客车电器柜通风系统结构的规律性研究

2020-05-22程海涛张继业

轨道交通装备与技术 2020年1期

程海涛张继业李田

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都 610031)

随着中国铁路的飞速发展，旅客列车的各项性能得到了很大提高。但与此同时，客车的负载也随之增加，如电器元件功率的增加等。近年新闻曾有由于电器设备故障，引起客车发生火灾的相关报道出现[1]。由于客车整体空间的局限，电器柜的空间密闭狭小，若通风系统设计不当，极易出现电器柜通风散热不畅等问题，对于客车的安全运行造成了极大的影响。

近年来，随着数值计算方法的发展和计算机性能的提高，CFD数值仿真计算在列车内外流场研究方面得到了广泛的应用[2-6]。对于列车电器柜通风散热问题，部分学者进行了一定的研究。袁华军[7]分析了机车电器火灾多发的原因，根据相关电器元件的特性，提出电器柜内加装隔热板的有效措施来预防火灾。董志忠等[8]针对新型交流传动机车电器柜通风系统进行了CFD仿真分析，检验了电器柜通风系统满足电器元件的换热要求。孙海龙[9]以机车电器柜为研究对象，基于稳态湍流模型，仿真计算了不同条件下系统内的温度分布情况，通过交换散热器位置、增加导流隔板和改变进风口面积，使其中一个未达标的散热器满足了换热要求。这些研究大多是对具体某电器柜进行仿真验证，没有对电器柜通风系统结构的规律性进行分析总结。下文通过改变客车电器柜通风系统的进风口位置、废排口位置和冷却风扇方向，对比夏、冬两季工况下的12种方案，以低压电源LVPS热源温度、断路器柜内温度和电器柜室内温度为评价指标，得到了满足通风散热标准的最佳方案，总结了电器柜通风系统结构的规律性，为客车电器柜通风系统的设计提供了有利的参考。

1 物理模型

以某双层旅客列车电器柜为研究对象，其几何尺寸为1 295 mm×958 mm×2 550 mm。其内部主要由低压电源LVPS、断路器柜和DC电池箱等组成，如图1所示。电器柜位于客车后端，其通风系统与整车通风系统相连接。由空调机组制成的冷空气通过整车通风系统分配进入电器柜，冷空气由电器柜上端的进风口进入，对内部电器元件进行通风冷却，再由侧端的废排口排出。

电器柜中的散热电器元件主要位于低压电源LVPS和断路器柜。LVPS有肋片散热，为增强其散热效果，LVPS采用强制通风，还单独设置有一个冷却风扇。由于DC电池箱是一个铁外壳密封体，内部有空气自然流通直通到客车外部，因此散发到电器柜区域的热量可以忽略不记。

图1 电器柜物理模型

2 数学模型

冷空气通过通风系统进入电器柜对电器元件进行冷却，其流场属于三维黏性定常的湍流流场。为简化问题，对计算模型进行如下假设：

(1)流场内的空气为不可压缩气体且符合Boussinesq假设，即认为在低速流动条件下，忽略压强变化对空气密度的影响。由于空气密度变化受温度变化影响较大，故考虑浮力影响。空气密度表达式[10]为

ρ=ρ0[1-β(T-T0)]

(1)

式中：T、T0为温度，K；ρ0为温度T0时的空气密度，kg/m3；β为热膨胀系数。

(2)流场内空气流动为稳态湍流，流场内的湍流黏性各向同性，并具有高雷诺数。

(3)气密性良好，不存在漏气现象。

(4)忽略固体壁面间热辐射影响。

采用标准k-ε两方程湍流模型，其控制方程的运输方程[11-12]形式为

div(ρVΦ-ΓΦgradΦ)=SΦ+Sbuoyancy

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；V为空气速度，m/s；Φ为应变量；ΓΦ为扩散系数；SΦ为除浮升力项外的所有源项；Sbuoyancy为浮升力项的源项。

3 边界条件及数值计算

为了研究电器柜通风系统结构的分布规律，考虑了3种不同进风口位置、两种不同废排口位置和两种不同冷却风扇方向，一共考虑了夏、冬两季工况下的12种方案，如图2所示。进风口位于电器柜上端，进风管长度可分为中管、短管和长管，为防止进风管直吹电器柜柜壁，长管端部设置有向下的弯管。废排口位于电器柜侧端，靠近低压电源LVPS，可设置在上端或下端。冷却风扇位于低压电源LVPS下端，方向可设置向上或向下。

图2 不同方案的通风系统

流场区域采用非结构四面体网格，最大尺寸为60 mm，网格单元总数为1 147万个。为了保证计算精度，对关键散热结构和局部细小结构进行了网格加密，如低压电源LVPS的散热肋片保证有多层网格，如图3所示。

图3 LVPS肋片网格

湍流模型采用标准两方程模型，靠近壁面黏性层采用标准壁面函数处理，考虑浮力影响。进风口采用速度边界，废排口采用压力边界。对于低压电源LVPS，其肋片和周围空气存在流固热耦合关系，设置接触面为Couple边界条件，其冷却风扇采用风扇边界。电器柜四周采用壁面边界，夏季考虑太阳辐射，冬季则不考虑。将换热壁面所处的外界环境温度和太阳辐射对壁面的双重热效应转换成综合外气温度tc，其表达式[13]如下：

(3)

