基于CFD分析的電動(dòng)客車(chē)電器艙溫度場(chǎng)優(yōu)化

曹紅軍,吉 揚(yáng),熊 樂(lè),任田良,徐志遠(yuǎn)

(1.中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司,湖南 株洲 412007;2.湘潭大學(xué),湖南 湘潭 411105)

電動(dòng)客車(chē)為了降低行駛過(guò)程中的平均能耗,在保證乘客艙空間足夠大的情況下,必須盡量控制車(chē)身總尺寸以及總質(zhì)量。故其電器艙空間一般比較狹小[1],電器零部件安裝緊湊,其中不乏發(fā)熱量較大的設(shè)備,如車(chē)輛主驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、交流充電機(jī)、空壓機(jī)以及散熱器等。安裝緊湊易形成過(guò)熱的電器艙環(huán)境,影響ATS散熱器的正常工作,導(dǎo)致電機(jī)、交流充電機(jī)等電器冷卻不良,影響使用壽命。CFD仿真技術(shù)在客車(chē)電器艙流場(chǎng)研究以及優(yōu)化措施評(píng)估方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[2-11],本文展示其具體過(guò)程。

1 原電器艙溫度場(chǎng)仿真分析

1.1 電器艙三維模型及冷氣路徑

在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段,根據(jù)2D設(shè)計(jì)圖紙建立三維實(shí)體模型。電器艙零部件眾多,外形復(fù)雜,各種管路、線(xiàn)路交錯(cuò),需要根據(jù)仿真模型簡(jiǎn)化原則(即忽略離散線(xiàn)束的影響),簡(jiǎn)化處理電器件表面輪廓細(xì)節(jié),保留住體積模型。簡(jiǎn)化后的電器艙三維模型如圖1所示。

圖1 電器艙三維模型及冷氣路徑

車(chē)輛行駛過(guò)程中,車(chē)外冷空氣主要由2條路徑進(jìn)入電器艙：一條路徑是先通過(guò)側(cè)圍進(jìn)氣格柵進(jìn)入,然后通過(guò)散熱器散熱翅片區(qū),再經(jīng)過(guò)散熱風(fēng)扇把熱風(fēng)排到艙內(nèi),最后通過(guò)艙體未封板的區(qū)域流到艙外,這是主要散熱路徑;另一條路徑是通過(guò)電器艙底部無(wú)封板區(qū)域以及孔洞區(qū)域進(jìn)入電器艙(電機(jī)前方和下方是沒(méi)有艙體封板)。這2條路徑的空氣最終都通過(guò)電器艙底部無(wú)封板區(qū)域或后圍裝配間隙排到艙外,順便帶走艙內(nèi)熱量,在簡(jiǎn)化模型時(shí)需準(zhǔn)確保留流場(chǎng)路徑主特征幾何元素。

1.2 仿真模型的網(wǎng)格劃分

在圖1三維模型基礎(chǔ)上建立流體仿真模型,如圖2所示,流體仿真模型包含電器艙外部環(huán)境區(qū)域。

圖2 原電器仿真模型

劃分的網(wǎng)格模型需保證電器艙側(cè)圍格柵每條通道橫截面網(wǎng)格數(shù)不少于10個(gè),重要零部件面網(wǎng)格尺寸小于4 mm,邊界層第一層網(wǎng)格厚度小于0.1 mm,邊界層層數(shù)大于5層。根據(jù)以上要求建立的電器艙網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 剖面網(wǎng)格

1.3 仿真模型邊界條件

仿真模型邊界條件設(shè)定見(jiàn)表1。采用速度入口邊界條件替代車(chē)輛行駛速度,散熱風(fēng)扇根據(jù)P-Q曲線(xiàn)等效成動(dòng)力源項(xiàng),散熱器換熱翅片區(qū)根據(jù)廠家提供的流阻曲線(xiàn)等效成多孔介質(zhì)區(qū)域。

表1 仿真模型邊界條件

1.4 原電器艙仿真結(jié)果

仿真軟件采用ANSYS16.0中的CFX模塊,收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)在1E-4以下,迭代循環(huán)步數(shù)不少于3 000步,仿真結(jié)果(流場(chǎng)溫度場(chǎng))如下：

1) 散熱器水平方向中截面速度矢量如圖4所示。從圖中可以看出,外界冷空氣從側(cè)圍格柵進(jìn)入后,大部分冷空氣被散熱器吸入,部分冷空氣從視圖展示的右側(cè)(散熱器與側(cè)圍之間的安裝間隙)流走;由于熱空氣回流的影響,側(cè)圍進(jìn)氣格柵的前部進(jìn)氣有限。散熱器垂直方向中截面速度矢量如圖5所示。從圖中可以看出,熱空氣從散熱器出來(lái)之后直接沖向轉(zhuǎn)向阻力總成和高壓接線(xiàn)盒,部分氣體從散熱器底部回流到散熱器進(jìn)口。

