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    電力論文發(fā)表期刊發(fā)電列車(chē)車(chē)下燃油箱保溫性能

    所屬分類(lèi):電子論文 閱讀次 時(shí)間:2015-04-22 17:11

    本文摘要:摘要: 基于CFD理論,應(yīng)用STARCCM+仿真某發(fā)電列車(chē)車(chē)下燃油箱在給定高寒工況下的保溫性能.在考慮列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)外流場(chǎng)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

      摘要: 基于CFD理論,應(yīng)用STARCCM+仿真某發(fā)電列車(chē)車(chē)下燃油箱在給定高寒工況下的保溫性能.在考慮列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)外流場(chǎng)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(jì)參考.

      關(guān)鍵詞: 發(fā)電列車(chē); 燃油箱; 保溫材料; 燃油結(jié)蠟; CFD 發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)

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      引言

      鐵路飛速發(fā)展的今天,雖然高速動(dòng)車(chē)組的普及率越來(lái)越高,但受多方面因素制約,仍有很多地域沒(méi)有鋪設(shè)電氣化鐵路(如某些高寒地區(qū)).這些區(qū)域列車(chē)的電器用電靠專(zhuān)用發(fā)電列車(chē)供給.燃油箱是發(fā)電列車(chē)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(chē)下底架上.但是,當(dāng)發(fā)電列車(chē)行駛在高寒地區(qū)時(shí),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(shí)會(huì)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(chē)除需使用特種標(biāo)號(hào)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(guó)內(nèi)對(duì)類(lèi)似保溫箱(罐)體的性能研究主要集中在隔熱涂料方面 [27],對(duì)具體結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少[8].隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,運(yùn)用仿真手段可以方便地模擬結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的狀態(tài),彌補(bǔ)試驗(yàn)手段的不足,提高認(rèn)識(shí)的量化程度.本文以運(yùn)行在高寒地區(qū)的某發(fā)電列車(chē)燃油箱為研究對(duì)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(jì)和改進(jìn).

      1仿真模型建立

      CFD是近年來(lái)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(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合,數(shù)值求解描述不同種類(lèi)流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)、輸運(yùn)、相變等數(shù)值解.CFD還可與計(jì)算傳熱學(xué)結(jié)合,聯(lián)立求解能量守恒方程,預(yù)報(bào)溫度分布、傳熱、燃燒等過(guò)程的細(xì)節(jié),使得CFD成為傳熱裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的有力工具.本文基于CFD技術(shù),利用STARCCM+分析燃油箱在列車(chē)行進(jìn)狀態(tài)時(shí)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(chē)設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h,運(yùn)營(yíng)環(huán)境最低平均溫度約-50 ℃.燃油箱結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1,其整體采用類(lèi)似“三明治”的“外箱+保溫材料+內(nèi)箱”結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)容積約3 200 L;內(nèi)、外箱體通過(guò)加強(qiáng)筋框架連接,內(nèi)箱設(shè)有若干開(kāi)孔擋板以控制燃油晃動(dòng);箱體頂部設(shè)大開(kāi)孔為注油孔,兩側(cè)分別布有6個(gè)檢修孔.

