某電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)一體化數(shù)值模擬研究*

李民* 劉波 曹志遠(yuǎn)/西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院

某電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)一體化數(shù)值模擬研究*

李民* 劉波 曹志遠(yuǎn)/西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院

0 引言

通風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工廠（電廠、鋼廠）、礦井、隧道、車輛、船舶等通風(fēng)和冷卻，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中起到至關(guān)重要的作用。通風(fēng)換熱系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行有很大影響，通風(fēng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)若不合理，將導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)耗功量大，增大電動(dòng)機(jī)負(fù)荷；或內(nèi)部局部超溫，甚至產(chǎn)生重大安全問(wèn)題[1-2]。

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為其冷卻通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)造成較大困難。CFD技術(shù)手段，因具有成本低、速度快、可模擬實(shí)驗(yàn)研究難以實(shí)現(xiàn)的工況等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力領(lǐng)域。文獻(xiàn)[3-6]將CFD技術(shù)應(yīng)用于汽輪發(fā)電機(jī)中，解決冷卻介質(zhì)的流場(chǎng)分布和溫度分布問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究大多僅限于對(duì)其風(fēng)機(jī)性能的研究[7-8]，針對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)一體化研究較為少見(jiàn)；由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)流路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通風(fēng)流路又是一個(gè)整體，電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)路對(duì)通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)影響較大，所以，單獨(dú)改善通風(fēng)機(jī)的性能不意味著整體效果的改善，因此，冷卻風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)流場(chǎng)一體化研究極為必要。

鑒于此，本文采用三維數(shù)值模擬方法，針對(duì)某電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，首先對(duì)其通風(fēng)機(jī)進(jìn)行多工況數(shù)值研究，得到了通風(fēng)機(jī)的流量-效率及流量-壓升特性；其次，對(duì)通風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一體化建模，分塊多區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)整個(gè)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行流場(chǎng)分析，并針對(duì)結(jié)果提出了改進(jìn)建議。研究結(jié)果已用于指導(dǎo)該型電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 研究對(duì)象

電動(dòng)機(jī)軸頭通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及說(shuō)明表

通風(fēng)機(jī)葉輪三維圖形見(jiàn)圖1。

圖1 通風(fēng)機(jī)三維視圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 三維建模

建模時(shí)，僅將物理模型中的通流區(qū)域提取出作為計(jì)算區(qū)域，固體結(jié)構(gòu)不予考慮。

2.1.1 通風(fēng)機(jī)部分通流區(qū)域建模

計(jì)算通風(fēng)機(jī)特性時(shí)，為充分考慮電動(dòng)機(jī)通風(fēng)流路對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)影響，并為數(shù)值模擬風(fēng)機(jī)特性作適當(dāng)合理簡(jiǎn)化，通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域取電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻流路進(jìn)口到電動(dòng)機(jī)定子鐵芯處，而不是常見(jiàn)文獻(xiàn)中取一個(gè)規(guī)則的回轉(zhuǎn)體。圖2、圖3分別給出了通風(fēng)機(jī)計(jì)算區(qū)域三維視圖和剖視圖。

圖2 通風(fēng)機(jī)計(jì)算區(qū)域三維視圖

圖3 通風(fēng)機(jī)計(jì)算區(qū)域剖視圖

2.1.2 電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)路建模

電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)路整體建模如圖4所示，流場(chǎng)計(jì)算域自冷卻風(fēng)路進(jìn)口到其出口。由于冷卻氣體排入大氣，而其出口并不像風(fēng)機(jī)出口那樣比較規(guī)則，因此，將出口做適當(dāng)延伸。

圖4 電動(dòng)機(jī)三維視圖

2.2 網(wǎng)格劃分

基于該計(jì)算模型的特點(diǎn)，即幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并有旋轉(zhuǎn)件，網(wǎng)格劃分時(shí)采用分塊和局部加密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，將通流區(qū)域分為兩部分——包圍通風(fēng)機(jī)隨通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)區(qū)域和在通風(fēng)機(jī)外圍不隨通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)區(qū)域。分塊用四面體/六面體/楔形體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，最終得到完全非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

2.2.1 通風(fēng)機(jī)計(jì)算區(qū)域

分塊將通風(fēng)機(jī)計(jì)算區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 計(jì)算網(wǎng)格圖

2.2.2 電動(dòng)機(jī)通風(fēng)流路

對(duì)通風(fēng)機(jī)所在流場(chǎng)區(qū)域、通風(fēng)機(jī)外部流場(chǎng)區(qū)域及電動(dòng)機(jī)通風(fēng)流路出口分塊采用四面體/六面體/楔形體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)定子鐵芯通風(fēng)流路采用Cooper方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)網(wǎng)格劃分圖

