王岳宸

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.國家軌道客車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130062)

1 引 言

動力集中動車組的成功研制及運用，動力集中動臥車組運行速度提升至160 km/h，標志著我國鐵路客運網(wǎng)絡(luò)進一步向著高效、快捷、舒適、動力類型多維度、速度分布立體化的更高層次邁進。但是隨著動臥車組運行速度的提升，動力車與空氣的對流換熱強度明顯增大，在冬季為了維持司機室環(huán)境溫度適宜就需要消耗更多的熱量，這就對對暖風機的選型及其導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性提出了更高的要求。動力集中動車組動力車司機室內(nèi)布置了4臺1.5 KW暖風機，同既有和諧型車相比總功率更大、實際面積更小，足以滿足冬季供暖需求，但是司機室后墻側(cè)2臺暖風機進出風口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)布置不合理，導(dǎo)致動車組運用的首個冬季期，頻繁發(fā)生暖風機過溫保護停機不能加熱的故障，有效供暖時間短，司機室整體溫度提升緩慢，嚴重影響用戶駕駛體驗。由此可見暖風機進出風導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對其實際制熱效率有重要影響，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法分析流速、結(jié)構(gòu)對動力集中動車組動力車暖風機進出風流動特性的影響，并提出了優(yōu)化設(shè)計方案。

2 數(shù)值模型

2.1 模型簡化

根據(jù)暖風機的實際運行環(huán)境，在滿足工程要求條件下，為了便于模擬計算，對該裝置做如下假設(shè)和簡化。

結(jié)構(gòu)簡化。(1)導(dǎo)流板厚度對于流場影響較小，忽略導(dǎo)流板厚度；(2)忽略細小結(jié)構(gòu)件(螺孔、螺帽等)對流場的影響。

物理問題簡化。(1)實際系統(tǒng)漏風較小，因此不考慮系統(tǒng)的漏風；(2)流動是定常流動；(3)流體物性參數(shù)為常數(shù)；(4)空氣為理想氣體；(5)模擬過程冷態(tài)流場，不考慮傳熱問題。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文采用全尺度模型進行模擬計算，以FXD型動力集中動車組暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)為研究對象，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)區(qū)域為暖風機進出風面板與導(dǎo)流蓋板圍城的區(qū)間，區(qū)間尺寸為450 mm×500 mm×50 mm，構(gòu)建該區(qū)域1∶1三維模型進行數(shù)值計算工作，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FXD型動力車暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)正面、背面示意圖

2.3 氣相湍流模型

暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣流場的控制方程式可表示為

(1)

根據(jù)暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣流動時湍流的情況，采用Realizablek-ε湍流模型來模擬系統(tǒng)內(nèi)空氣的湍流運動。

3 結(jié)果與討論

3.1 暖風機流域流動特性分析

標況下模擬結(jié)果導(dǎo)流結(jié)構(gòu)區(qū)域平面速度云圖如圖2所示，空氣流動主要集中暖風機進出風口之間，空氣主流方向偏離系統(tǒng)出口，勢必導(dǎo)致暖風機供暖效果劣化。觀察流通區(qū)域縱向切片云圖(見圖3)，暖風機進出風口之間存在明顯回流，結(jié)合熱空氣流動軌跡圖(見圖4)，近半數(shù)熱空氣直接循環(huán)回其內(nèi)部而非流出系統(tǒng)加熱司機室。考慮暖風機本身設(shè)計靜壓很小，分析認為暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致流動阻力顯著，而未與系統(tǒng)出口正對的熱空氣在流域內(nèi)形成二次流向?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)內(nèi)部流動，損耗動能的同時在壓差作用下大部分被暖風機進風口捕獲。上述因素共同作用導(dǎo)致大部分熱空氣在暖風機內(nèi)循環(huán)加熱，不僅使暖風機供暖效率嚴重下降，也是導(dǎo)致暖風機頻繁觸發(fā)高溫保護停機的主要原因。

圖2 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)橫截面速度云圖/(m/s)

圖3 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)特征縱截面速度云圖/(m/s)

圖4 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)跡線圖/(m/s)

本文引入一個用于分析流通效果的參數(shù)，熱風出流率K，定義為熱空氣出口風量Q1與暖風機出風口風量Q的比率，如公式(2)所示，標況下該型暖風機熱風出流率為69.4%。

(2)

