基于流体运动的内燃机车冷却塔顶盖降噪优化设计.pdf

2023 年 8 月（总第 442 期）40质量与安全QUALITY AND SAFETY第 51 卷Vol.51第 8 期No.8铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2023-04-06作者简介：成红蕾，工程师；刘梦安，高级工程师；王员员，工程师1概述随着我国轨道交通技术的不断进步，内燃机车功率逐渐增大，损耗也随之增大，散热问题日益突出。增大功率的同时，要求牵引变流器和变压器向环境友好型发展，客户对用来冷却机车主变压器和变流器的冷却塔的声品质要求也越来越高1。冷却系统的性能直接影响整车安全、稳定运行。研发高效、轻量化和低噪声的冷却塔已成为当前的迫切需求2。因此，设计满足未来发展要求的冷却塔，已成为国内外牵引变压器研究中的热点。冷却塔是和谐系列机车主要的噪声源之一，而冷却塔顶盖气流进口处则是整个冷却塔噪声最大处。优化设计顶盖内部流场结构是控制产品噪声的关键3。通过流体力学数值仿真计算（computational fluid dynamics，CFD）、仿真试验测试等多种手段，在设计初期模拟流体运动状态，对顶盖内部结构进行优化，最终达到控制冷却塔噪声的目的。CFD 是通过数值方法求解流体力学控制方程，并对流体力学问题进行研究和分析的学科。噪声分析就是通过运用冷却塔顶盖的 CFD 数值计算（物理建模、确定区域、产生网格、求解方程确定、模型设置、计算求解、后处理）结果，提出优化措施，达到降噪目的的过程。2冷却塔顶盖 CFD 数值计算2.1冷却塔结构冷却塔顶盖气流通道主要由顶盖框架、导流板和进气软管风道组成。顶盖框架呈方形结构，内部设置 3 块弧形导流板。进气软管风道与框架法兰面垂直，与水平方向成一定斜角。顶盖结构和气流方向如图 1 所示。2.2CFD 数值计算模型对冷却塔整体流场进行三维建模。CFD 分析的流体域应包含进风管道、顶盖、风机、散热器和出风管道，将其导入 FLUENT 中处理。冷却塔流域 CFD 数值计算模型如图 2 所示。基于流体运动的内燃机车冷却塔顶盖降噪优化设计成红蕾，刘梦安，王员员（湖南联诚轨道装备有限公司，湖南 株洲 421001）摘要：冷却塔噪声是内燃机车噪声主要来源之一，必须严格控制。冷却塔噪声最大点出现在气流进口顶盖处，因此，顶盖的设计直接决定冷却塔整体噪声的高低，是冷却塔噪声控制的关键。通过 FLUENT软件对冷却塔顶盖进行 CFD 流场分析，优化顶盖结构，尽可能减少进口涡流，使顶盖内流场均匀流畅，避免噪声过高对内燃机车产生不利影响。关键词：内燃机车；冷却塔；顶盖；流场分析；涡流中图分类号：U262.232文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）08-0040-04Abstract：The noise of cooling tower is one of the important noise sources of diesel locomotive,which must be strictly controlled.The biggest noise of the cooling tower appears at the inlet top cover,so the design of the top cover directly determines the overall noise lever of the cooling tower,which is the key to the noise control of the cooling tower.Inthis paper,the CFD flow field is analyzed by FLUENT software to optimize the top cover structure,reduce the inletvortex as much as possible,Which makes the follow field in the top cover uniform and smooth,and avoids the adverseimpact of too high noise on diesel locomotive.Keywords：Diesel Locomotive;Cooling Tower;Top Cover;Flow Field Analysis;Vortex41铁道技术监督第 51 卷第 8 期进气口风机散热器出气口XZY500 mm1 000 mm0图 2冷却塔流域 CFD 数值计算模型2.3网格划分将模型进行网格划分，网格数为 4 028 333，最大倾斜度为 0.848。冷却塔流域 CFD 网格模型如图 3 所示。XZY1 000 mm0500 mm图 3冷却塔流域 CFD 网格模型2.4边界条件客户要求冷却塔内主冷风机在标准状态下的标准流量为 6.4 m3/s，压力为 1 400 Pa，转速为1 760 rad/min。散热器风量与风阻见表 1。表 1散热器风量与风阻风量/（m3/s）5.45.96.4风阻/Pa270305345风量/（m3/s）6.97.4风阻/Pa385430定义各项参数：进气口速度边界（pressure-inlet），进气口负压为 350 Pa，大气压为 101 325 Pa；出气口压力边界（pressure-outlet），大气压为101 325 Pa；空气密度为 1.205 kg/m3条件下，动力粘度为 1.7910-5kg/ms。通过计算得到雷诺数 Re为 731 255，大于 4 000，属于湍流流动，湍流强度I 为 2.9610-2，流动湍流模型选择 k-模型4-5。2.5CFD 求解克服冷却塔所需阻力后，在 FLUENT 中计算质量流量，为 7.6235 kg/s。计算容积流量，为7.623 5/1.205=6.22（m3/s），小于 6.4 m3/s，不满足客户规定要求。