      為適應(yīng)惡劣的高寒環(huán)境,燃油箱設(shè)計(jì)時(shí)在內(nèi)箱底面鋪設(shè)功率為5 000 W的伴熱線等其他主動(dòng)保溫措施.為考慮列車(chē)運(yùn)行對(duì)燃油箱保溫性能的影響,模型引入簡(jiǎn)化的車(chē)外流場(chǎng).本文約定,模型中x軸為縱向即列車(chē)運(yùn)行方向,y軸為橫向,z軸為垂向,重力方向?yàn)樨?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(shí)可僅選擇對(duì)應(yīng)的常量,箱體框架為耐候鋼,保溫材料為福樂(lè)斯,燃油為輕柴油,外流場(chǎng)工質(zhì)為空氣,材料屬性見(jiàn)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(jì)算域,相對(duì)傳統(tǒng)四面體網(wǎng)格,其具有計(jì)算性?xún)r(jià)比較高、擁有相對(duì)更多的毗鄰單元、計(jì)算變量的梯度過(guò)渡相對(duì)平滑等諸多優(yōu)點(diǎn).[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(jì)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(jì)厚度相對(duì)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(guò)附加激活STARCCM+特有的Thin Mesher選項(xiàng),成功將箱體離散為高質(zhì)量、分層化、節(jié)點(diǎn)完全連續(xù)的薄壁層網(wǎng)格,實(shí)現(xiàn)在保持多面體網(wǎng)格獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的同時(shí)有效控制整體網(wǎng)格數(shù)目.最終計(jì)算域網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2,其中多面體單元6 102 606個(gè),頂點(diǎn)28 148 967個(gè),內(nèi)部面33 275 468個(gè).

      1.3邊界條件施加

      設(shè)車(chē)外來(lái)流速度為100 km/h,來(lái)流溫度為-60 ℃.在內(nèi)箱底面激活熱源項(xiàng),模擬伴熱線生熱,源項(xiàng)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(guò)軟件耦合求解界面處的傅里葉熱傳導(dǎo)方程,實(shí)現(xiàn)各區(qū)域之間的傳熱模擬.在流場(chǎng)分析時(shí),軟件自動(dòng)計(jì)算和添加燃油箱與外界接觸面的對(duì)流換熱系數(shù),如非特殊要求,無(wú)須人為設(shè)置.需要說(shuō)明的是,受轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響,列車(chē)車(chē)下空氣的平均流速通常明顯低于其運(yùn)行速度[10],所以本文模擬的工況比實(shí)際惡劣許多,借此強(qiáng)化考核保溫材料的性能.

      1.4計(jì)算參數(shù)設(shè)置

      選取Boussinesq模型描述燃油流動(dòng),模擬燃油因溫度梯度產(chǎn)生的自然對(duì)流,同時(shí)考慮燃油內(nèi)部的流動(dòng)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(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng).激活傳熱分析選項(xiàng),實(shí)現(xiàn)在模擬流動(dòng)時(shí)耦合計(jì)算熱量傳遞過(guò)程.所有參數(shù)的迭代誤差閾值均設(shè)為1×10-4.

      2計(jì)算結(jié)果分析

      外界空氣流速越高,物體表面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)越大,散熱效果越明顯.[11]燃油箱周?chē)諝饬魉俜植家?jiàn)圖3,可知:受路徑截面突變影響,車(chē)下來(lái)流在箱頂迎風(fēng)區(qū)域和箱底附近的流速均高于列車(chē)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(qiáng);而來(lái)流在箱體其他區(qū)域附近流動(dòng)緩慢,強(qiáng)迫對(duì)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(jiàn)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(chē)下來(lái)流強(qiáng)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(shuō)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(lè)斯,使得箱體內(nèi)外溫差相對(duì)小很多,只有兩側(cè)開(kāi)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(jiàn)圖5,可知:低溫燃油集中在各吊掛和開(kāi)孔附近,最低溫度約-43 ℃,因?yàn)槭苤圃旃に囍萍s,這些區(qū)域無(wú)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(kāi)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(shí)其所在位置全部遠(yuǎn)離抽油部位,說(shuō)明此時(shí)絕大部分燃油仍可供正常使用.如果在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)能注意補(bǔ)強(qiáng)圖6所示部位的保溫性能,無(wú)疑將進(jìn)一步保證燃油箱在極端惡劣的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下也不會(huì)失效.

      3結(jié)論

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

      (1)車(chē)下來(lái)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(duì)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(kāi)孔等燃油箱體與外界直接接觸的區(qū)域,不過(guò)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(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意補(bǔ)強(qiáng)這些區(qū)域的保溫性能.

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