發電列車車下燃油箱保溫性能CFD仿真

林鵬等

摘要： 基于CFD理論，應用STARCCM+仿真某發電列車車下燃油箱在給定高寒工況下的保溫性能.在考慮列車運行時車外流場影響的基礎上，耦合分析箱體、保溫材料和燃油等的溫度分布特性，找出燃油可能發生結蠟的區域.給出相關分析結論和改進建議，為保證燃油箱擁有穩定的工作性能提供可靠的設計參考.

關鍵詞： 發電列車； 燃油箱； 保溫材料； 燃油結蠟； CFD

中圖分類號： U273.95；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： Based on the CFD theroy， the thermal insulation performance of the fuel tank under a certain generator train is simulated by STARCCM+ in a given extremely cold working condition. Considering the effect of vehicle external flow field when the train is running， the coupling analysis is performed on the temperature distribution characteristics of the tank body， thermal insulation material， fuel oi， and so on， and the possible wax deposition regions of the fuel oil are found. The corresponding design conclusions and improvement suggestions are proposed， which provide reliable design reference for the stable working performance of the fuel tank.

Key words： generator train； fuel tank； thermal insulation material； fuel oil wax deposition； CFD

引言

鐵路飛速發展的今天，雖然高速動車組的普及率越來越高，但受多方面因素制約，仍有很多地域沒有鋪設電氣化鐵路（如某些高寒地區）.這些區域列車的電器用電靠專用發電列車供給.燃油箱是發電列車不可或缺的設備，裝載大容量柴油，通常以吊掛方式安裝在車下底架上.但是，當發電列車行駛在高寒地區時，低溫容易使柴油中有蠟晶體析出，并聚集和沉積在箱內壁等固相表面，即出現柴油結蠟現象，嚴重時會導致柴油質量下降、吸油泵堵塞等危害.[1]因此，高寒地區的發電列車除需使用特種標號的柴油以外，其燃油箱還必須擁有出色的隔熱保溫性能.

目前，國內對類似保溫箱（罐）體的性能研究主要集中在隔熱涂料方面 [27]，對具體結構的研究相對較少[8].隨著計算機的快速發展，運用仿真手段可以方便地模擬結構在不同時刻的狀態，彌補試驗手段的不足，提高認識的量化程度.本文以運行在高寒地區的某發電列車燃油箱為研究對象，基于CFD理論分析其在指定工況下的隔熱保溫性能，指導燃油箱的結構設計和改進.

1仿真模型建立

CFD是近年來迅速發展的邊緣學科，其將近代流體力學、數值科學與計算機科學相結合，數值求解描述不同種類流體運動和傳熱傳質規律的偏微分方程組，得到確定邊界條件下的工質流動、輸運、相變等數值解.CFD還可與計算傳熱學結合，聯立求解能量守恒方程，預報溫度分布、傳熱、燃燒等過程的細節，使得CFD成為傳熱裝置優化設計的有力工具.本文基于CFD技術，利用STARCCM+分析燃油箱在列車行進狀態時的隔熱保溫性能.

1.1幾何模型和材料參數

所研究的發電列車設計時速為100 km/h，運營環境最低平均溫度約-50 ℃.燃油箱結構示意見圖1，其整體采用類似“三明治”的“外箱+保溫材料+內箱”結構，設計容積約3 200 L；內、外箱體通過加強筋框架連接，內箱設有若干開孔擋板以控制燃油晃動；箱體頂部設大開孔為注油孔，兩側分別布有6個檢修孔.

為適應惡劣的高寒環境，燃油箱設計時在內箱底面鋪設功率為5 000 W的伴熱線等其他主動保溫措施.為考慮列車運行對燃油箱保溫性能的影響，模型引入簡化的車外流場.本文約定，模型中x軸為縱向即列車運行方向，y軸為橫向，z軸為垂向，重力方向為負z方向.

在本文考慮的溫度范圍內，各部件的材料屬性隨溫度變化的幅度較小，分析時可僅選擇對應的常量，箱體框架為耐候鋼，保溫材料為福樂斯，燃油為輕柴油，外流場工質為空氣，材料屬性見表1.