2.3 數(shù)值模擬方法

計(jì)算采用多重參考坐標(biāo)系（MRF），旋轉(zhuǎn)區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算采用運(yùn)動(dòng)參考系方程求解，靜止區(qū)域流場(chǎng)采用靜止參考系方程求解，在不同類型的流場(chǎng)區(qū)域中均得到定常解。

采用Simplec算法對(duì)通風(fēng)機(jī)內(nèi)定常流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，壓力方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。在迭代計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)管路出口單位面積平均總壓力的變化情況來(lái)判斷計(jì)算是否收斂，松弛系數(shù)需要根據(jù)收斂情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，由于其具有較好的穩(wěn)定性并且能夠處理復(fù)雜的流動(dòng)，因此應(yīng)用很廣泛。

計(jì)算通風(fēng)機(jī)特性時(shí)，保持通風(fēng)機(jī)進(jìn)口總溫、總壓和進(jìn)口氣流方向不變，調(diào)節(jié)不同背壓值，得到通風(fēng)機(jī)的流量-效率和流量-壓升特性曲線。

2.4 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬時(shí)，按照通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，工質(zhì)為理想氣體，給定進(jìn)口總壓（101 325Pa）、進(jìn)口總溫（20℃）和進(jìn)口氣流方向（軸向進(jìn)氣），出口給定靜壓。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)機(jī)特性分析

由圖7可知，隨進(jìn)口空氣流量的增加，效率先逐漸增加，在流量為0.21m3/s時(shí)，效率到達(dá)最高點(diǎn)17.53％，之后隨流量增加而減小；由圖8可知，在小流量下壓升較高，流量在0.21m3/s以下時(shí)，總壓升約為55～60Pa，隨流量的繼續(xù)增加，總壓升呈遞減趨勢(shì)，計(jì)算區(qū)間內(nèi)最高總壓升約59.17Pa。

由通風(fēng)機(jī)特性曲線圖看，總壓升和效率均較低。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，最大壓升約59.2Pa，最高效率約17.5％。效率較低的原因主要是，其外殼獨(dú)特、進(jìn)出氣條件差、葉片簡(jiǎn)化等，另后部電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)流路形狀復(fù)雜，數(shù)值模擬時(shí)為準(zhǔn)確研究冷卻系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)影響，通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)區(qū)域還包含了部分電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜流路。

圖7 流量-效率特性圖

圖8 流量-壓升特性圖

3.2 通風(fēng)機(jī)特征截面流場(chǎng)分析

通風(fēng)機(jī)最高效率點(diǎn)流場(chǎng)見(jiàn)圖9和圖10。由圖9和圖10可知，通風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣流較均勻，而近圓柱形結(jié)構(gòu)的輪轂，存在對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙作用，輪轂正前方的氣流速度較小，且圓柱周圍流場(chǎng)存在旋渦區(qū)域，這對(duì)通風(fēng)機(jī)性能提升起到一定阻礙作用；進(jìn)口四周氣流受到風(fēng)罩角區(qū)回流區(qū)的影響，速度較小，也對(duì)通風(fēng)流量提高不利；中部氣流較為平滑，氣流沿軸向流入通風(fēng)機(jī)，流場(chǎng)均勻。

靠近葉片區(qū)域流體受葉片帶動(dòng)，氣流速度較高，并沿葉根到葉尖速度逐漸增大；通風(fēng)機(jī)后部通風(fēng)流路位于通風(fēng)機(jī)外圓周，由于其影響，氣流經(jīng)通風(fēng)機(jī)后向四周斜向流出，在通風(fēng)機(jī)后部角區(qū)形成多處旋渦。氣流的大角度折轉(zhuǎn)和角區(qū)的旋渦都使得通風(fēng)機(jī)損失增大，而通風(fēng)機(jī)出口面積較小，對(duì)氣流順暢流出形成一定阻礙。

通風(fēng)機(jī)出口大部分均被電動(dòng)機(jī)阻擋，且葉輪和風(fēng)罩間距較大，靠近風(fēng)罩邊緣氣流速度較低，而葉尖區(qū)氣流速度較高，在葉輪的帶動(dòng)下，葉尖和風(fēng)罩間形成了旋渦區(qū)，進(jìn)一步降低了性能。

