1、18收稿日期:2010-07-16;收修改稿日期:2010-11-30機(jī)車電傳動ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 2, 2011Mar. 10, 20112011年第2期 2011年3月10日H X D 1C 電力機(jī)車輔助變流器風(fēng)道數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究張曉,周文勇,劉長清(株洲南車時代電氣股份有限公司技術(shù)中心,湖南株洲412001作者簡介:張曉(1981-,男,碩士,主要從事電力電子設(shè)備散熱、計(jì)算流體力學(xué)和機(jī)車輔助變流器的研發(fā)工作。摘要:對HX D 1C 電力機(jī)車輔助變流器用理論計(jì)算確定散熱器尺寸,通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算散熱系統(tǒng)所需風(fēng)量,用CFD 軟件FLUENT 對風(fēng)道散

2、熱系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析,求解散熱系統(tǒng)的溫度場分布。通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究,表明計(jì)算結(jié)果滿足工程運(yùn)用所需的精度要求,可應(yīng)用于類似系統(tǒng)的熱分析中。關(guān)鍵詞:強(qiáng)迫風(fēng)冷;散熱設(shè)計(jì);風(fēng)量;數(shù)值模擬;輔助變流器;HX D 1C 電力機(jī)車中圖分類號:U264.3+.7;TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-128X(201102-0018-04Numerical Simulation and Experimental Study on Auxiliary ConverterCooling System of HX D 1C Electric LocomotivesZHANG Xiao,

3、 ZHOU Wen-yong, LIU Chang-qing(Technology Center, Zhuzhou CSR Times Electric Co., Ltd, Zhuzhou, Hunan 412001, ChinaAbstract:This paper determined the size of the heat sink of auxiliary converter of HX D 1C locomotive. The required cooling air volume was calculated through experience formula. Three-d

4、imensional calculation model for duct cooling systems numerical simulation had been set up by using CFD software FLUENT, which was used to solve the temperature distribution in the cooling system. Test results compared with the study results show that the required accuracy meets the requirements of

5、engineering application and the heat analysis can be applied to similar systems.Key words:forced air cooling; thermal design; wind volume; numerical simulation; auxiliary converter; HX D 1C electric locomotive研究開發(fā)0引言隨著輔助變流器容量的增大,對散熱的要求隨之增高,風(fēng)量風(fēng)機(jī)的選擇及風(fēng)道的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到機(jī)車能否正常運(yùn)行。過去通常利用試驗(yàn)和理論計(jì)算的方法來確定風(fēng)量、風(fēng)道系統(tǒng)送風(fēng)口的尺寸對

6、換熱性能的影響,耗時耗費(fèi)人力物力,也無法詳盡描述內(nèi)部流場和溫度分布狀況,計(jì)算不夠準(zhǔn)確。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,CFD 在很多行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文對輔助變流器的風(fēng)道模型進(jìn)行適當(dāng)簡化,基于CFD 軟件FLUENT 模擬計(jì)算,求解其散熱系統(tǒng)的溫度場、流場分布,通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究,表明滿足工程運(yùn)用所需的精度要求,可應(yīng)用于類似系統(tǒng)的熱分析中。1物理模型及給定幾何參數(shù)1.1散熱器設(shè)計(jì)圖1(a 為散熱器外形,基板上安裝肋片并布置有IGBT 。圖1(b 為逆變模塊散熱器基板IGBT 布置方式,散熱器材料為鋁合金。 肋化系數(shù)19 在圖中時,較為有利1, 即式中:Gr 為格拉曉夫數(shù);Pr 為普朗特?cái)?shù)

7、;H 為肋片高度;為空氣的密度;C p 為空氣的質(zhì)量定壓熱容,J/(kg ;t 為冷卻空氣的出口與進(jìn)口溫差,;Q 為總損耗功率,W 。代入數(shù)據(jù)得所需通風(fēng)風(fēng)量為1.06m 3/s 。這種風(fēng)量計(jì)算方法比較保守,因?yàn)楹雎粤藱C(jī)柜四周對大氣的輻射和自然對流所散去的熱量,所得風(fēng)量偏大。在精確計(jì)算時,應(yīng)把兩項(xiàng)散去的熱量從總熱量中減去再求所需的風(fēng)量。通常在強(qiáng)迫風(fēng)冷時,輻射與自然對流散熱量約占總散熱量的10%左右1。如風(fēng)量分別取q 1=0.8 m 3/s 、q 2=0.9m 3/s 和q 3=1.0 m 3/s ,風(fēng)道進(jìn)口面積為A inlet =0.22m 2,對應(yīng)入口風(fēng)速為V 2=3.636m/s 、V 3=

8、4.091 m/s 和V 3=4.545 m/s ,分別進(jìn)行計(jì)算,入口溫度取300K 。其他:壁面邊界條件。計(jì)算中,分別控制動量方程、k 方程、e 方程的迭代余量小于1.0-e -3,能量方程的迭代余量小于1.0-e -6。3湍流模型目前對湍流的計(jì)算方法主要分為三大類,完全模擬、大渦旋模擬與雷諾時均方程方法。工程上的湍流計(jì)算一般采用第3種方法,即雷諾時均方程法。在目前湍流的工程計(jì)算中,以k-e 雙方程模型應(yīng)用最廣,本文即采用這種模型求解。采用k -e 雙方程模型求解湍流圖1 散熱器形狀圖2 機(jī)柜模型及模塊布置方式張曉,周文勇,劉長清:H X D 1C 電力機(jī)車輔助變流器風(fēng)道數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究第

