動車組牽引電機冷卻風道流場數值計算

宋剛,尤明,王東屏,高壯

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發部，吉林 長春 130062; 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

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動車組牽引電機冷卻風道流場數值計算

宋剛1,尤明2,王東屏2,高壯2

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發部，吉林 長春 130062; 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

基于不可壓縮流體控制方程和標準的 k-ε湍流模型，建立動車組牽引電機冷卻風道的三維流場計算模型，在兩種計算工況下對其內部流場進行數值計算，得出風道(包含硬風道和軟風道)損耗及軟風道出風口處的風壓和風量，對風道的設計方案進行評估.計算表明：兩種工況下，風道總壓降為266.1～356.7 Pa，風道出口的壓力能達到2 880～3 150 Pa，風道兩出風口的相對誤差為2.53%～5.30%，風道的設計方案均滿足設計要求.

風道；CFD；方案評估

0 引言

動車組高速、重載，要求發動機功率大，對牽引電機散熱要求高.牽引電機散熱情形的好壞將決定動車組能否安全運行.因此對動車組動車牽引電機的冷卻風機及風道布風有著嚴格的標準.由于動車組車下空間復雜且有限，給風道均勻布風帶來很大的困難及限制，所以選擇性能良好并用合理的通風系統非常必要[1].

利用試驗的方法來確定風道系統送風口的尺寸、位置往往耗費很大，且難于找到影響風量分配的主要因素.運用計算流體力學(CFD)在工程中的應用，使得研究者可以利用計算機仿真技術，結合數學模型，代替真實系統進行研究，探明問題、縮短研制周期,減少反復試驗造成的浪費.文獻[2]利用ANSYS中的PFLOTRAN模塊對機車牽引電機冷卻風道內流場進行三維計算分析,獲得了管道進出口壓差和流量,為新型機車冷卻管道的設計提供了依據.文獻[3]利用Fluent 軟件對內燃機車牽引電動機風道內流場進行三維計算分析，獲得了風道進出口壓差和流量的平衡，對風道進出口的尺寸和形狀進行了優化.上述文獻在機車風道設計中，用CFD的方法對風道流場進行了數值分析，并且在優化風道結構等方面進行了一些研究，但還未涉及對動車組牽引電機風道設計做數值分析.

1 算法原理

研究動車組動車風道內流場的空氣動力特性，其實質是流體流動問題.而流體運動是最復雜的物理行為之一，與結構設計領域中應力分析等問題相比，其建模與數值模擬要困難得多.動車風道內流場的空氣流動是三維、定常、不可壓縮流動.根據流場特點，描述空氣流動的控制方程包括連續性方程、Reynolds 時均Navier-Stokes 方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS)以及湍流模型方程[4].計算湍流運動時，還需要附加湍流方程，本次計算采用了適用范圍廣，且工程計算中常用的標準k-ε湍流模型[5].

在數值計算中，采用有限體積法中常用的SIMPLE算法對離散方程進行求解，離散方程時，對流項采用二階迎風格式，粘性項采用二階中心差分格式.

2 風道的數值計算

圖1(a)為風道內流場的三維計算模型.風道有1個進風口和2個出風口，空氣由通風機吹入進風口.風道出口通向電機，共分兩個子通道.風道的網格模型如圖1(b)所示.風道出口由兩端軟風道組成.為了適應風道的模型結構，采用四面體非結構性網格劃分，風道的網格單元數為750萬，整體網格質量良好.

(a)計算模型

(b)網格模型

2.1 工況1的計算結果分析

首先試算在計算工況流量下風道的壓降情況，壓降為332.8 Pa.然后對比進口風壓得到出口的風壓值，以此設定為邊界條件如表1所示.

表1 工況1邊界條件

風道進出口體積流量相對誤差為0.001 4%，小于0.5%，計算迭代582步收斂，采用二階迎風格式，計算殘差標準是10-3.

風道的整體壓力云圖如圖2所示，由圖中可以看出，進風口處平均壓力為3 256 Pa，出風口1處壓力為2 799.6 Pa，出風口2處壓力為2 799.3 Pa.

圖2 風道的壓力分布云圖(工況1)

圖3是風道進、出口及風道中兩個截面的壓力分布.在軟風道1進口的平均壓力為2 824.8 Pa，出口的壓力為2 799.6 Pa，所以軟風道1壓差為25.2 Pa.軟風道2進口的平均壓力為2 907.0 Pa，出口的壓力為2 799.3 Pa，軟風道2的壓差為107.7 Pa.

