FXD型動力集中動車組暖風機通風域流動特性評價及分析

王岳宸

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.國家軌道客車系統集成工程技術研究中心，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絡進一步向著高效、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流結構設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2臺暖風機進出風口導流結構布置不合理，導致動車組運用的首個冬季期，頻繁發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流結構對其實際制熱效率有重要影響，本文采用CFD數值模擬的方法分析流速、結構對動力集中動車組動力車暖風機進出風流動特性的影響，并提出了優化設計方案。

2 數值模型

2.1 模型簡化

根據暖風機的實際運行環境，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和簡化。

結構簡化。(1)導流板厚度對于流場影響較小，忽略導流板厚度；(2)忽略細小結構件(螺孔、螺帽等)對流場的影響。

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

2.2 網格劃分及邊界條件

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流結構為研究對象，導流結構區域為暖風機進出風面板與導流蓋板圍城的區間，區間尺寸為450 mm×500 mm×50 mm，構建該區域1∶1三維模型進行數值計算工作，其結構如圖1所示。

圖1 FXD型動力車暖風機導流結構正面、背面示意圖

2.3 氣相湍流模型

暖風機導流結構內空氣流場的控制方程式可表示為

(1)

根據暖風機導流結構內空氣流動時湍流的情況，采用Realizablek-ε湍流模型來模擬系統內空氣的湍流運動。

3 結果與討論

3.1 暖風機流域流動特性分析

標況下模擬結果導流結構區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出口，勢必導致暖風機供暖效果劣化。觀察流通區域縱向切片云圖(見圖3)，暖風機進出風口之間存在明顯回流，結合熱空氣流動軌跡圖(見圖4)，近半數熱空氣直接循環回其內部而非流出系統加熱司機室。考慮暖風機本身設計靜壓很小，分析認為暖風機導流結構設計不合理導致流動阻力顯著，而未與系統出口正對的熱空氣在流域內形成二次流向導流結構內部流動，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致大部分熱空氣在暖風機內循環加熱，不僅使暖風機供暖效率嚴重下降，也是導致暖風機頻繁觸發高溫保護停機的主要原因。

圖2 導流結構內橫截面速度云圖/(m/s)

圖3 導流結構內特征縱截面速度云圖/(m/s)

圖4 導流結構內跡線圖/(m/s)

本文引入一個用于分析流通效果的參數，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，為了克服系統阻力，會選擇適當提高供風設備靜壓，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，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的熱空氣量增大了，但仍有相當一部分熱空氣在結構阻力和暖風機進出口壓差驅動下，流回暖風機內部循環加熱。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，在現有導流結構條件下，即使顯著增大風量仍會有約20%的熱空氣流回暖風機循環加熱。綜上所述，增大風量可以提高流出系統的熱空氣量，但并不能解決熱空氣回流循環加熱的問題，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 導流結構參數對流動特性影響

暖風機導流蓋板上的有兩組導流板有著促進熱空氣向司機室擴散的作用，但同時導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下依次模擬了導流板與蓋板夾角呈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。不同導流板角度下K如表2所示，隨著導流板與蓋板夾角增大，K值增大，回流熱風量降低，對發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，所以導流板與蓋板夾角不易取得過大。結合相關研究，合理的排風口導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 導流結構優化

為顯著改善暖風機導流結構內流動特性，本文對暖風機導流結構進行了優化研究，在兩組導流板間增加一塊隔板，如圖8所示，形成流動分區的效果。本文在標況流動參數下分別對加裝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，導流結構內流動趨于均勻，熱空氣有效流向司機室空間而非循環回暖風機內二次加熱。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 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導流結構進行了數值模擬仿真研究，通過建立熱風流出率K評價指標，從流動參數和結構參數兩個角度的進行了模擬分析，得出如下結論。

(1)增大風量可以提高流出系統的熱空氣量，但對K影響較弱，也無法解決熱空氣回流循環加熱的問題，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)增大導流蓋板上導流板角度能夠提高K，但角度越大，熱風向司機室內的擴散效果就越差，不利于冷熱空氣的混合，所以導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加熱現象基本消除，能夠有效改善暖風機工作狀態。本文認為隔板寬度取在35～40 mm之間最為適宜。