郭華仲　賈紅洋　張延蕾

【摘要】本文通過對高溫環(huán)境機車牽引變流器冷卻裝置的設計分析、流場仿真計算分析、試驗，流場仿真結果與試驗結果基本穩(wěn)合，對后續(xù)高溫環(huán)境中的冷卻裝置設計具有借鑒作用。

【關鍵詞】高溫環(huán)境? 機車牽引? 變流器冷卻裝置? 流動特性研究

本文針對最高環(huán)境溫度50℃（高于環(huán)境溫度一般40℃左右的要求），運用FloTHERM10.0對機車牽引變流器冷卻裝置內部空氣流動狀況和路徑進行研究，并與試驗結果對比，旨在驗證流場仿真結果的可信程度、分析冷卻裝置流動速度場分布規(guī)律、提出優(yōu)化高溫環(huán)境冷卻裝置散熱能力的方法。

高溫環(huán)境機車牽引變流冷卻裝置的工作原理是冷卻風機通過空氣過濾網(wǎng)把冷空氣（環(huán)境空氣）吸入到裝置中，強迫冷卻空氣通過水散熱器后穿過電抗器吹向機車側面。冷空氣和熱流體通過水散熱器的對流換熱，從而實現(xiàn)冷卻牽引變流器的目的，保證牽引變流器在一定的溫度范圍內正常地工作。

一、冷卻裝置構成

冷卻裝置包括1個水散熱器、2個冷卻風機、1個空氣過濾網(wǎng)、鋼結構及管路等。

二、試驗方法

進口空氣溫度Ta1=50℃，同時采集進口空氣速度、出口空氣溫度、空氣動壓等參數(shù)。根據(jù)GB/T 25331-2010規(guī)定方法計算空氣體積流量Va。

調節(jié)變頻風機，在規(guī)定的空氣體積流量附近范圍內，測量散熱器進口空氣速度、風機進口空氣速度。

三、空氣流場仿真

（一）幾何模型

因防止計算結果過于龐大，對實際冷卻裝置進行了簡化，只保留和流動速度分析相關的特征。三維幾何模型如圖1所示。

（二）邊界條件

流場仿真計算的邊界條件如下所示：散熱器邊界條件：①環(huán)境溫度：55℃;②空氣密度：1.2kg/m3;③空氣體積流量：5.3m3/s;④空氣壓力損失：920 Pa;⑤散熱面積：61.5m2。風機邊界條件：①額定風量：5.3m3/s;②額定點靜壓：1550Pa;③額定軸功率：13kw;④轉速：2930r/min。

（三）網(wǎng)格劃分

本仿真分析采用system Grid，四面體網(wǎng)格數(shù)為573191，求解域內最大的尺寸比為43.5。

（四）計算方法

本文流場仿真所用的湍流模型為Flotherm10.0默認的Automatic Algebraic，屬于零方程Reynolds渦粘模型。由軟件計算湍動粘度，不需要設置相關參數(shù)。軟件自動計算每一個網(wǎng)格內的特征長度和速度，湍動粘度取決于網(wǎng)格內的特征長度和速度。

其計算公式如下：

μτ=0.9×ρ×υ×ι

μτ：湍動粘度;ρ：流體密度（kg/m3）;υ：Algebraic Model中的特征流速（m/s）;ι：Algebraic Model中的特征長度（m）。

四、結果與討論

（一）仿真流場速度分析

冷卻裝置空氣流場速度分布如圖3所示。

從仿真結果分析，在風機的出風口處風速最高，在兩風機出口之間的部分流速較低，影響中間兩排電抗器的散熱效果，并且由于風機出口與電抗器設計的距離較近，位于風機出風位置的流速降低比較劇烈，差值約為30 m/s。整個冷卻裝置中不同位置最高流速相差最大值約55m/s。

冷卻裝置用仿真模擬方法進行的流速試驗數(shù)據(jù)，位于散熱器進口處測量最高速度約為10m/s，位于風機進風口處測量最高速度約為26m/s，風機出風口處風速值最高，約為35m/s。在風機的旋轉軸和邊緣附近的空氣流速值較低。

（二）試驗結果

冷卻裝置流速試驗的數(shù)據(jù)如下：①空氣流量（散熱器進口）：5.3m3/s;②空氣壓力損失：≤920Pa;③散熱器進風口出最大流速：15 m/s;④風機進口處最大流速：20m/s。

（三）討論

流動場仿真與試驗結果有一定差距，由于仿真過程中對模型進行了一定的簡化，未考慮冷卻裝置與周圍環(huán)境的自然對流換熱，簡化后的物理模型對冷卻裝置的流動速度場計算結果有一定影響，在散熱器進口區(qū)域測量值會比實際流速偏低，在風機進口區(qū)域測量值會比實際流速偏高，但流場仿真對前期的設計結果提供有效的驗證，最高速度與試驗結果偏差25%，整體仿真數(shù)據(jù)與試驗較吻合。

通過流程仿真分析可以看出，在風機出風口區(qū)域，風機的旋轉軸和邊緣附近的空氣流較弱，在此區(qū)域的電抗器可能無法得到很好的冷卻，在后續(xù)冷卻裝置為提高散熱效果可根據(jù)實際情況改進結構設計。

五、結論

（1）通過仿真分析結果與試驗數(shù)據(jù)對比，說明仿真分析結果可信，驗證了仿真優(yōu)化設計的可行性。

（2）通過建立冷卻裝置流動模型，確立工程設計中高溫環(huán)境機車牽引變流器冷卻裝置的改進方向。