動車組真空斷路器隔聲罩自然對流研究

張 俊 蔣忠城 王 永 呂繼方

(南車株洲電力機車有限公司技術(shù)中心，412001，株洲∥第一作者，工程師)

動車組的真空斷路器在氣壓作用下可實現(xiàn)斷開和閉合的動作，以實現(xiàn)牽引電流的斷開和連通，由于瞬間的較大沖擊能量引起高分貝噪聲，影響了動車組的乘坐舒適性。為了降低噪聲的影響，用一個隔音罩將真空斷路器發(fā)聲部位包裹起來，以達到隔聲降噪的目的。被密閉隔聲罩包裹的部位有一個發(fā)熱電阻。發(fā)熱電阻的工作溫度范圍為－40 ℃ ～80℃，由于隔音罩的隔聲吸聲材料的熱導(dǎo)率都非常低，具有保溫隔熱的性能，因此，為了保障真空斷路器的正常工作，對密閉隔聲罩內(nèi)部溫度進行計算分析就顯得非常重要［1］。

1 真空斷路器隔聲罩結(jié)構(gòu)

真空斷路器隔聲罩安裝在動車車頂和客室頂板之間，如圖1所示。動車的車頂和客室頂板為鋁合金材料，隔聲罩外殼為不銹鋼材料。隔音罩內(nèi)部有一層0.8 mm 厚的隔聲層和一層20 mm 厚的吸聲層，如圖2所示。真空斷路器噪聲源的主體結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼，發(fā)熱電阻材料等效為銅。

圖1 真空斷路器隔聲罩安裝位置側(cè)面示意圖

圖2 隔聲罩內(nèi)部平面示意圖

2 隔聲罩自然對流計算模型

隨著發(fā)熱電阻的溫度升高，周圍空氣被加熱，隔聲罩內(nèi)形成冷熱空氣之間的對流，屬典型的自然對流傳熱。在溫差的作用下，固體內(nèi)部和固體之間存在熱傳導(dǎo)。

在笛卡爾坐標(biāo)系(x，y，z)下，式(1)為固體域三維導(dǎo)熱微分方程的一般形式。

式中:

ρ——固體的密度;

c——固體的比熱容;

λs——固體的熱導(dǎo)率;

T——固體的溫度;

t——時間;

Φ——單位體積中單位時間內(nèi)由內(nèi)熱源生成的熱量。

式(2)為流體域質(zhì)量守恒方程;式(3)、式(4)、式(5)為動量守恒方程;式(6)為能量守恒方程［4－7］。這些方程組成了流體計算的基本控制方程組。

式中:

λ——流體熱導(dǎo)率;

μ——流體的動力粘度;

cp——流體比定壓容;

ρ——流體的密度;

U——速度矢量;

u、v、w——分別為速度 x、y、z 3 個方向的分量;

λ2——流體第二分子粘度，對于氣體一般取為－2/3。

流固耦合對流傳熱應(yīng)滿足流體與固體交界面(Fluid Solid Interface，簡為FSI)處溫度連續(xù)，可以通過式(7)表示。由能量守恒定律，在流固耦合交界面處固體通過該交界面導(dǎo)入(出)的熱量應(yīng)該等于流體通過該交界面耗散(吸收)的熱量，可由式(8)表示。

式中;

n——FSI 的法線方向;

Qc——所在位置流體與固體換熱總量;

Tf——流體溫度;

Tw——固體壁面溫度;

h——對流換熱系數(shù)。

對隔聲罩溫度場進行分析時取車頂結(jié)構(gòu)和客室頂板的一部分結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于密閉隔聲罩與外界環(huán)境空氣隔離，在計算時只考慮隔聲罩內(nèi)部空氣域。分別建立客室頂板計算域、隔聲材料計算域、吸聲材料計算域、不銹鋼材料計算域、發(fā)熱電阻計算域、空氣計算域、車頂結(jié)構(gòu)計算域等。

為了對上述所有方程進行數(shù)值求解，需要對計算區(qū)域進行離散。通過適當(dāng)?shù)暮喕玫饺骟w高質(zhì)量的計算網(wǎng)格模型(如圖3所示)，對空氣域內(nèi)部邊界層網(wǎng)格加密如圖3 中網(wǎng)格線條較密部分所示。隔聲罩內(nèi)部吸聲材料網(wǎng)格、隔聲材料網(wǎng)格以及不銹鋼隔聲罩網(wǎng)格如圖4所示。

