林鵬等

摘要： 基于CFD理論，應(yīng)用STARCCM+仿真某發(fā)電列車車下燃油箱在給定高寒工況下的保溫性能.在考慮列車運行時車外流場影響的基礎(chǔ)上，耦合分析箱體、保溫材料和燃油等的溫度分布特性，找出燃油可能發(fā)生結(jié)蠟的區(qū)域.給出相關(guān)分析結(jié)論和改進(jìn)建議，為保證燃油箱擁有穩(wěn)定的工作性能提供可靠的設(shè)計參考.

關(guān)鍵詞： 發(fā)電列車； 燃油箱； 保溫材料； 燃油結(jié)蠟； CFD

中圖分類號： U273.95；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： Based on the CFD theroy， the thermal insulation performance of the fuel tank under a certain generator train is simulated by STARCCM+ in a given extremely cold working condition. Considering the effect of vehicle external flow field when the train is running， the coupling analysis is performed on the temperature distribution characteristics of the tank body， thermal insulation material， fuel oi， and so on， and the possible wax deposition regions of the fuel oil are found. The corresponding design conclusions and improvement suggestions are proposed， which provide reliable design reference for the stable working performance of the fuel tank.

Key words： generator train； fuel tank； thermal insulation material； fuel oil wax deposition； CFD

引言

鐵路飛速發(fā)展的今天，雖然高速動車組的普及率越來越高，但受多方面因素制約，仍有很多地域沒有鋪設(shè)電氣化鐵路（如某些高寒地區(qū)）.這些區(qū)域列車的電器用電靠專用發(fā)電列車供給.燃油箱是發(fā)電列車不可或缺的設(shè)備，裝載大容量柴油，通常以吊掛方式安裝在車下底架上.但是，當(dāng)發(fā)電列車行駛在高寒地區(qū)時，低溫容易使柴油中有蠟晶體析出，并聚集和沉積在箱內(nèi)壁等固相表面，即出現(xiàn)柴油結(jié)蠟現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致柴油質(zhì)量下降、吸油泵堵塞等危害.[1]因此，高寒地區(qū)的發(fā)電列車除需使用特種標(biāo)號的柴油以外，其燃油箱還必須擁有出色的隔熱保溫性能.

目前，國內(nèi)對類似保溫箱（罐）體的性能研究主要集中在隔熱涂料方面 [27]，對具體結(jié)構(gòu)的研究相對較少[8].隨著計算機的快速發(fā)展，運用仿真手段可以方便地模擬結(jié)構(gòu)在不同時刻的狀態(tài)，彌補試驗手段的不足，提高認(rèn)識的量化程度.本文以運行在高寒地區(qū)的某發(fā)電列車燃油箱為研究對象，基于CFD理論分析其在指定工況下的隔熱保溫性能，指導(dǎo)燃油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn).

1仿真模型建立

CFD是近年來迅速發(fā)展的邊緣學(xué)科，其將近代流體力學(xué)、數(shù)值科學(xué)與計算機科學(xué)相結(jié)合，數(shù)值求解描述不同種類流體運動和傳熱傳質(zhì)規(guī)律的偏微分方程組，得到確定邊界條件下的工質(zhì)流動、輸運、相變等數(shù)值解.CFD還可與計算傳熱學(xué)結(jié)合，聯(lián)立求解能量守恒方程，預(yù)報溫度分布、傳熱、燃燒等過程的細(xì)節(jié)，使得CFD成為傳熱裝置優(yōu)化設(shè)計的有力工具.本文基于CFD技術(shù)，利用STARCCM+分析燃油箱在列車行進(jìn)狀態(tài)時的隔熱保溫性能.

1.1幾何模型和材料參數(shù)

所研究的發(fā)電列車設(shè)計時速為100 km/h，運營環(huán)境最低平均溫度約-50 ℃.燃油箱結(jié)構(gòu)示意見圖1，其整體采用類似“三明治”的“外箱+保溫材料+內(nèi)箱”結(jié)構(gòu)，設(shè)計容積約3 200 L；內(nèi)、外箱體通過加強筋框架連接，內(nèi)箱設(shè)有若干開孔擋板以控制燃油晃動；箱體頂部設(shè)大開孔為注油孔，兩側(cè)分別布有6個檢修孔.

為適應(yīng)惡劣的高寒環(huán)境，燃油箱設(shè)計時在內(nèi)箱底面鋪設(shè)功率為5 000 W的伴熱線等其他主動保溫措施.為考慮列車運行對燃油箱保溫性能的影響，模型引入簡化的車外流場.本文約定，模型中x軸為縱向即列車運行方向，y軸為橫向，z軸為垂向，重力方向為負(fù)z方向.

在本文考慮的溫度范圍內(nèi)，各部件的材料屬性隨溫度變化的幅度較小，分析時可僅選擇對應(yīng)的常量，箱體框架為耐候鋼，保溫材料為福樂斯，燃油為輕柴油，外流場工質(zhì)為空氣，材料屬性見表1.