在 FLUENT 中计算风机转矩，为65.558 Nm，换算为轴功率为 12.08 kW。在 FLUENT 冷却塔流场示意图中，分别截取冷却塔中面流场速度矢量和全局 3D 流线图。冷却塔内部流场如图 4 所示。（a）中面流场速度矢量图图 1顶盖结构和气流方向651813顶盖框架导流板软管风道446165R181R306R569301233382990出气口67.4进气口单位：mm42基于流体运动的内燃机车冷却塔顶盖降噪优化设计质量与安全（b）全局 3D 流线图图 4冷却塔内部流场从图 4 可知，在 3 块导流板处存在大量气体回流、气流发散。这将导致进口涡流噪声，消耗额外功率，降低冷却效率，是冷却塔进口噪声大、流量不够的主要原因。因此，应优化顶盖结构，使进口气流尽可能平稳、顺畅。3顶盖结构优化3.1顶盖结构优化措施优化后的顶盖结构如图 5 所示。651813顶盖框架导流板软管风道446165R505R1 49234819733899067.4R224出气口进气口图 5优化后的顶盖结构顶盖进气口处 3 块导流板与顶盖斜面垂直，距离进口斜面的法向距离为 60 mm。从左往右，第 1块导流板弧度下移，将顶盖下方完全封闭，其弧形方向与气流方向基本一致；第 2 块和第 3 块导流板减小曲率，负压面沿涡流近中线位置调整，使弧形方向和气流方向基本一致。3.2顶盖结构优化后的 CFD 求解结果克服冷却塔所需阻力后，在 FLUENT 中计算质量流量，为 7.752 6 kg/s，则容积流量为 7.752 6/1.2056.433 7（m3/s），大于 6.4 m3/s，满足客户规 定 要 求。在 FLUENT 中 计 算 风 机 转 矩，为66.003 Nm，换算为轴功率为 12.17 kW。在 FLUENT 中截取冷却塔中面流场速度矢量和全局 3D 流线图。顶盖优化后冷却塔内部流场如图 6 所示。（a）中面流场速度矢量图（b）全局 3D 流线图图 6顶盖优化后冷却塔内部流场由图 6 可见，3 块导流板处的回流基本消除，进气口流场得到很大改善，避免了进气口涡流引发过大的涡流噪声。同时冷却塔流量（下转第 55 页）55铁道技术监督第 51 卷第 8 期分析表 2表 4 可知，轮重轴重加垫调整方案一、轮重轴重加垫调整方案二和轮重轴重加垫调整方案三均满足要求。其中，轮重轴重加垫调整方案一为理想最优方案。但在调整轮重轴重时，考虑现场施工难易程度，建议选择轮重轴重加垫调整方案二或轮重轴重加垫调整方案三。4结语为了解决在工程车称重试验中出现的轮重轴重偏差，提出一种基于称重仿真计算的加垫调整轮重轴重方法。建立工程车三维仿真模型和数学模型，以二系旁承支撑位加垫高度作为自变量，轮重轴重为目标变量的多目标函数，采用多目标遗传算法，求得满足轮重轴重要求对应的二系旁承支撑位多种Pareto 解，得到车辆轮轴重调整方案。这为调整工程车轮重、轴重提供理论支持，提供多种轮重、轴重调整方案，便于结合现场选择合适的加垫调整方案。参考文献1 陆冠东，吕映华机车轴重调整的计算和分析J 内燃机车，1988（7）：1-62 刘友梅机车重心计算与测定方法 J 机车电传动，2000（6）：1-3.3 张正楠调整机车轮重的分析和计算 J 内燃机车，1990（10）：26-314 杨振祥关于机车轮（轴）重偏差的分析与研究J 铁道机车车辆，1997（3）：59-615 严隽耄车辆工程M 北京：中国铁道出版社，1992（编辑陈建国）P24/mm10P222/N87 598P25/mm0P223/N87 486P26/mm4P224/N87 234P27/mm3P225/N87 369P28/mm2P226/N86 069P36/mm7P227/kg86 031P37/mm2P228/N172 671P38/mm1P229/N173 037P220/N85 437P230/N173 667P221/N85 667P231/N173 517表 3工程车轮重轴重加垫调整方案二P24/mm5P222/N87 122P25/mm0P223/N87 000P26/mm8P224/N86 505P27/mm6P225/N86 672P28/mm4P226/N86 572P36/mm13P227/N86 506P37/mm3P228/N172 261P38/mm2P229/N172 658P220/N85 756P230/N173 694P221/N85 986P231/N173 506表 4工程车轮重轴重加垫调整方案三广告索引中铁检验认证中心有限公司机车车辆检验站 封二，前插 1北京铁科首钢轨道技术股份有限公司 前插 2北京铁科英迈技术有限公司 前插 3北京纵横机电科技有限公司 后插 1克诺尔轨道系统中国区总部 后插 2北京铁福轨道维护技术有限公司 后插 3中铁宝鸡轨道电气设备检测有限公司 后插 4第十六届中国国际现代化铁路技术装备展览会 封三提升，功率下降，散热效率提升。4结论由 CFD 数值计算分析数据可知，优化后的顶盖流场情况得到明显改善。冷却塔进气口流场涡流大幅减少，消除了进气口可能产生的进气涡流噪声。通过后续噪声功率试验场测量，顶盖优化后的冷却塔噪声比原结构下降 3.2 dB（A）。同时，由于进气涡流的减少，冷却塔流量和效率均得到提升。冷却塔各项性能满足客户要求，可以在内燃机车上顺利装车且平稳运行。参考文献1 孔丽君，刘俊杰，李建涛从柏林国际轨道交通技术展看机车车辆冷却系统技术现状J 铁道机车与动车，2017（10）：1-7，592 孔丽君机车和动车组冷却系统技术现状和发展趋势 J 内燃机车，2013（5）：1-83 战乃岩，刘志超，宁兆琪，等牵引变流器冷却单元的发展趋势J 科技风，2017（4）：241-2434 王定标，万方方，周俊杰蒸发式冷凝器异型扁管性能分析及数值模拟J 郑州大学学报（工业版），2010，31（2）：64-675 张振彬，袁树杰基于 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