由于夏、冬季所处外界环境温度和进风口送风温度等有差别，对夏、冬季两季气候进行分析，相对应的边界条件如表1所示。

表1 夏、冬季边界条件

为了更好地观察电器柜的温度分布，设置了如图4所示的5个监测面。其中1、2、3、4号监测面主要用于监测断路器柜内和电器柜室内的温度分布。同时，为了监测低压电源LVPS热源温度，单独设置了一个LVPS热源监测面。

图4 不同位置监测面

4 计算结果及分析

4.1 总体情况

图5、图6为夏、冬两季工况下各方案LVPS、断路器柜内和电器柜室内的温度分布。为了保证电器柜相关电器元件的正常工作，根据相关标准要求，LVPS温度应小于55 ℃，断路器柜内和电器柜内温度应小于40 ℃。

由图5可知，夏季时，大部分方案的LVPS温度超标。其中，仅方案4、9和11未超标，方案4温度最低为52.8 ℃。所有方案的断路器柜内和电器柜室内温度均未超标，部分方案温度接近40 ℃标准。由图6可知，冬季时，大部分方案的LVPS温度未超标。其中，仅方案2和6超标，方案4温度最低为49.5 ℃。所有方案的断路器柜和电器柜室内温度均未超标，其大部分温度在25 ℃～30 ℃范围内，远远低于40 ℃标准。综合比较，方案4(中下下)为最佳方案。

图5 夏季各方案温度分布

图6 冬季各方案温度分布

由于LVPS为电器柜中最大发热元件，其相对断路器柜和电器柜室内温度更易超标，故LVPS应成为重点考虑的通风散热对象。由于冬季室外温度极低，对电器柜室内影响较大，LVPS、断路器柜内和电器柜室内的温度不易超标，故夏季应成为重点考虑的通风散热工况。

4.2 进风管长度的影响

图7所示为夏、冬两季不同进风管长度所对应的LVPS温度分布。由图7可知，LVPS温度受进风管长度影响较大。其中：短管时的LVPS温度相对较高，长管时的LVPS温度相对较低。图8为夏、冬两季不同进风管长度所对应的断路器柜和电器柜室内温度分布。由图8可知，断路器柜和电器柜室内的温度分布受进风管长度影响较大。其中：短管时，电器柜室内温度相对断路器柜温度要高；长管时，断路器柜温度相对电器柜室内温度要高；中管时，两者温度相差不大。

中管出风口位置在断路器柜和LVPS中间的上方，对电器柜各电器元件作用较为均衡；短管出风口位置在断路器柜上方，冷空气对断路器柜作用较多；长管出风口位置靠近LVPS，沿电器柜柜壁向下，冷空气迅速由上至下到达电器柜底部，再通过冷却风扇，主要作用于LVPS。

图7 不同进风管长度LVPS的温度分布

图8 不同进风管长度断路器柜和电器柜室内温度分布

4.3 废排口位置和冷却风扇的耦合影响

图9所示为夏、冬两季不同废排口位置和冷却风扇耦合作用下的LVPS温度分布。由图9可知，4种组合方案(上上、上下、下上、下下)中，当废排口和冷却风扇位于同侧(上上、下下)时，LVPS温度相对较低；当废排口和冷却风扇位于异侧(上下、下上)时，LVPS温度相对较高。同时，中短管时，当废排口和冷却风扇位于同侧向下(下下)时，LVPS温度最低。

LVPS温度受到废排口位置和冷却风扇耦合作用较大。当其位于同侧时，肋片散发的热量可通过冷却风扇的作用直接排向废排口附近，对于LVPS的通风散热很有利；当其位于异侧时，肋片散发的热量被冷却风扇直接排向电器柜室内，导致室内热量积聚，不利于LVPS的通风散热。中短管时，当其位于同侧向下，冷空气由上至下，在方向向下冷却风扇的作用下，其相比同侧向上，更能对LVPS进行充分冷却，更有利于LVPS的通风散热。

图9 不同废排口位置和冷却风扇LVPS温度分布

4.4 特殊结构的影响

当冷却风扇方向向下时，LVPS肋片散发的热量被排向电器柜底部，对于中短管的通风散热方案，底部热量难以排除，造成电器柜室内温差较大，底部温度高于顶部温度。

当进风管为长管时，其端部弯管使得冷空气沿着电器柜柜壁迅速自上而下，直接到达电器柜底部。同时，当冷却风扇方向向上时，LVPS肋片散发的热量被排到电器柜顶部，顶部热量难以排除，造成电器柜室内温差较大，顶部温度高于底部温度。但底层冷空气充分作用冷却LVPS，有利于LVPS通风散热，如图9(a)、(b)所示的方案9(长上上)和方案11(长下上)。当冷却风扇方向向下时，LVPS肋片散发的热量被排到电器柜底部，底层冷空气不能充分作用冷却LVPS，不利于LVPS的通风散热，如图9(a)和(b)所示的方案10(长上下)以及方案12(长下下)。

由于长管的特殊弯管结构，使得送风方式类似于下送风。而中长管属于上送风，所以，长管时的部分结果与4.2、4.3节中所得到的结果有所差异。如图7所示方案12(长下下)，由于冷却风扇方向与冷空气方向相反，此时长管LVPS温度相对中短管反而偏大。长管时，LVPS温度受冷却风扇方向影响极大，对此类情况应具体分析。