圖3 風道進、出口及風道中兩個截面壓力分布云圖

軟風道的速度矢量分布如圖4所示.從圖中可以看出，軟風道入口部位空氣速度較大，由于軟風道的結構特殊，因此在軟風道的壁上褶皺區域存在部分渦流現象，由此產生一定的壓力損失.整個風道的進風口和出風口(1、2)的流量統計分別為：1.484、0.732 、0.751 m3/s，出風口2與出風口1流量相對誤差為2.60%.風道中各部分風壓統計如下：進口壓力為3 156.1 Pa，風道入口到軟風道入口1壓差為331.2 Pa，軟風道1壓差為25.2 Pa，

總的來說，該算法占用資源少、處理速度快，尤其適用于在圖像目標的檢測場合中實現硬件加速，因此該算法不僅適用于在線紙病檢測系統，同時也適用于其他實時性較強的應用中，可以針對不同的應用場合靈活控制分塊的數量，完成對圖像目標的檢測和提取，以提高系統的實時性。

(a)軟風道1

(b)軟風道2

風道入口到軟風道入口2壓差為249.0 Pa，軟風道2壓差為107.7 Pa，風道總壓降為356.7 Pa.

2.2 工況2的計算分析

由于工況2的風量小，風道的壓力損失比工況1小，為237.5 Pa.邊界條件的設定如表2所示.

表2 工況2的邊界條件

風道進出口體積流量相對誤差為0.000 13%，小于0.5%，計算迭代515步收斂，采用二階迎風格式，計算殘差標準是10-3.

風道的整體壓力云圖如圖5所示，從圖中可以看出，進風口處平均壓力為3 415.6 Pa，出風口1處壓力為3 149.7 Pa，出風口2處壓力為3 149.5 Pa，風道的壓力損失為266.1 Pa.

圖5 風道的整體壓力云圖(工況2)

風道進風口的平均壓力為3 415.6 Pa.在軟風道1進口的平均壓力為3 183.1 Pa，軟風道1出口的壓力為3 149.7 Pa，軟風道壓差為33.4 Pa.軟風道2進口的平均壓力為3 223.2 Pa，軟風道2出口的壓力為3 149.5 Pa，軟風道壓差為73.7 Pa.整個風道的進風口和出風口(1、2)的流量統計分別為：1.25、0.608、0.642 m3/s，出風口2與出風口1流相對誤差為5.59%.工況2中風道風壓統計如下：進口壓力為3 415.6 Pa，風道入口到軟風道入口1壓差為232.5 Pa，軟風道1壓差為33.4 Pa，風道入口到軟風道入口2壓差為129.4 Pa，軟風道2壓差為73.7 Pa，風道總壓降為266.1 Pa.要求出口壓力不能低于2 000 Pa，所以設計方案滿足設計要求.

3 結論

通過對動車組牽引電機冷卻風道三維內部流場兩種計算工況的數值計算,得到風道內壓力場和速度場的詳細信息,分析結果得出如下結論:

(1)在風道入口壓力3 250 Pa、流量1.484 m3/s的工況下，風道進口平均靜壓是3 156.1 Pa，風道壓力最大損失356.7 Pa， 風道出風口1的出風量為0.732 m3/s，風道出風口2的出風量為0.751 m3/s，風量相對誤差是2.60%；

(2)在風道入口壓力3 500 Pa、流量1.25 m3/s的工況下，風道進口平均靜壓是3 415.6 Pa，工況2的風道壓力最大損失266.1 Pa，風道出風口1的出風量為0.608 m3/s，風道出風口2的出風量為0.642 m3/s，風量相對誤差是5.59%；

(3)計算結果表明：風道的設計方案滿足風壓及風量均勻性的要求.

[1]王巍，劉艷艷，介紅恩，等．機車牽引電機通風機風道內部流動數值分析與結構改進[J].內燃機學報，2009(3) ：20-22．

[2]王惠玉，芮 斌，焦立新．機車牽引電機冷卻風道空氣流場的分析[J].內燃機車，2003(5) ：7-11．

[3]張亞軍，杜禮明．機車通風風道流體性能計算分析和優化[J].內燃機車，2013(3)：18-20．

[4]田紅旗．列車空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社，2007．

[5]王福軍．計算流體動力學分析[M] ．北京：清華大學出版社，2004．

Flow Field Numerical Calculation of EMU Traction Motor Air Cooling Channel

SONG Gang1,YOU Ming2,WANG Dongping2,GAO Zhuang2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Company Ltd,Railway Customer Development Department,Changchun 130062，China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Based on incompressible fluid flow control equations and standard k-ε turbulence model,a three-dimensional flow field calculation model of EMU traction motor air cooling channel is established.The numerical calculation is carried out for its internal flow field in both working conditions,and the pressure loss of air channel (including hard and soft air channels) and air volume and pressure of the soft air channel outlet are obtained to evaluate the design program of the channel.The calculation result shows that in both working conditions,the total channel pressure drop is 266.1-356.7 Pa,the channel outlet pressure can reach 2 880-3 150 Pa,and the relative error of the two air outlet channel is 2.53%-5.30%,which proves that the channel design meets the design requirements.

channel；CFD；program evaluation

1673-9590(2015)03-0022-04

2014-09-23

宋剛(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事動車組牽引系統及牽引冷卻系統方面研究 E-mail:songgang@cccar.com.cn.

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