1.2網(wǎng)格劃分

選用STARCCM+倡導(dǎo)的多面體網(wǎng)格離散計算域，相對傳統(tǒng)四面體網(wǎng)格，其具有計算性價比較高、擁有相對更多的毗鄰單元、計算變量的梯度過渡相對平滑等諸多優(yōu)點.[9]此外，CFD傳熱分析要求離散后的結(jié)構(gòu)在各尺寸方向均有足夠多的網(wǎng)格，否則計算結(jié)果不可靠甚至導(dǎo)致發(fā)散.但是，箱體鋼板的設(shè)計厚度相對保溫材料等小很多，最薄處僅為1 mm，若全部劃分為多面體網(wǎng)格，模型規(guī)模必然急劇增大.因此，通過附加激活STARCCM+特有的Thin Mesher選項，成功將箱體離散為高質(zhì)量、分層化、節(jié)點完全連續(xù)的薄壁層網(wǎng)格，實現(xiàn)在保持多面體網(wǎng)格獨特優(yōu)勢的同時有效控制整體網(wǎng)格數(shù)目.最終計算域網(wǎng)格分布見圖2，其中多面體單元6 102 606個，頂點28 148 967個，內(nèi)部面33 275 468個.

1.3邊界條件施加

設(shè)車外來流速度為100 km/h，來流溫度為-60 ℃.在內(nèi)箱底面激活熱源項，模擬伴熱線生熱，源項大小為5 000 W.在箱體、保溫材料和燃油等區(qū)域的連接處設(shè)置接觸界面，通過軟件耦合求解界面處的傅里葉熱傳導(dǎo)方程，實現(xiàn)各區(qū)域之間的傳熱模擬.在流場分析時，軟件自動計算和添加燃油箱與外界接觸面的對流換熱系數(shù)，如非特殊要求，無須人為設(shè)置.需要說明的是，受轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，列車車下空氣的平均流速通常明顯低于其運行速度[10]，所以本文模擬的工況比實際惡劣許多，借此強化考核保溫材料的性能.

1.4計算參數(shù)設(shè)置

選取Boussinesq模型描述燃油流動，模擬燃油因溫度梯度產(chǎn)生的自然對流，同時考慮燃油內(nèi)部的流動和熱傳遞.選取基于雷諾平均法的kε模型和壁面函數(shù)描述湍流.采用二階迎風(fēng)格式離散各對流項和擴散項.激活傳熱分析選項，實現(xiàn)在模擬流動時耦合計算熱量傳遞過程.所有參數(shù)的迭代誤差閾值均設(shè)為1×10-4.

2計算結(jié)果分析

外界空氣流速越高，物體表面的強迫對流換熱系數(shù)越大，散熱效果越明顯.[11]燃油箱周圍空氣流速分布見圖3，可知：受路徑截面突變影響，車下來流在箱頂迎風(fēng)區(qū)域和箱底附近的流速均高于列車行進(jìn)速度（局部達(dá)到166 km/h），這部分區(qū)域散熱效果更強；而來流在箱體其他區(qū)域附近流動緩慢，強迫對流換熱效果極不明顯.

燃油箱整體和保溫材料的溫度分布見圖4，可知：油箱整體溫度在-60 ℃至43 ℃之間變化，并且在伴熱線作用下，油箱底部區(qū)域溫度最高；受車下來流強迫散熱的影響，位于迎風(fēng)側(cè)的各結(jié)構(gòu)溫度均明顯低于背風(fēng)側(cè)；保溫材料整體內(nèi)外溫差很大，說明其隔熱性能良好；而耐候鋼的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于福樂斯，使得箱體內(nèi)外溫差相對小很多，只有兩側(cè)開孔和吊掛等直接與燃油接觸的區(qū)域溫度較高.燃油的溫度和流速分布見圖5，可知：低溫燃油集中在各吊掛和開孔附近，最低溫度約-43 ℃，因為受制造工藝制約，這些區(qū)域無法填充保溫材料，造成內(nèi)箱直接與外界接觸；高溫燃油分布于油箱底部，最高溫度約為43 ℃；其余絕大部分燃油的溫度分布均勻，其整體平均溫度約為1.1 ℃，高于對應(yīng)結(jié)蠟溫度；此外，由于溫差作用，燃油內(nèi)部出現(xiàn)低速的自然對流現(xiàn)象，在一定程度上加速熱量的傳遞.易結(jié)蠟（溫度低于-20 ℃）燃油的分布示意見圖6.由圖6可知，易結(jié)蠟部位主要集中貼近在各吊掛和開孔等燃油箱體與外界直接接觸的區(qū)域.這部分燃油所占比例很小，同時其所在位置全部遠(yuǎn)離抽油部位，說明此時絕大部分燃油仍可供正常使用.如果在實際生產(chǎn)時能注意補強圖6所示部位的保溫性能，無疑將進(jìn)一步保證燃油箱在極端惡劣的運營狀態(tài)下也不會失效.

3結(jié)論

基于CFD理論，使用STARCCM+仿真分析某發(fā)電列車燃油箱在給定強化高寒工況下的隔熱保溫性能，并給出對應(yīng)設(shè)計改進(jìn)建議.主要結(jié)論如下：

（1）車下來流在箱頂迎風(fēng)區(qū)域和箱底附近的流速較高，散熱效果更明顯，使得位于迎風(fēng)側(cè)的燃油箱各結(jié)構(gòu)溫度均明顯低于背風(fēng)側(cè).

（2）由于存在溫度差異，箱內(nèi)燃油出現(xiàn)自然對流，在一定程度上加速燃油內(nèi)部的熱量傳遞，但其流速并不高.

（3）容易發(fā)生結(jié)蠟的燃油分布于各吊掛和開孔等燃油箱體與外界直接接觸的區(qū)域，不過其所占比例很小，所在位置也全部遠(yuǎn)離抽油部位，產(chǎn)生的不利影響很小.在實際生產(chǎn)時應(yīng)注意補強這些區(qū)域的保溫性能.參考文獻(xiàn)：

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