圖4 散熱器水平方向中截面速度矢量

圖5 散熱器垂直方向中截面速度矢量

2) 散熱器水平方向中截面溫度云圖如圖6所示。從圖中可以看出,空壓機(jī)附近溫度較高,部分高溫流體回流再次進(jìn)入散熱器進(jìn)口。散熱器垂直方向中截面溫度云圖如圖7所示。從圖中可以看出,散熱器底部高溫流體回流比較嚴(yán)重,主要原因是側(cè)圍格柵安裝高度明顯高于散熱器高度。

圖6 散熱器水平方向中截面溫度云圖

圖7 散熱器垂直方向中截面溫度云圖

3) 散熱器空氣側(cè)的空氣流量仿真結(jié)果為2 077 m3/h,但側(cè)圍進(jìn)氣量仿真結(jié)果為1 127 m3/h,這表明散熱器空氣側(cè)接近一半流量是高溫回流空氣,高溫回流空氣提高了散熱器進(jìn)口空氣的平均溫度(達(dá)到45.3 ℃),相較于環(huán)境溫度35 ℃,提升了10.3 ℃,嚴(yán)重影響散熱器的散熱效率,同時(shí)惡化了電器艙熱環(huán)境,散熱器出口平均溫度達(dá)到了62.72 ℃。側(cè)圍進(jìn)氣格柵有效通風(fēng)面積偏小限制了側(cè)圍格柵的冷空氣進(jìn)氣量,因此需對(duì)電器艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 電器艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果評(píng)估

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)以上仿真結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,電器艙優(yōu)化措施如下：

1) 在原散熱器進(jìn)口添加導(dǎo)風(fēng)罩,具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(a) 原始模型

2) 改變側(cè)圍進(jìn)氣格柵的開(kāi)度角,由原來(lái)的135°改成120°,如圖9所示。

圖9 側(cè)圍進(jìn)氣格柵

2.2 優(yōu)化效果

對(duì)優(yōu)化后的電器艙結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如下：

1) 從圖10可以看出,由于導(dǎo)風(fēng)罩的存在,散熱器與側(cè)圍之間不存在安裝間隙,散熱器的流通風(fēng)量完全來(lái)自側(cè)圍進(jìn)氣格柵。從圖11可以看出,由于散熱器增加了導(dǎo)風(fēng)罩,熱回流現(xiàn)象不再存在,側(cè)圍格柵進(jìn)入的冷空氣出現(xiàn)向下流的趨勢(shì),保證散熱器底部進(jìn)氣量的同時(shí),降低散熱器底部進(jìn)氣溫度,改善散熱器整個(gè)格柵進(jìn)口平面的溫度分布。

圖10 散熱器水平方向中截面速度矢量

圖11 散熱器垂直方向中截面速度矢量

2) 散熱器水平方向中截面溫度云圖(圖12)顯示,電器艙空壓機(jī)附近溫度明顯得到改善(相較于圖6);散熱器垂直方向中截面溫度云圖(圖13)顯示,散熱器進(jìn)口溫度在高度方向變得更平均了(相較于圖7)。散熱器內(nèi)部的溫度整體呈下降趨勢(shì)。

圖12 散熱器水平方向中截面溫度云圖

圖13 散熱器垂直方向中截面溫度云圖

3) 側(cè)圍格柵進(jìn)氣量仿真結(jié)果達(dá)到了1 956 m3/h,比初始設(shè)計(jì)的1 127 m3/h 提升了829 m3/h,改善效果明顯(表明吸入了足夠多的低溫空氣)。散熱器散熱風(fēng)扇出口平均溫度仿真結(jié)果只有48.8 ℃,散熱器出風(fēng)口平均溫度相較于初始設(shè)計(jì)62.72 ℃降低了13.92 ℃,降幅明顯,此溫度比較適宜,可保證散熱器處于高效散熱狀態(tài),并滿(mǎn)足電機(jī)、電機(jī)控制器以及交流充電機(jī)的冷卻需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于原始設(shè)計(jì)的電器艙散熱器熱回流現(xiàn)象嚴(yán)重,即使散熱器冷卻風(fēng)量足夠大,電器艙溫度依然很高,嚴(yán)重影響電器件的使用壽命。通過(guò)優(yōu)化電器艙結(jié)構(gòu),杜絕散熱器熱回流,增大側(cè)圍進(jìn)氣格柵流通面積,在散熱器流通風(fēng)量基本維持不變且散熱器散熱功率相同的情況下,散熱器出口空氣溫度平均下降了13.92 ℃,滿(mǎn)足電機(jī)系統(tǒng)散熱需求的同時(shí)明顯改善了電器艙熱環(huán)境。