基于CFD分析的電動客車電器艙溫度場優化

曹紅軍,吉 揚,熊 樂,任田良,徐志遠

(1.中車時代電動汽車股份有限公司,湖南 株洲 412007;2.湘潭大學,湖南 湘潭 411105)

電動客車為了降低行駛過程中的平均能耗,在保證乘客艙空間足夠大的情況下,必須盡量控制車身總尺寸以及總質量。故其電器艙空間一般比較狹小[1],電器零部件安裝緊湊,其中不乏發熱量較大的設備,如車輛主驅動電機系統、交流充電機、空壓機以及散熱器等。安裝緊湊易形成過熱的電器艙環境,影響ATS散熱器的正常工作,導致電機、交流充電機等電器冷卻不良,影響使用壽命。CFD仿真技術在客車電器艙流場研究以及優化措施評估方面已經得到廣泛應用[2-11],本文展示其具體過程。

1 原電器艙溫度場仿真分析

1.1 電器艙三維模型及冷氣路徑

在圖紙設計階段,根據2D設計圖紙建立三維實體模型。電器艙零部件眾多,外形復雜,各種管路、線路交錯,需要根據仿真模型簡化原則(即忽略離散線束的影響),簡化處理電器件表面輪廓細節,保留住體積模型。簡化后的電器艙三維模型如圖1所示。

圖1 電器艙三維模型及冷氣路徑

車輛行駛過程中,車外冷空氣主要由2條路徑進入電器艙：一條路徑是先通過側圍進氣格柵進入,然后通過散熱器散熱翅片區,再經過散熱風扇把熱風排到艙內,最后通過艙體未封板的區域流到艙外,這是主要散熱路徑;另一條路徑是通過電器艙底部無封板區域以及孔洞區域進入電器艙(電機前方和下方是沒有艙體封板)。這2條路徑的空氣最終都通過電器艙底部無封板區域或后圍裝配間隙排到艙外,順便帶走艙內熱量,在簡化模型時需準確保留流場路徑主特征幾何元素。

1.2 仿真模型的網格劃分

在圖1三維模型基礎上建立流體仿真模型,如圖2所示,流體仿真模型包含電器艙外部環境區域。

圖2 原電器仿真模型

劃分的網格模型需保證電器艙側圍格柵每條通道橫截面網格數不少于10個,重要零部件面網格尺寸小于4 mm,邊界層第一層網格厚度小于0.1 mm,邊界層層數大于5層。根據以上要求建立的電器艙網格模型如圖3所示。

圖3 剖面網格

1.3 仿真模型邊界條件

仿真模型邊界條件設定見表1。采用速度入口邊界條件替代車輛行駛速度,散熱風扇根據P-Q曲線等效成動力源項,散熱器換熱翅片區根據廠家提供的流阻曲線等效成多孔介質區域。

表1 仿真模型邊界條件

1.4 原電器艙仿真結果

仿真軟件采用ANSYS16.0中的CFX模塊,收斂殘差標準在1E-4以下,迭代循環步數不少于3 000步,仿真結果(流場溫度場)如下：

1) 散熱器水平方向中截面速度矢量如圖4所示。從圖中可以看出,外界冷空氣從側圍格柵進入后,大部分冷空氣被散熱器吸入,部分冷空氣從視圖展示的右側(散熱器與側圍之間的安裝間隙)流走;由于熱空氣回流的影響,側圍進氣格柵的前部進氣有限。散熱器垂直方向中截面速度矢量如圖5所示。從圖中可以看出,熱空氣從散熱器出來之后直接沖向轉向阻力總成和高壓接線盒,部分氣體從散熱器底部回流到散熱器進口。

圖4 散熱器水平方向中截面速度矢量

圖5 散熱器垂直方向中截面速度矢量

2) 散熱器水平方向中截面溫度云圖如圖6所示。從圖中可以看出,空壓機附近溫度較高,部分高溫流體回流再次進入散熱器進口。散熱器垂直方向中截面溫度云圖如圖7所示。從圖中可以看出,散熱器底部高溫流體回流比較嚴重,主要原因是側圍格柵安裝高度明顯高于散熱器高度。

圖6 散熱器水平方向中截面溫度云圖

圖7 散熱器垂直方向中截面溫度云圖

3) 散熱器空氣側的空氣流量仿真結果為2 077 m3/h,但側圍進氣量仿真結果為1 127 m3/h,這表明散熱器空氣側接近一半流量是高溫回流空氣,高溫回流空氣提高了散熱器進口空氣的平均溫度(達到45.3 ℃),相較于環境溫度35 ℃,提升了10.3 ℃,嚴重影響散熱器的散熱效率,同時惡化了電器艙熱環境,散熱器出口平均溫度達到了62.72 ℃。側圍進氣格柵有效通風面積偏小限制了側圍格柵的冷空氣進氣量,因此需對電器艙結構進行優化。

2 電器艙結構優化及效果評估

2.1 結構優化

依據以上仿真結果進行結構優化,電器艙優化措施如下：

1) 在原散熱器進口添加導風罩,具體結構如圖8所示。

(a) 原始模型

2) 改變側圍進氣格柵的開度角,由原來的135°改成120°,如圖9所示。

圖9 側圍進氣格柵

2.2 優化效果

對優化后的電器艙結構重新進行仿真分析,結果如下：

1) 從圖10可以看出,由于導風罩的存在,散熱器與側圍之間不存在安裝間隙,散熱器的流通風量完全來自側圍進氣格柵。從圖11可以看出,由于散熱器增加了導風罩,熱回流現象不再存在,側圍格柵進入的冷空氣出現向下流的趨勢,保證散熱器底部進氣量的同時,降低散熱器底部進氣溫度,改善散熱器整個格柵進口平面的溫度分布。

圖10 散熱器水平方向中截面速度矢量

圖11 散熱器垂直方向中截面速度矢量

2) 散熱器水平方向中截面溫度云圖(圖12)顯示,電器艙空壓機附近溫度明顯得到改善(相較于圖6);散熱器垂直方向中截面溫度云圖(圖13)顯示,散熱器進口溫度在高度方向變得更平均了(相較于圖7)。散熱器內部的溫度整體呈下降趨勢。

圖12 散熱器水平方向中截面溫度云圖

圖13 散熱器垂直方向中截面溫度云圖

3) 側圍格柵進氣量仿真結果達到了1 956 m3/h,比初始設計的1 127 m3/h 提升了829 m3/h,改善效果明顯(表明吸入了足夠多的低溫空氣)。散熱器散熱風扇出口平均溫度仿真結果只有48.8 ℃,散熱器出風口平均溫度相較于初始設計62.72 ℃降低了13.92 ℃,降幅明顯,此溫度比較適宜,可保證散熱器處于高效散熱狀態,并滿足電機、電機控制器以及交流充電機的冷卻需求。

3 結束語

由于原始設計的電器艙散熱器熱回流現象嚴重,即使散熱器冷卻風量足夠大,電器艙溫度依然很高,嚴重影響電器件的使用壽命。通過優化電器艙結構,杜絕散熱器熱回流,增大側圍進氣格柵流通面積,在散熱器流通風量基本維持不變且散熱器散熱功率相同的情況下,散熱器出口空氣溫度平均下降了13.92 ℃,滿足電機系統散熱需求的同時明顯改善了電器艙熱環境。