圖9 Z=0截面速度大小云圖

圖10 Z=0截面流線圖

3.3 電動(dòng)機(jī)整體通風(fēng)流路特征截面流場(chǎng)分析

圖11和圖12給出了電動(dòng)機(jī)整體通風(fēng)流路特征截面流場(chǎng)。由圖可知，電動(dòng)機(jī)整體通風(fēng)流路流場(chǎng)中，通風(fēng)機(jī)部分流場(chǎng)和單獨(dú)計(jì)算時(shí)類似，流場(chǎng)較紊亂，在風(fēng)罩角區(qū)出現(xiàn)明顯旋渦。與3.2節(jié)相比，旋渦區(qū)域更靠近通風(fēng)機(jī)進(jìn)口，并且由于電動(dòng)機(jī)通風(fēng)流路影響，其旋渦區(qū)域有擴(kuò)大趨勢(shì)。通風(fēng)機(jī)最高效率點(diǎn)工況，獨(dú)立考慮時(shí)旋渦僅出現(xiàn)于葉尖區(qū)域，而一體化數(shù)值模擬時(shí)，旋渦區(qū)域擴(kuò)大到占據(jù)葉尖20％葉展區(qū)域。電動(dòng)機(jī)端蓋部分流場(chǎng)較均勻，氣流速度約6～8m/s；定子鐵芯內(nèi)氣流速度均勻，約6m/s；定子鐵芯出口到端蓋部分氣體流入大氣，速度逐漸在減小。

通風(fēng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)通風(fēng)流路一體化數(shù)值模擬得到了豐富的通道流場(chǎng)信息，還能得到較為準(zhǔn)確的通風(fēng)機(jī)部分流場(chǎng)特征，為通風(fēng)機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的參考依據(jù)。

圖11 Z=0截面速度大小云圖

圖12 Z=0截面流線圖

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)某電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行特性數(shù)值模擬，并成功地對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)/通風(fēng)機(jī)進(jìn)行一體化數(shù)值模擬，還根據(jù)通風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行流場(chǎng)分析。結(jié)論如下：

1）未考慮電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)真實(shí)環(huán)境，三維建模時(shí)風(fēng)機(jī)處于電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，因通流部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊，通風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，效率較普通通風(fēng)機(jī)低；

2）通風(fēng)機(jī)主要損失區(qū)域位于通風(fēng)機(jī)輪轂前方、葉尖間隙及通風(fēng)機(jī)后部復(fù)雜的氣流通道內(nèi)。通風(fēng)機(jī)輪轂為近圓柱結(jié)構(gòu)，前方來(lái)流在圓柱周圍急劇轉(zhuǎn)彎，造成流動(dòng)損失；另外，該通風(fēng)機(jī)葉尖間隙較大，且風(fēng)罩為八角結(jié)構(gòu)而非圓形，在葉尖存在較大的漩渦區(qū)域；電動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻流路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)更進(jìn)一步增大了風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失；

3）文中成功地進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)/通風(fēng)機(jī)一體化數(shù)值模擬。結(jié)果表明，通風(fēng)機(jī)部分流場(chǎng)特性與單獨(dú)數(shù)值模擬結(jié)果類似，氣流損失位置不變。一體化數(shù)值模擬結(jié)果為電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征；

4）通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)優(yōu)化建議：通風(fēng)機(jī)葉型進(jìn)行三維氣動(dòng)優(yōu)化；減小通風(fēng)機(jī)葉尖間隙，將八角形風(fēng)罩改為圓柱形，減少八角形角區(qū)氣動(dòng)損失。

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對(duì)某艦艇電動(dòng)機(jī)軸頭通風(fēng)機(jī)及其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一體化建模，采用三維數(shù)值模擬方法，成功地對(duì)通風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)冷系統(tǒng)整體進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：通風(fēng)機(jī)處于電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，通風(fēng)流路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定子形狀特殊，效率較普通通風(fēng)機(jī)低；通風(fēng)機(jī)其主要損失區(qū)域位于輪轂前方、葉尖間隙處、及通風(fēng)機(jī)后部復(fù)雜的氣流通道內(nèi)。電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻系統(tǒng)/通風(fēng)機(jī)一體化數(shù)值模擬為電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

電動(dòng)機(jī)；通風(fēng)機(jī)；通風(fēng)冷卻系統(tǒng)；一體化；數(shù)值模擬

Numerical Simulation Research on Motor Ventilation Cooling System Integration

Li Min,Liu Bo,Cao Zhiyuan/School of Power＆amp;Energy,Northwestern Polytechnical University

motor;ventilator;ventilation cooling system;integration;numerical simulation

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）01-0018-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.042

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（51236006）

*本文其他作者：李民/中國(guó)人民解放軍92830部隊(duì)

2014-03-05陜西西安710072

Abstract:Using the three-dimensional numerical simulation method,the integrated modeling of the ventilator and ventilation cooling system on a vessel motor was carried out.The whole flow fields of the ventilator and the cooling ventilation system inside of the motor was successfully simulated,and the flow fields of both the ventilator and the cooling ventilation system were analyzed detailedly.It indicates that,as the structure of the cooling system is complicated，and the shape of the stator is special,the ventilator efficiency is lower than those of common ventilator.The main loss region was located in the front wheel hub of the ventilator,the tip clearance,and the complicated flow channel in the back of the ventilator.The integrative numerical simulation of the motor internal ventilation cooling system/ventilator offered some guides for the future optimization design of the motor ventilation cooling system.