電器柜，冷空氣由電器柜上端的進風口進入，對內(nèi)部電器元件進行通風冷卻，再由側(cè)端的廢排口排出。

電器柜中的散熱電器元件主要位于低壓電源LVPS和斷路器柜。LVPS有肋片散熱，為增強其散熱效果，LVPS采用強制通風，還單獨設(shè)置有一個冷卻風扇。由于DC電池箱是一個鐵外殼密封體，內(nèi)部有空氣自然流通直通到客車外部，因此散發(fā)到電器柜區(qū)域的熱量可以忽略不記。

圖1 電器柜物理模型

2 數(shù)學模型

冷空氣通過通風系統(tǒng)進入電器柜對電器元件進行冷卻，其流場屬于三維黏性定常的湍流流場。為簡化問題，對計算模型進行如下假設(shè)：

(1)流場內(nèi)的空氣為不可壓縮氣體且符合Boussinesq假設(shè)，即認為在低速流動條件下，忽略壓強變化對空氣密度的影響。由于空氣密度變化受溫度變化影響較大，故考慮浮力影響?？諝饷芏缺磉_式[10]為

ρ=ρ0[1-β(T-T0)]

(1)

式中：T、T0為溫度，K；ρ0為溫度T0時的空氣密度，kg/m3；β為熱膨脹系數(shù)。

(2)流場內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流，流場內(nèi)的湍流黏性各向同性，并具有高雷諾數(shù)。

(3)氣密性良好，不存在漏氣現(xiàn)象。

(4)忽略固體壁面間熱輻射影響。

采用標準k-ε兩方程湍流模型，其控制方程的運輸方程[11-12]形式為

div(ρVΦ-ΓΦgradΦ)=SΦ+Sbuoyancy

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；V為空氣速度，m/s；Φ為應(yīng)變量；ΓΦ為擴散系數(shù)；SΦ為除浮升力項外的所有源項；Sbuoyancy為浮升力項的源項。

3 邊界條件及數(shù)值計算

為了研究電器柜通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，考慮了3種不同進風口位置、兩種不同廢排口位置和兩種不同冷卻風扇方向，一共考慮了夏、冬兩季工況下的12種方案，如圖2所示。進風口位于電器柜上端，進風管長度可分為中管、短管和長管，為防止進風管直吹電器柜柜壁，長管端部設(shè)置有向下的彎管。廢排口位于電器柜側(cè)端，靠近低壓電源LVPS，可設(shè)置在上端或下端。冷卻風扇位于低壓電源LVPS下端，方向可設(shè)置向上或向下。

圖2 不同方案的通風系統(tǒng)

流場區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，最大尺寸為60 mm，網(wǎng)格單元總數(shù)為1 147萬個。為了保證計算精度，對關(guān)鍵散熱結(jié)構(gòu)和局部細小結(jié)構(gòu)進行了網(wǎng)格加密，如低壓電源LVPS的散熱肋片保證有多層網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 LVPS肋片網(wǎng)格

湍流模型采用標準兩方程模型，靠近壁面黏性層采用標準壁面函數(shù)處理，考慮浮力影響。進風口采用速度邊界，廢排口采用壓力邊界。對于低壓電源LVPS，其肋片和周圍空氣存在流固熱耦合關(guān)系，設(shè)置接觸面為Couple邊界條件，其冷卻風扇采用風扇邊界。電器柜四周采用壁面邊界，夏季考慮太陽輻射，冬季則不考慮。將換熱壁面所處的外界環(huán)境溫度和太陽輻射對壁面的雙重熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換成綜合外氣溫度tc，其表達式[13]如下：

(3)

由于夏、冬季所處外界環(huán)境溫度和進風口送風溫度等有差別，對夏、冬季兩季氣候進行分析，相對應(yīng)的邊界條件如表1所示。

表1 夏、冬季邊界條件

為了更好地觀察電器柜的溫度分布，設(shè)置了如圖4所示的5個監(jiān)測面。其中1、2、3、4號監(jiān)測面主要用于監(jiān)測斷路器柜內(nèi)和電器柜室內(nèi)的溫度分布。同時，為了監(jiān)測低壓電源LVPS熱源溫度，單獨設(shè)置了一個LVPS熱源監(jiān)測面。

圖4 不同位置監(jiān)測面

4 計算結(jié)果及分析

4.1 總體情況

圖5、圖6為夏、冬兩季工況下各方案LVPS、斷路器柜內(nèi)和電器柜室內(nèi)的溫度分布。為了保證電器柜相關(guān)電器元件的正常工作，根據(jù)相關(guān)標準要求，LVPS溫度應(yīng)小于55 ℃，斷路器柜內(nèi)和電器柜內(nèi)溫度應(yīng)小于40 ℃。

由圖5可知，夏季時，大部分方案的LVPS溫度超標。其中，僅方案4、9和11未超標，方案4溫度最低為52.8 ℃。所有方案的斷路器柜內(nèi)和電器柜室內(nèi)溫度均未超標，部分方案溫度接近40 ℃標準。由圖6可知，冬季時，大部分方案的LVPS溫度未超標。其中，僅方案2和6超標，方案4溫度最低為49.5 ℃。所有方案的斷路器柜和電器柜室內(nèi)溫度均未超標，其大部分溫度在25 ℃～30 ℃范圍內(nèi)，遠遠低于40 ℃標準。綜合比較，方案4(中下下)為最佳方案。

