某列车牵引电机冷却系统主风道的流动特性研究

林鹏　仲崇成

摘要：文章基于CFD仿真，分析了在指定进风量下某列车牵引电机冷却系统主风道内的压力分布、沿程损失、局部涡流分布等空气流动特性，并与相关风道性能数据的试验测试数据进行了对比验证，提高了仿真模型的准确度，为后续主风道结构优化工作提供了支撑。

关键词：列车；牵引电机；冷却系统；主风道；CFD仿真；流动特性 文献标识码：A

中图分类号：U260 文章编号：1009-2374（2016）09-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.006

1 概述

近年来，很多发达国家的知名铁路制造企业，如法国阿尔斯通、日本东芝、德国西门子等，已经着手研发用于新一代动车组的永磁牵引电机。与常用的异步牵引电机相比，永磁牵引电机具有效率更高、成本更低、体积更小、重量更轻化等优点，更好地迎合了人类对地球环境保护及能源问题的要求。目前，我国也已着手开展永磁牵引电机的相关研发工作，并取得了一定阶段成果。不过，永磁动车组在运行时，牵引电机的散热量仍然较大，再加上车下设备舱空间有限且结构复杂，给风道合理布风带来了很大的困难和限制。对此，本文基于永磁牵引电机冷却系统主风道结构（简称主风道），研究了指定进风量下的主风道流动特性，为将来相似风道结构的设计提供依据。

2 CFD仿真模型的建立

CFD是近年来迅速发展的复合学科，它将近代流体力学、数值数学与计算机科学相结合，数值求解描述不同种类流体运动及传热传质规律的偏微分方程组，得到确定边界条件下的工质流动、输运、相变等数值解。本文正是基于CFD技术研究主风道的流动分布特性，所用计算软件是Star-CCM+?。

2.1 几何模型

主风道结构如图1所示，拥有1个进风口、2个出风口，两分支流道通常被设计师形象地称为“直腿”和“弯腿”。风道内布有7块导流板，以求使两出风口的流量尽可能相等，同时减小两分支的沿程压力损失和局部涡流。

图1 主风道结构示意图

2.2 网格划分

本文选用多面体网格划分主风道结构，可以在保证计算精度的同时，提高计算速度。为防止计算过程中出现回流，导致迭代不易收敛，还需对出口网格进行拉伸操作。最终生成多面体网格约87万，顶点数约270万。

2.3 计算参数设置

本文主要分析进风量为50m3/min时主风道的流动特性，按定常不可压缩流动进行模拟，主要计算参数设置如下：采用两方程k-ε模型描述湍流行为；采用壁面函数模拟近壁面流动特性；模型仅考虑质量和动量控制方程，无需联立能量控制方程，求解过程视为等温；采用二阶迎风格式离散对流项和扩散项，避免数值假扩散的误差；采用分离式SIMPLE求解器处理离散所得方程组。

3 主风道流动特性的分析及试验对比

当进风量为50m3/min时，主风道进风口的法相流速约为19.1m/s。以进风口中点为基准，沿流动方向将风道从中央剖开，其剖面速度分布如图2所示。可以看出：来流在进风口附近的扩口、风道中央的导流板以及两分支的出口处明显减速，而在弯腿的拐角处明显加速，速度最大值接近35m/s。此时，直腿与弯腿出口的流量比为1.014，沿程损失分别约为393Pa和410Pa。

图2 剖面处的速度分布云图

主风道内部的速度流线分布如图3所示。可以看出：风道内空气流动比较顺畅，仅在少数区域存在涡流，以进风口附近的扩口和弯腿出口处最为明显。不过受设备舱其他部件的外形限制，主风道外轮廓在实际设计时很难有大调整，其性能改进一般从内部导流板入手。

图3 主风道内部的速度流线分布图

为验证仿真计算的正确性，还进行了风道相关性能数据的试验测试，全部基于《工业通风机用标准化风道进行性能试验》（GB/T 1236-2000）完成，如图4（a）所示。对于进口流量测试而言，在风道进口侧按面积等分的方法选取测点，利用毕托管与电子微压差计测得进风口风速，取各测点的平均值作为风速值，然后根据速度面积法求得风量。对于出口流量测试而言，由于在出口侧风速分布极其不均匀，因此出口的风速将基于风量测试值计算得到，直接利用Model8373套帽式风量罩测试出风口风速，如图4（b）和图4（c）所示。对于压力测试而言，在风道进口测点布置与风速测试相同，利用毕托管与微压差计测量各测点的动压、静压和全压值。测试的环境温度为20℃。

分析试验结果后得出，直腿与弯腿的风量相差很小，在50m3/min运用工况下二者的分流比试验值为1.041，与仿真结果基本一致。但沿程压力损失试验值要高于仿真值，分别约为直腿455Pa和弯腿464.7Pa，原因可能在于仿真模型无法反映风道壁面的实际粗糙度。但总体上看，仿真得到的主风道流动特性与试验结果吻合度良好，说明了本文仿真建模思想的正确性。

（a）测试用主风道实际结构；（b）弯腿出口测试；

（c）直腿出口测试

图4 主风道试验设置

4 结语

本文使用CFD分析了指定进风量时主风道的空气流动特性，所得结论如下：在50m3/min的指定进风量下，主风道两分支出口流量比基本接近1，较好地满足了主要设计目标；弯腿沿程压力损失略大于直腿，但两者相差并不大，仅为数Pa左右。

参考文献

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作者简介：林鹏（1982-），男，山东烟台人，中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家工程研究中心高级工程师，工学博士，研究方向：力学。

（责任编辑：黄银芳）