1、18收稿日期:2010-07-16;收修改稿日期:2010-11-30機車電傳動ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 2, 2011Mar. 10, 20112011年第2期 2011年3月10日H X D 1C 電力機車輔助變流器風道數值模擬及試驗研究張曉,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備散熱、計算流體力學和機車輔助變流器的研發工作。摘要:對HX D 1C 電力機車輔助變流器用理論計算確定散熱器尺寸,通過經驗公式計算散熱系統所需風量,用CFD 軟件FLUENT 對風道散

2、熱系統進行了三維數值模擬分析,求解散熱系統的溫度場分布。通過與試驗結果進行對比研究,表明計算結果滿足工程運用所需的精度要求,可應用于類似系統的熱分析中。關鍵詞:強迫風冷;散熱設計;風量;數值模擬;輔助變流器;HX D 1C 電力機車中圖分類號:U264.3+.7;TP391.9 文獻標識碼: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,風量風機的選擇及風道的設計直接關系到機車能否正常運行。過去通常利用試驗和理論計算的方法來確定風量、風道系統送風口的尺寸對

6、換熱性能的影響,耗時耗費人力物力,也無法詳盡描述內部流場和溫度分布狀況,計算不夠準確。隨著計算機技術的迅猛發展,CFD 在很多行業得到廣泛的應用。本文對輔助變流器的風道模型進行適當簡化,基于CFD 軟件FLUENT 模擬計算,求解其散熱系統的溫度場、流場分布,通過與試驗結果進行對比研究,表明滿足工程運用所需的精度要求,可應用于類似系統的熱分析中。1物理模型及給定幾何參數1.1散熱器設計圖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19 在圖中時,較為有利1, 即式中:Gr 為格拉曉夫數;Pr 為普朗特數

7、;H 為肋片高度;為空氣的密度;C p 為空氣的質量定壓熱容,J/(kg ;t 為冷卻空氣的出口與進口溫差,;Q 為總損耗功率,W 。代入數據得所需通風風量為1.06m 3/s 。這種風量計算方法比較保守,因為忽略了機柜四周對大氣的輻射和自然對流所散去的熱量,所得風量偏大。在精確計算時,應把兩項散去的熱量從總熱量中減去再求所需的風量。通常在強迫風冷時,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 ,風道進口面積為A inlet =0.22m 2,對應入口風速為V 2=3.636m/s 、V 3=

8、4.091 m/s 和V 3=4.545 m/s ,分別進行計算,入口溫度取300K 。其他:壁面邊界條件。計算中,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算中,以k-e 雙方程模型應用最廣,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 電力機車輔助變流器風道數值模擬及試驗研究第

9、2期20對流換熱問題時,控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程及k-e 方程,具體方程見文獻3。k-e 方程是針對湍流為充分發展的湍流建立的。本模型為肋片近壁面的流動,Re 數較低,小于104,湍流發展并不完全充分, k-e 模型不能在這個區域內使用。必須采用壁面函數法或低Re 數k-e 模型和k-e 模型配合,解決近壁區的流動計算問題,本文模型采用標準壁面函數法。4計算結果與試驗結果4.1計算模型假設在建模過程中,本文做了相應的簡化與假設,與模型計算密切相關的有以下幾項:熱源所產生的能量損失均勻傳熱到基板并通過翅片導熱到風道內,翅片在風道內為純流體的加熱與熱流換熱;流場內空氣密度不隨溫度

10、差異而變化,不考慮浮力驅動流影響和湍流中心區,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,風道內氣體滿足牛頓內摩擦定律,為牛頓流體,流體為穩態定常流,氣體在風道內壁面上滿足無滑移邊界條件。4.2計算結果分析風道內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。列車在行進的過程中,由于速度變化引起機柜負壓的變化,進入機柜的流量也發生相應變化,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方面對風道和基板的溫度的影響進行分析。圖3和圖4分別為空氣流量0.8m 3/s 、

11、環境溫度為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,滿足設計的要求。5試驗測試方法試驗設置了7個測溫點,逆變模塊2個,整流模塊3個,濾波器和電抗器各1個。Hydra 系列數據采集器共有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。本試驗采用Hydra 系列數據采集器。試驗時,將熱電偶粘貼到上述7個測試點上,并接入Hydra 采數,應用Hydra Logger 軟件對儀器進行設置,完成數據記錄的操作,實現顯示數據或曲線的繪制。表2為流量在0.8m 3/s 時,被

12、測點計算結果與試驗溫升結果的比較。由圖3、圖4及表1和表2可見,計算結果與試驗結果吻合較好,相對誤差都在10%以內。上述結果也表明,用CFD 軟件FLUENT 對風道進行數值模擬研究其在室溫、強迫對流條件下的溫度分布是可行的,具有指導意義。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溫升計算結果與試驗結果的對比表1計算結果入口速度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進出口壓差/Pa 540.09679.28831.24K被測點標號標號1標號2標號3

13、標號4標號5標號6標號7計算點36.2835.3329.6530.5227.3422.6348.51被測點35.1332.3626.8527.6526.3219.1044.70機車電傳動2011 年6結論本文用3種方法理論計算、數值模擬和試驗研究,通過公式確定散熱器尺寸的最佳肋間距尺寸,通過經驗公式確定HX D1C交流傳動電力機車輔助變流器所需風量;使用CFD軟件FLUENT對輔助變流器風道進行了三維數值模擬,計算風道內部流場和溫度梯度分布,計算結果與試驗結果吻合較好,相對誤差都在10%以內,驗證了用數值模擬在前期對散熱系統進行預測的可行性。計算流體力學(CFD在機車散熱系統中的應用,使得研究

14、者可以利用計算機仿真技術,結合數學模型,代替真實系統進行研究,可以明確研究方向,縮短研制周期,減少反復試驗造成的浪費。參考文獻:1趙惇殳.電子設備熱設計M.北京:電子工業出版社,2009.2王福軍.計算流體動力學分析:C FD軟件原理與應用M.北京:清華大學出版社,2004.3陶文銓.數值傳熱學M.西安:西安交通大學出版社,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、力機車輔助變流器風道數值模擬及試驗研究第2期ARCNET在列車通信網絡中應用的研究具有參考意義。參考文獻: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列車通信網絡的建模與仿真J.鐵路計算機應用,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J.工業控制計算機,2007,20(10:11-12.