1.2網格劃分

選用STARCCM+倡導的多面體網格離散計算域，相對傳統四面體網格，其具有計算性價比較高、擁有相對更多的毗鄰單元、計算變量的梯度過渡相對平滑等諸多優點.[9]此外，CFD傳熱分析要求離散后的結構在各尺寸方向均有足夠多的網格，否則計算結果不可靠甚至導致發散.但是，箱體鋼板的設計厚度相對保溫材料等小很多，最薄處僅為1 mm，若全部劃分為多面體網格，模型規模必然急劇增大.因此，通過附加激活STARCCM+特有的Thin Mesher選項，成功將箱體離散為高質量、分層化、節點完全連續的薄壁層網格，實現在保持多面體網格獨特優勢的同時有效控制整體網格數目.最終計算域網格分布見圖2，其中多面體單元6 102 606個，頂點28 148 967個，內部面33 275 468個.

1.3邊界條件施加

設車外來流速度為100 km/h，來流溫度為-60 ℃.在內箱底面激活熱源項，模擬伴熱線生熱，源項大小為5 000 W.在箱體、保溫材料和燃油等區域的連接處設置接觸界面，通過軟件耦合求解界面處的傅里葉熱傳導方程，實現各區域之間的傳熱模擬.在流場分析時，軟件自動計算和添加燃油箱與外界接觸面的對流換熱系數，如非特殊要求，無須人為設置.需要說明的是，受轉向架等復雜結構的影響，列車車下空氣的平均流速通常明顯低于其運行速度[10]，所以本文模擬的工況比實際惡劣許多，借此強化考核保溫材料的性能.

1.4計算參數設置

選取Boussinesq模型描述燃油流動，模擬燃油因溫度梯度產生的自然對流，同時考慮燃油內部的流動和熱傳遞.選取基于雷諾平均法的kε模型和壁面函數描述湍流.采用二階迎風格式離散各對流項和擴散項.激活傳熱分析選項，實現在模擬流動時耦合計算熱量傳遞過程.所有參數的迭代誤差閾值均設為1×10-4.

2計算結果分析

外界空氣流速越高，物體表面的強迫對流換熱系數越大，散熱效果越明顯.[11]燃油箱周圍空氣流速分布見圖3，可知：受路徑截面突變影響，車下來流在箱頂迎風區域和箱底附近的流速均高于列車行進速度（局部達到166 km/h），這部分區域散熱效果更強；而來流在箱體其他區域附近流動緩慢，強迫對流換熱效果極不明顯.

燃油箱整體和保溫材料的溫度分布見圖4，可知：油箱整體溫度在-60 ℃至43 ℃之間變化，并且在伴熱線作用下，油箱底部區域溫度最高；受車下來流強迫散熱的影響，位于迎風側的各結構溫度均明顯低于背風側；保溫材料整體內外溫差很大，說明其隔熱性能良好；而耐候鋼的導熱系數遠高于福樂斯，使得箱體內外溫差相對小很多，只有兩側開孔和吊掛等直接與燃油接觸的區域溫度較高.燃油的溫度和流速分布見圖5，可知：低溫燃油集中在各吊掛和開孔附近，最低溫度約-43 ℃，因為受制造工藝制約，這些區域無法填充保溫材料，造成內箱直接與外界接觸；高溫燃油分布于油箱底部，最高溫度約為43 ℃；其余絕大部分燃油的溫度分布均勻，其整體平均溫度約為1.1 ℃，高于對應結蠟溫度；此外，由于溫差作用，燃油內部出現低速的自然對流現象，在一定程度上加速熱量的傳遞.易結蠟（溫度低于-20 ℃）燃油的分布示意見圖6.由圖6可知，易結蠟部位主要集中貼近在各吊掛和開孔等燃油箱體與外界直接接觸的區域.這部分燃油所占比例很小，同時其所在位置全部遠離抽油部位，說明此時絕大部分燃油仍可供正常使用.如果在實際生產時能注意補強圖6所示部位的保溫性能，無疑將進一步保證燃油箱在極端惡劣的運營狀態下也不會失效.

3結論

基于CFD理論，使用STARCCM+仿真分析某發電列車燃油箱在給定強化高寒工況下的隔熱保溫性能，并給出對應設計改進建議.主要結論如下：

（1）車下來流在箱頂迎風區域和箱底附近的流速較高，散熱效果更明顯，使得位于迎風側的燃油箱各結構溫度均明顯低于背風側.

（2）由于存在溫度差異，箱內燃油出現自然對流，在一定程度上加速燃油內部的熱量傳遞，但其流速并不高.

（3）容易發生結蠟的燃油分布于各吊掛和開孔等燃油箱體與外界直接接觸的區域，不過其所占比例很小，所在位置也全部遠離抽油部位，產生的不利影響很小.在實際生產時應注意補強這些區域的保溫性能.參考文獻：

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