中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 063035
摘要：本文以某动车组牵引电机风道为研究对象，采用Star-ccm+流体计算软件对冷却风道进行了三维湍流流场数值计算。文中对多种牵引电机冷却风道结构进行了仿真计算和对比分析，确定采用采用不开通车体型腔方案，对此方案模型的内部隔板进行优化，得到满足设计要求的结构，并对此方案进行倒角优化，消除风道中的涡流区域。
关键词：牵引电机风道 数值计算 车体型腔 优化
1引言
动车组的运行速度较高、承载能力较大，对机车牵引电机等部件的散热效果要求高，机组散热效果的好坏将决定机车能否安全运行。由于转向架区域空间复杂且有限，牵引电机冷却风道的结构一般都比较复杂。风道系统阻力较大，致使风道送风口风量的分布不易平衡，影响系统内风量的分配和电机效率。所以，选择结构合理、流动性能良好的通风系统非常必要[1,2]。
本文的城际动车组牵引电机通风冷却风道位于车体底部转向架区域，对开通/不开通车体型腔的两种方案的风道内流场进行了数值仿真，结果表明原风机风道的结构设计不合理。经过反复优化，提出了多种优化方案，经过对优化方案进行对比分析和深入优化，确定了通风性能优良、风阻小、各风道出口的风量和风压值均满足使用要求的风道结构和合理的风道间隔板相对位置[3]。
2计算模型
本文根据设计需求设计了两种牵引电机风道模型方案，方案2在风道顶部开孔与车体底架相通，其余结构与方案1相同。
3计算条件
牵引电机风道的入口数据如下：进口静压3500Pa，冷却风量1.083 m3/s。计算中，设定风道进口边界为速度进口，出口设为压力出口，对两个方案分别进行数值分析，得到各出口的流量；然后，设定上次计算得到的出口流量，计算得到各出口压力；采用此方法循环计算，直至计算结果稳定[4]。分析比较两个出风口的出口压力是否不小于700Pa，流量不小于0.4m3/s。
4计算结果
计算优化改进设计原则，一是压力分布情况，在保证出口压力满足需求的情况下，避免在部分死角或者拐角等位置出现压力极大值，对材质的强度造成较大的影响；二是速度分布，从流线分布情况，分析在内部是否产生较多涡流，同样可以对结构的修改提供理论依据[5,6]。
4.1是否开通底架风道的计算结果
通过计算，得到方案1长、短管道流量分别为0.35m3/s和0.725m3/s，方案2长、短管道流量分别为0.225m3/s和0.83m3/s，均不符合要求。方案2开通底架风道反倒使长管道的流量减少，因此重点对方案1进行优化计算分析。
4.2隔板优化的计算结果
对方案1模型内部隔板进行调整，在原模型基础上分别延长0.2m、0.23m、0.25m和0.3m，4个模型的进口流量均为1.083m3/s，进口静压为3500Pa。
由计算结果可知，延长隔板可调整风道长管、短管的流量，且随着隔板长度的增加，长管流量增大，短管流量减少，呈线性关系，且两个出口均满足流量≥0.4m3/s，压力≥700Pa。根据设计要求，隔板延长0.23m的模型计算结果最优，长、短管道流量分别为0.54m3/s和0.53m3/s，出口流量基本相同；长、短管道出口静压分别为3165Pa和2962Pa，符合要求。
通过分析隔板优化后冷却风道表面压力分布及风道内流线分布可知，短管出口存在低压区，即此区域流速较高，整个短管出口流动分配不均。且短管、长管出口附近均有漩涡产生，短管出口对角区域漩涡较大，长管出口对角区域流动比较稀疏。为了减小流动阻力，对短管对角区域进行倒角设计；为减小风道重量，对长管区域也进行倒角设计。
4.3倒角优化的计算结果
对隔板延长0.23m的风道模型进行了多种方案的倒角设计，经过计算，下面的模型得到的计算结果较好，长、短管道流量分别为0.55m3/s和0.52m3/s，出口流量基本相同，且均符合要求；长、短管道出口静压分别为3176Pa和2943Pa，符合要求。
冷却风道内部流线分布见图1，风道两个出口处基本无漩涡存在，且短管出口流速分布较均匀，整体流动较好。风道整体压力分布均匀，长管压力比短管压力略高，各管路压力分布均匀。但短管出口仍存在压力较低区域，区域较小。
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图1 优化后风道内部流线图
5结论
本报告针对牵引电机冷却风道模型的多种方案进行优化计算，通过结构改进，确定了最终优化方案。
（1）首先对牵引电机冷却风道是否开通底架风道的两个模型分别进行仿真计算。由计算结果可知，不开通底架风道效果更好，因此重点对不开通底架风道进行优化计算分析。
（2）对不开通底架风道模型内部隔板进行调整，计算得到，隔板延长0.23m的模型计算结果最优，长、短管的流量基本相等，但短管、长管出口附近均有漩涡产生。
（3）为了减小流动阻力和风道重量，对短管对角区域和长管区域进行了倒角设计。计算结果表明，新模型各管路压力分布均匀，出口流量基本相同，满足设计要求。
参考文献
[1]王巍,刘艳艳,介洪恩.机车牵引电机通风机风道内部流动数值分析与结构改进.内燃机车. 2009(03).
[2]王彦海.空气净化器风道的计算机仿真.舰船防化，2009，(3)
[3]罗猛，孙丽萍，王玉艳，黄孝亮.机车牵引电机冷却风道数值计算及优化.内燃机车. 2013,(4):34～36.
[4]王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社,2004
[5]朱娟娟，陈江平，陈芝久.汽车空调双后风道结构数值优化分析.制冷技术，2004，(3)：08- 10
[6]B.S.AbdulNour.Numerical Simulation of Vehicle Defroster FlowField, Automotive Climate Control ［G］.SAE Publication SP- 1347，SAEPaper No.980285