由于動車組的高速運行，車頂與環(huán)境空氣發(fā)生強制對流傳熱。假設(shè)車頂溫度與環(huán)境溫度一致，考慮到極端天氣，假設(shè)車頂溫度為45 ℃?？褪覂?nèi)部采用空調(diào)系統(tǒng)制冷，其溫度為27 ℃，內(nèi)飾頂板與車頂之間的溫度為30 ℃。發(fā)熱電阻的發(fā)熱功率為16 W。忽略材料之間的接觸熱阻。

選用SST 湍流模型，考慮空氣浮力，采用基于有限容積法的CFD(計算流體動力學(xué))求解器進行穩(wěn)態(tài)計算。

圖3 計算網(wǎng)格模型

圖4 隔聲材料和吸聲材料網(wǎng)格

3 計算結(jié)果

原設(shè)計隔聲罩方案計算結(jié)果的溫度分布云圖如圖5、圖6所示。圖5、圖6 中的截面分別切分發(fā)熱電阻安裝板和發(fā)熱電阻。

圖5 原設(shè)計方案溫度分布云圖(平行于xz 平面的截面)

圖6 原設(shè)計方案溫度分布云圖(平行于yz 平面的截面)

從圖5、圖6 中可以看出，發(fā)熱電阻內(nèi)部溫度高達99 ℃，已經(jīng)超出發(fā)熱電阻的工作溫度范圍。上述隔聲層和吸聲層幾乎相當(dāng)于隔熱層。高溫區(qū)域集中于發(fā)熱電阻附近，使熱量堆積嚴重，需要采取措施進行改進。可采取以下2 種改進方案:

1)為了讓隔聲罩內(nèi)部空氣能夠與外部有局部的對流，在發(fā)熱電阻一側(cè)隔音板上開一個與發(fā)熱電阻大小相當(dāng)?shù)耐?。通孔給定一個大氣壓的壓力邊界條件，空氣可以自由通過。更改模型重新生成網(wǎng)格并計算，得到結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7、圖8 中的截面分別切分發(fā)熱電阻安裝板和發(fā)熱電阻。由計算結(jié)果可知，雖然在壁面開孔后對密閉隔聲罩內(nèi)部空氣溫度有一定的影響，但是并不能對發(fā)熱電阻溫度過高起到明顯的改善作用。相對高溫部位仍然集中于發(fā)熱電阻周圍，因此，需要尋求更優(yōu)的解決方案。

圖7 隔聲罩開孔方案的溫度分布云圖(平行于xz 平面的截面)

圖8 隔聲罩開孔方案的溫度分布云圖(平行于yz 平面的截面)

2)為了緩解熱量過度集中的問題，在仿真計算中考慮將原模型中不銹鋼材料均替換成熱導(dǎo)率為其10 倍的鋁合金。得到計算結(jié)果如圖9、圖10所示。圖9、圖10 中截面分別切分發(fā)熱電阻安裝板和發(fā)熱電阻。

圖9 用鋁合金替換不銹鋼方案的溫度分布云圖(平行于xz 平面的截面)

由圖9、圖10 可知，采用鋁合金方案可以將原方案中過分集中于發(fā)熱電阻附近的熱量分散到鋁合金內(nèi)部，從而緩解發(fā)熱電阻溫度過高的問題，使得發(fā)熱電阻能夠工作在額定的溫度范圍內(nèi)。

圖10 用鋁合金替換不銹鋼方案的溫度分布云圖(平行于yz 平面的截面)

4 結(jié)語

本文通過對隔聲罩內(nèi)部自然對流進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱電阻溫度集中，超過最佳工作溫度區(qū)間。為此，提出了2 種改進方案:通過對開孔方案進行分析發(fā)現(xiàn)，其改善效果并不明顯，并且開孔方案會導(dǎo)致隔聲罩隔聲性能的下降;通過采用導(dǎo)熱性能更好的鋁合金材料將發(fā)熱電阻的熱量分散到金屬結(jié)構(gòu)中去的方案，可以大大降低發(fā)熱電阻的溫度，滿足發(fā)熱電阻工作溫度范圍要求，其對具體工程項目的實施具有一定的指導(dǎo)意義。

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