制动电阻散热特性及其瞬态温度响应仿真模型研究

论文摘要

随着经济和社会的飞速发展,高速机车在各大城市越来越普遍;高速机车在运行过程中,会频繁的加速减速,要求机车制动系统有良好的制动效果和稳定性;目前大多数高速机车采用电阻制动。为了防止电阻片由于温度的升高而变形甚至损坏,必须准确地对电阻片瞬态温度进行分析、预测和监控,从而保证机车安全可靠的运行。本文通过数值模拟计算分析电阻片的散热特性,在此基础上开发出整个电阻器瞬态温度响应仿真软件,为制动电阻热设计提供坚实的理论基础。本文对制动电阻表面传热过程进行了分析,建立了二维稳态模型,对湍流进口段采用了采用标准k-ε湍流模型进行了相应的数值模拟计算,计算区域离散采用四边形网格划分,壁面处湍流采用加强壁面函数法进行处理;从而得到了不同工况条件下的对流换热系数,并拟合得到了相应的换热关联式。数值分析结果与入口速度充分发展的热进口段问题分析解进行了对比分析,并与实验数据进行比较,验证本文的数值计算结果是正确合理的。然后基于集总参数系统方法建立了的制动电阻瞬态温度变化模型,并研制了相应的仿真计算程序,针对南京地铁制动电阻运行工况下电阻瞬态温度变化进行了仿真。仿真计算得到的电阻器最高瞬态温度与实测结果十分接近,表明本文建立的仿真模型可用于预测制动电阻瞬态温度变化过程。最后,针对电阻片内风速不均匀性,建立了整个电阻片的三维模型,采用控制容积有限元法进行求解,控制方程的对流项采用二阶上风格式进行离散,扩散项采用线性插值多项式进行计算;速度和压力偶合采用SIMPLE算法处理。通过流场数值模拟得到电阻器前有、无导流挡板情况下,各个电阻器内速度分布均匀度,为工程设计提供理论指导,并为进一步研究奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 平行平板间对流换热
• 1.2.2 进口段对流换热问题
• 1.2.3 电阻器的瞬态热特性
• 1.3 研究目标和内容
• 2 电阻带间换热特性数值模拟
• 2.1 电阻带间流动换热的物理数学模型
• 2.2 物理模型
• 2.3 数值求解计算
• 3 计算结果数据处理及分析
• 3.1 计算工况
• 3.2 流场特性
• 3.3 换热系数计算结果
• 3.3.1 湍流定壁温
• 3.3.2 湍流定壁面热流密度
• 3.4 公式拟合
• 3.4.1 湍流定壁温
• 3.4.2 湍流定热流密度
• 3.5 阻力系数
• 3.5.1 湍流阻力系数
• 3.6 数值计算结果比较分析
• 3.6.1 计算结果分析
• 3.6.2 模拟结果和实验数据比较
• 4 制动电阻瞬态温度仿真模型
• 4.1 制动电阻传热过程分析
• 4.2 有内热源物体非稳态导热的集总参数法
• 4.3 电阻器瞬态温度变化模型
• 4.3.1 一个电阻器单元瞬态温度变化模型
• 4.3.2 整个电阻器瞬态温度变化模型
• 4.3.3 电阻片单元的计算
• 4.4 整个电阻器瞬态温度变化的数值求解方法
• 4.5 软件设计
• 4.5.1 工况选择
• 4.5.2 参数输入
• 4.5.3 结果察看
• 4.6 仿真计算结果的实验验证
• 4.6.1 实验装置及测试方法
• 4.6.2 测试结果
• 4.6.3 模拟结果与实测结果的比较
• 5 电阻柜三维流场数值模拟
• 5.1 物理模型
• 5.2 网格建模
• 5.3 数值方法及收敛策略
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 数值模拟流场结果
• 5.4.2 数值模拟结果和实验结果分析比较
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录