动车组牵引电机冷却风道流场数值计算

宋刚,尤明,王东屏,高壮

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 铁路客车开发部，吉林 长春 130062; 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)



动车组牵引电机冷却风道流场数值计算

宋刚1,尤明2,王东屏2,高壮2

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 铁路客车开发部，吉林 长春 130062; 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

基于不可压缩流体控制方程和标准的 k-ε湍流模型，建立动车组牵引电机冷却风道的三维流场计算模型，在两种计算工况下对其内部流场进行数值计算，得出风道(包含硬风道和软风道)损耗及软风道出风口处的风压和风量，对风道的设计方案进行评估.计算表明：两种工况下，风道总压降为266.1～356.7 Pa，风道出口的压力能达到2 880～3 150 Pa，风道两出风口的相对误差为2.53%～5.30%，风道的设计方案均满足设计要求.

风道；CFD；方案评估

0 引言

动车组高速、重载，要求发动机功率大，对牵引电机散热要求高.牵引电机散热情形的好坏将决定动车组能否安全运行.因此对动车组动车牵引电机的冷却风机及风道布风有着严格的标准.由于动车组车下空间复杂且有限，给风道均匀布风带来很大的困难及限制，所以选择性能良好并用合理的通风系统非常必要[1].

利用试验的方法来确定风道系统送风口的尺寸、位置往往耗费很大，且难于找到影响风量分配的主要因素.运用计算流体力学(CFD)在工程中的应用，使得研究者可以利用计算机仿真技术，结合数学模型，代替真实系统进行研究，探明问题、缩短研制周期,减少反复试验造成的浪费.文献[2]利用ANSYS中的PFLOTRAN模块对机车牵引电机冷却风道内流场进行三维计算分析,获得了管道进出口压差和流量,为新型机车冷却管道的设计提供了依据.文献[3]利用Fluent 软件对内燃机车牵引电动机风道内流场进行三维计算分析，获得了风道进出口压差和流量的平衡，对风道进出口的尺寸和形状进行了优化.上述文献在机车风道设计中，用CFD的方法对风道流场进行了数值分析，并且在优化风道结构等方面进行了一些研究，但还未涉及对动车组牵引电机风道设计做数值分析.

1 算法原理

研究动车组动车风道内流场的空气动力特性，其实质是流体流动问题.而流体运动是最复杂的物理行为之一，与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟要困难得多.动车风道内流场的空气流动是三维、定常、不可压缩流动.根据流场特点，描述空气流动的控制方程包括连续性方程、Reynolds 时均Navier-Stokes 方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS)以及湍流模型方程[4].计算湍流运动时，还需要附加湍流方程，本次计算采用了适用范围广，且工程计算中常用的标准k-ε湍流模型[5].

在数值计算中，采用有限体积法中常用的SIMPLE算法对离散方程进行求解，离散方程时，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式.

2 风道的数值计算

图1(a)为风道内流场的三维计算模型.风道有1个进风口和2个出风口，空气由通风机吹入进风口.风道出口通向电机，共分两个子通道.风道的网格模型如图1(b)所示.风道出口由两端软风道组成.为了适应风道的模型结构，采用四面体非结构性网格划分，风道的网格单元数为750万，整体网格质量良好.

(a)计算模型

(b)网格模型

2.1 工况1的计算结果分析

首先试算在计算工况流量下风道的压降情况，压降为332.8 Pa.然后对比进口风压得到出口的风压值，以此设定为边界条件如表1所示.

表1 工况1边界条件

风道进出口体积流量相对误差为0.001 4%，小于0.5%，计算迭代582步收敛，采用二阶迎风格式，计算残差标准是10-3.

风道的整体压力云图如图2所示，由图中可以看出，进风口处平均压力为3 256 Pa，出风口1处压力为2 799.6 Pa，出风口2处压力为2 799.3 Pa.

图2 风道的压力分布云图(工况1)

图3是风道进、出口及风道中两个截面的压力分布.在软风道1进口的平均压力为2 824.8 Pa，出口的压力为2 799.6 Pa，所以软风道1压差为25.2 Pa.软风道2进口的平均压力为2 907.0 Pa，出口的压力为2 799.3 Pa，软风道2的压差为107.7 Pa.