9、2期20對流換熱問題時,控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及k-e 方程,具體方程見文獻(xiàn)3。k-e 方程是針對湍流為充分發(fā)展的湍流建立的。本模型為肋片近壁面的流動,Re 數(shù)較低,小于104,湍流發(fā)展并不完全充分, k-e 模型不能在這個區(qū)域內(nèi)使用。必須采用壁面函數(shù)法或低Re 數(shù)k-e 模型和k-e 模型配合,解決近壁區(qū)的流動計(jì)算問題,本文模型采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。4計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果4.1計(jì)算模型假設(shè)在建模過程中,本文做了相應(yīng)的簡化與假設(shè),與模型計(jì)算密切相關(guān)的有以下幾項(xiàng):熱源所產(chǎn)生的能量損失均勻傳熱到基板并通過翅片導(dǎo)熱到風(fēng)道內(nèi),翅片在風(fēng)道內(nèi)為純流體的加熱與熱流換熱;流場內(nèi)空氣密度不隨溫度

10、差異而變化,不考慮浮力驅(qū)動流影響和湍流中心區(qū),忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散;流體不可壓縮,風(fēng)道內(nèi)氣體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律,為牛頓流體,流體為穩(wěn)態(tài)定常流,氣體在風(fēng)道內(nèi)壁面上滿足無滑移邊界條件。4.2計(jì)算結(jié)果分析風(fēng)道內(nèi)部的空氣流速對溫度的影響是空氣流速大。流量越大,冷卻效果好,熱量散失越快,流速低則效果相反。列車在行進(jìn)的過程中,由于速度變化引起機(jī)柜負(fù)壓的變化,進(jìn)入機(jī)柜的流量也發(fā)生相應(yīng)變化,表1是流量分別為0.8m 3/s 、0.9m 3/s 、1.0m 3/s 情況下的模塊基板上的溫度。從溫度場、速度場2方面對風(fēng)道和基板的溫度的影響進(jìn)行分析。圖3和圖4分別為空氣流量0.8m 3/s 、

11、環(huán)境溫度為27時逆變器和整流器基板的溫度梯度分布情況。資料表明,保證工作穩(wěn)定性和延長使用壽命芯片的最高溫度不得超過854,由表1可得模塊最高溫度小于85,滿足設(shè)計(jì)的要求。5試驗(yàn)測試方法試驗(yàn)設(shè)置了7個測溫點(diǎn),逆變模塊2個,整流模塊3個,濾波器和電抗器各1個。Hydra 系列數(shù)據(jù)采集器共有21路模擬輸入通道,可直接測量電壓(交直流至300V 、電流、溫度(9種熱電偶。本試驗(yàn)采用Hydra 系列數(shù)據(jù)采集器。試驗(yàn)時,將熱電偶粘貼到上述7個測試點(diǎn)上,并接入Hydra 采數(shù),應(yīng)用Hydra Logger 軟件對儀器進(jìn)行設(shè)置,完成數(shù)據(jù)記錄的操作,實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)或曲線的繪制。表2為流量在0.8m 3/s 時,被

12、測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)溫升結(jié)果的比較。由圖3、圖4及表1和表2可見,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,相對誤差都在10%以內(nèi)。上述結(jié)果也表明,用CFD 軟件FLUENT 對風(fēng)道進(jìn)行數(shù)值模擬研究其在室溫、強(qiáng)迫對流條件下的溫度分布是可行的,具有指導(dǎo)意義。圖3逆變器基板溫度梯度分布圖4整流器基板溫度梯度分布表2溫升計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比表1計(jì)算結(jié)果入口速度V /m s -13.6364.0914.545流量Q /m 3s -10.80.91.0整流最高溫度/71.6469.9568.47逆變最高溫度/61.0859.4358進(jìn)出口壓差/Pa 540.09679.28831.24K被測點(diǎn)標(biāo)號標(biāo)號1標(biāo)號2標(biāo)號3

13、標(biāo)號4標(biāo)號5標(biāo)號6標(biāo)號7計(jì)算點(diǎn)36.2835.3329.6530.5227.3422.6348.51被測點(diǎn)35.1332.3626.8527.6526.3219.1044.70機(jī)車電傳動2011 年6結(jié)論本文用3種方法理論計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,通過公式確定散熱器尺寸的最佳肋間距尺寸,通過經(jīng)驗(yàn)公式確定HX D1C交流傳動電力機(jī)車輔助變流器所需風(fēng)量;使用CFD軟件FLUENT對輔助變流器風(fēng)道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,計(jì)算風(fēng)道內(nèi)部流場和溫度梯度分布,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,相對誤差都在10%以內(nèi),驗(yàn)證了用數(shù)值模擬在前期對散熱系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測的可行性。計(jì)算流體力學(xué)(CFD在機(jī)車散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用,使得研究

14、者可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),結(jié)合數(shù)學(xué)模型,代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行研究,可以明確研究方向,縮短研制周期,減少反復(fù)試驗(yàn)造成的浪費(fèi)。參考文獻(xiàn):1趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,2009.2王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析:C FD軟件原理與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2004.3陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)M.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.4Chein,Reiyu. Thermoelectric cooler application in electroniccoolingJ.Applied thermal engineering, 2004,24(14-15.張曉,周文勇,劉長清:H X D1C電

15、力機(jī)車輔助變流器風(fēng)道數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究第2期ARCNET在列車通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的研究具有參考意義。參考文獻(xiàn):1ATA878.1-1999, Local Area Network:Token BusS. 1999.2IEC.IEC61375-1-1999,part1:Train Communication NetworkS.3況長虹,李家武,王玉松,王利鋒,宋紅霞.基于OPNE T的A R C N E T列車通信網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真J.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,17(5:49-51.4Aziz M, Raouf B, Riad N. The Use of Ethernet for SingleOn-board Train NetworkC.5王利鋒,何鴻云,王玉松,宋紅霞.基于ARCnet的高速列車分級控制系統(tǒng)J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007,20(10:11-12.