3.2 暖風機風量對流動特性影響

通常，為了克服系統(tǒng)阻力，會選擇適當提高供風設(shè)備靜壓，暖風機出風口風速也會隨之提高。本文模擬了暖風機出口風速為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s和4 m/s四種工況下流動狀態(tài)，各工況下特征截面4速度云圖如圖5所示，可以看出，提高暖風機風量使流出系統(tǒng)的熱空氣量增大了，但仍有相當一部分熱空氣在結(jié)構(gòu)阻力和暖風機進出口壓差驅(qū)動下，流回暖風機內(nèi)部循環(huán)加熱。分析認為，隨著暖風機風量的增大，暖風機進出口壓差增大，促使空氣回流的驅(qū)動力隨之增大，對改善流動特性的貢獻很小。熱風出風率K隨暖風機出口風速變化記錄于表1中，變化趨勢如圖6所示，可以看出隨著暖風機出口流速增大，K逐步增大，但增長幅度卻快速減小，最終趨于平緩，在現(xiàn)有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)條件下，即使顯著增大風量仍會有約20%的熱空氣流回暖風機循環(huán)加熱。綜上所述，增大風量可以提高流出系統(tǒng)的熱空氣量，但并不能解決熱空氣回流循環(huán)加熱的問題，無法改善暖風機供暖效果。

圖5 不同暖風機出口風速下特征截面4速度云圖

表1 K隨暖風機出口風速變化

圖6 K隨不同暖風機出口風速下變化趨勢

3.3 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動特性影響

暖風機導(dǎo)流蓋板上的有兩組導(dǎo)流板有著促進熱空氣向司機室擴散的作用，但同時導(dǎo)流板角度的選取對流動阻力有明顯影響，本文在標況流動參數(shù)下依次模擬了導(dǎo)流板與蓋板夾角呈55°、65°、75°的三種工況，特征截面速度云圖如圖7所示。隨著夾角的增大，回流趨勢有所降低，但變化很小。不同導(dǎo)流板角度下K如表2所示，隨著導(dǎo)流板與蓋板夾角增大，K值增大，回流熱風量降低，對發(fā)揮暖風機熱效率有益。但是，K值增幅逐步減小，且夾角越大，熱風的擴散效果就越差，不利于冷熱空氣的混合，所以導(dǎo)流板與蓋板夾角不易取得過大。結(jié)合相關(guān)研究，合理的排風口導(dǎo)流板角度能減少分離回流損失，本文認為取在65°～70°之間最為適宜。

圖7 不同導(dǎo)流板角度下特征截面速度云圖/(m/s)

表2 K隨暖風機出口風速變化

3.4 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為顯著改善暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)流動特性，本文對暖風機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化研究，在兩組導(dǎo)流板間增加一塊隔板，如圖8所示，形成流動分區(qū)的效果。本文在標況流動參數(shù)下分別對加裝25 mm和40 mm寬隔板的工況進行了模擬，特征截速度云圖如圖9所示，能夠明顯看出隨著隔板寬度增加回流趨勢得到顯著抑制，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)流動趨于均勻，熱空氣有效流向司機室空間而非循環(huán)回暖風機內(nèi)二次加熱。各隔板寬度工況下熱風出風率K值如表3所示，當隔板寬度增加至40 mm時，K值達到97.2%，熱風幾乎全部從蓋板出風口流出，使暖風機功效完全發(fā)揮，能夠有效避免暖風機異常過熱保護。

圖8 隔板加裝位置示意

圖9 不同寬度隔板下特征截面速度云圖/(m/s)

表3 K隨隔板寬度變化

4 結(jié) 論

本文采用Realizablek-ε湍流模型對FXD型動力集中動車組司機室暖風機通風域?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬仿真研究，通過建立熱風流出率K評價指標，從流動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩個角度的進行了模擬分析，得出如下結(jié)論。

(1)增大風量可以提高流出系統(tǒng)的熱空氣量，但對K影響較弱，也無法解決熱空氣回流循環(huán)加熱的問題，不能改善暖風機供暖效果，依舊存在暖風機頻繁過熱停機風險。

(2)增大導(dǎo)流蓋板上導(dǎo)流板角度能夠提高K，但角度越大，熱風向司機室內(nèi)的擴散效果就越差，不利于冷熱空氣的混合，所以導(dǎo)流板與蓋板夾角不易取得過大，本文認為取在65°～70°之間最為適宜。

(3)在導(dǎo)流蓋板進出風口之間增加隔板可以提高K，隔板寬度偏低時，K值增幅較小，當隔板寬度增大到40 mm時，K值可達到97.2%，此時熱空氣回流循環(huán)加熱現(xiàn)象基本消除，能夠有效改善暖風機工作狀態(tài)。本文認為隔板寬度取在35～40 mm之間最為適宜。