图3 风道进、出口及风道中两个截面压力分布云图

软风道的速度矢量分布如图4所示.从图中可以看出，软风道入口部位空气速度较大，由于软风道的结构特殊，因此在软风道的壁上褶皱区域存在部分涡流现象，由此产生一定的压力损失.整个风道的进风口和出风口(1、2)的流量统计分别为：1.484、0.732 、0.751 m3/s，出风口2与出风口1流量相对误差为2.60%.风道中各部分风压统计如下：进口压力为3 156.1 Pa，风道入口到软风道入口1压差为331.2 Pa，软风道1压差为25.2 Pa，

总的来说，该算法占用资源少、处理速度快，尤其适用于在图像目标的检测场合中实现硬件加速，因此该算法不仅适用于在线纸病检测系统，同时也适用于其他实时性较强的应用中，可以针对不同的应用场合灵活控制分块的数量，完成对图像目标的检测和提取，以提高系统的实时性。

(a)软风道1

(b)软风道2

风道入口到软风道入口2压差为249.0 Pa，软风道2压差为107.7 Pa，风道总压降为356.7 Pa.

2.2 工况2的计算分析

由于工况2的风量小，风道的压力损失比工况1小，为237.5 Pa.边界条件的设定如表2所示.

表2 工况2的边界条件

风道进出口体积流量相对误差为0.000 13%，小于0.5%，计算迭代515步收敛，采用二阶迎风格式，计算残差标准是10-3.

风道的整体压力云图如图5所示，从图中可以看出，进风口处平均压力为3 415.6 Pa，出风口1处压力为3 149.7 Pa，出风口2处压力为3 149.5 Pa，风道的压力损失为266.1 Pa.

图5 风道的整体压力云图(工况2)

风道进风口的平均压力为3 415.6 Pa.在软风道1进口的平均压力为3 183.1 Pa，软风道1出口的压力为3 149.7 Pa，软风道压差为33.4 Pa.软风道2进口的平均压力为3 223.2 Pa，软风道2出口的压力为3 149.5 Pa，软风道压差为73.7 Pa.整个风道的进风口和出风口(1、2)的流量统计分别为：1.25、0.608、0.642 m3/s，出风口2与出风口1流相对误差为5.59%.工况2中风道风压统计如下：进口压力为3 415.6 Pa，风道入口到软风道入口1压差为232.5 Pa，软风道1压差为33.4 Pa，风道入口到软风道入口2压差为129.4 Pa，软风道2压差为73.7 Pa，风道总压降为266.1 Pa.要求出口压力不能低于2 000 Pa，所以设计方案满足设计要求.

3 结论

通过对动车组牵引电机冷却风道三维内部流场两种计算工况的数值计算,得到风道内压力场和速度场的详细信息,分析结果得出如下结论:

(1)在风道入口压力3 250 Pa、流量1.484 m3/s的工况下，风道进口平均静压是3 156.1 Pa，风道压力最大损失356.7 Pa， 风道出风口1的出风量为0.732 m3/s，风道出风口2的出风量为0.751 m3/s，风量相对误差是2.60%；

(2)在风道入口压力3 500 Pa、流量1.25 m3/s的工况下，风道进口平均静压是3 415.6 Pa，工况2的风道压力最大损失266.1 Pa，风道出风口1的出风量为0.608 m3/s，风道出风口2的出风量为0.642 m3/s，风量相对误差是5.59%；

(3)计算结果表明：风道的设计方案满足风压及风量均匀性的要求.

[1]王巍，刘艳艳，介红恩，等．机车牵引电机通风机风道内部流动数值分析与结构改进[J].内燃机学报，2009(3) ：20-22．

[2]王惠玉，芮 斌，焦立新．机车牵引电机冷却风道空气流场的分析[J].内燃机车，2003(5) ：7-11．

[3]张亚军，杜礼明．机车通风风道流体性能计算分析和优化[J].内燃机车，2013(3)：18-20．

[4]田红旗．列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007．

[5]王福军．计算流体动力学分析[M] ．北京：清华大学出版社，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

宋刚(1984-)，男，工程师，硕士，主要从事动车组牵引系统及牵引冷却系统方面研究 E-mail:songgang@cccar.com.cn.

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