圖5 夏季各方案溫度分布

圖6 冬季各方案溫度分布

由于LVPS為電器柜中最大發(fā)熱元件，其相對斷路器柜和電器柜室內(nèi)溫度更易超標，故LVPS應(yīng)成為重點考慮的通風散熱對象。由于冬季室外溫度極低，對電器柜室內(nèi)影響較大，LVPS、斷路器柜內(nèi)和電器柜室內(nèi)的溫度不易超標，故夏季應(yīng)成為重點考慮的通風散熱工況。

4.2 進風管長度的影響

圖7所示為夏、冬兩季不同進風管長度所對應(yīng)的LVPS溫度分布。由圖7可知，LVPS溫度受進風管長度影響較大。其中：短管時的LVPS溫度相對較高，長管時的LVPS溫度相對較低。圖8為夏、冬兩季不同進風管長度所對應(yīng)的斷路器柜和電器柜室內(nèi)溫度分布。由圖8可知，斷路器柜和電器柜室內(nèi)的溫度分布受進風管長度影響較大。其中：短管時，電器柜室內(nèi)溫度相對斷路器柜溫度要高；長管時，斷路器柜溫度相對電器柜室內(nèi)溫度要高；中管時，兩者溫度相差不大。

中管出風口位置在斷路器柜和LVPS中間的上方，對電器柜各電器元件作用較為均衡；短管出風口位置在斷路器柜上方，冷空氣對斷路器柜作用較多；長管出風口位置靠近LVPS，沿電器柜柜壁向下，冷空氣迅速由上至下到達電器柜底部，再通過冷卻風扇，主要作用于LVPS。

圖7 不同進風管長度LVPS的溫度分布

圖8 不同進風管長度斷路器柜和電器柜室內(nèi)溫度分布

4.3 廢排口位置和冷卻風扇的耦合影響

圖9所示為夏、冬兩季不同廢排口位置和冷卻風扇耦合作用下的LVPS溫度分布。由圖9可知，4種組合方案(上上、上下、下上、下下)中，當廢排口和冷卻風扇位于同側(cè)(上上、下下)時，LVPS溫度相對較低；當廢排口和冷卻風扇位于異側(cè)(上下、下上)時，LVPS溫度相對較高。同時，中短管時，當廢排口和冷卻風扇位于同側(cè)向下(下下)時，LVPS溫度最低。

LVPS溫度受到廢排口位置和冷卻風扇耦合作用較大。當其位于同側(cè)時，肋片散發(fā)的熱量可通過冷卻風扇的作用直接排向廢排口附近，對于LVPS的通風散熱很有利；當其位于異側(cè)時，肋片散發(fā)的熱量被冷卻風扇直接排向電器柜室內(nèi)，導致室內(nèi)熱量積聚，不利于LVPS的通風散熱。中短管時，當其位于同側(cè)向下，冷空氣由上至下，在方向向下冷卻風扇的作用下，其相比同側(cè)向上，更能對LVPS進行充分冷卻，更有利于LVPS的通風散熱。

圖9 不同廢排口位置和冷卻風扇LVPS溫度分布

4.4 特殊結(jié)構(gòu)的影響

當冷卻風扇方向向下時，LVPS肋片散發(fā)的熱量被排向電器柜底部，對于中短管的通風散熱方案，底部熱量難以排除，造成電器柜室內(nèi)溫差較大，底部溫度高于頂部溫度。

當進風管為長管時，其端部彎管使得冷空氣沿著電器柜柜壁迅速自上而下，直接到達電器柜底部。同時，當冷卻風扇方向向上時，LVPS肋片散發(fā)的熱量被排到電器柜頂部，頂部熱量難以排除，造成電器柜室內(nèi)溫差較大，頂部溫度高于底部溫度。但底層冷空氣充分作用冷卻LVPS，有利于LVPS通風散熱，如圖9(a)、(b)所示的方案9(長上上)和方案11(長下上)。當冷卻風扇方向向下時，LVPS肋片散發(fā)的熱量被排到電器柜底部，底層冷空氣不能充分作用冷卻LVPS，不利于LVPS的通風散熱，如圖9(a)和(b)所示的方案10(長上下)以及方案12(長下下)。

由于長管的特殊彎管結(jié)構(gòu)，使得送風方式類似于下送風。而中長管屬于上送風，所以，長管時的部分結(jié)果與4.2、4.3節(jié)中所得到的結(jié)果有所差異。如圖7所示方案12(長下下)，由于冷卻風扇方向與冷空氣方向相反，此時長管LVPS溫度相對中短管反而偏大。長管時，LVPS溫度受冷卻風扇方向影響極大，對此類情況應(yīng)具體分析。

5 結(jié)論

(1)方案4為電器柜通風系統(tǒng)的通風散熱數(shù)值仿真最佳方案。

(2)夏季少部分和冬季大部分方案的低壓電源LVPS溫度未超標，所有方案的斷路器柜和電器柜室內(nèi)溫度均未超標。大功率電器元件應(yīng)成為重點考慮的通風散熱對象，夏季應(yīng)成為重點考慮的通風散熱工況。

(3)短管時對于低壓電源LVPS通風散熱作用較小，電器柜室內(nèi)溫度相對斷路器柜溫度要高；長管時，反之。

(4)當廢排口和冷卻風扇位于同側(cè)(上上、下下)時，低壓電源LVPS溫度相對較低；當廢排口和冷卻風扇位于異側(cè)(上下、下上)時，反之。

(5)部分特殊結(jié)構(gòu)會造成電器柜室內(nèi)溫差較大。長管時，低壓電源LVPS溫度受冷卻風扇方向影響極大，對此類特殊問題應(yīng)具體考慮。