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38000字硕士毕业论文KZ4A-C型电力机车室内气流组织的试验研究及数值模拟

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38000字
论点:电力机车,司机,机车
论文概述:

本文主要采用CFD计算流体软件对Kz4AC型电力机车司机内的气流组织进行数值模拟,并通过对该型号司机室空调系统进行试验研究来验证模拟的结果。

论文正文:

第一章导言

1.1研究背景
目前,我国铁路电气化率已达36.7%,占铁路货运量的50%,经济效益和社会效益显著。根据《综合交通网络中长期发展规划》,到2020年,中国铁路里程将达到12万公里以上,其中60%将实现电气化。图11-1显示了中国过去20年的电气化里程及其在铁路总运营里程中所占的百分比。从图中可以看出,中国电气化铁路在过去十年中发展迅速,位居世界第二,进入世界电气化铁路的先进行列。随着中国电教铁路的发展,株洲南车集团从2003年到2005年先后向伊朗、乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦出口成套电力机车,表明中国的列车制造技术已经达到世界领先水平。
电力机车作为现代电气化铁路的重要组成部分,具有“重载高速”的特点。重载主要体现在高功率上,尤其是单轴功率的增加。我国电力机车的单轴功率从630千瓦增加到1000千瓦。调速经历了从DC传动到交流DC传动,然后进入交流DC交流传动的时代。目前,我国主要的调速方式是交流电机,它调节电力的频率和电压。由于出口机车运行环境条件较宽,黑色机车运行环境温度为40OC-50OC,哈尔滨机车运行环境温度为50oC-45oC,运行中受太阳辐射影响较大。此外,机车驾驶室的封闭结构的复杂组成和机车中大量的加热部件导致机车驾驶室中恶劣的工作条件。因此空调节系统已成为电力机车驾驶室中最重要的部件之一。

1.2电力机车空调度系统概述

1.2.1电力机车通风系统
我国电力机车通风系统已经从传统的单一设计模式转变为多样化的简化设计模式。简而言之,它的发展经历了一个从持续改进到简单统一再到自我整合的过程。一般来说,机车通风模式可分为三种:车体通风模式、独立通风模式和车顶夹层通风模式(见表1-1)。目前,我国直流电力机车和动力汽车组要求直接使用风冷冷却电气设备,对冷风干燥有严格要求。因此,他们大多数采用身体通风。另一方面,交流传动电力机车和动力汽车需要冷却的电气设备较少,少量雨水可以混合进来。因此,对空气体的含水量要求相对宽松,室内常采用无负压独立通风或屋顶夹层通风。

2.2电力机车驾驶室的特性空调节系统
列车的发展经历了从第一次工业革命中出现的蒸汽机车到内燃机车,再到最近几十年发展起来的电力机车的发展。世界上第一首火车空曲子出现在20世纪30年代,而电力机车空曲子出现得更晚。随着科学技术的不断发展,火车的速度也在加快,导致身体不适,已经在恶劣环境中工作的司机和助手注意力和反应能力降低。此外,当机车高速运行时,如果机车内的加热设备散热不好,会导致设备启动自我保护,因温度过高而停机。一家外国大学的研究报告指出,当室外环境温度为32℃时,无空规定的列车故障概率比有空规定的列车高40%。
在机车运行期间,司机和乘客应打开车门和车窗,定期检查机车或设备。此时,机械室内的室外热空气体和热空气体(电力机车机械室采用独立通风方式,冷却空气不与机械室内的空气体混合,机械室内的空气体温度相对较高,约40℃左右)进入驾驶室,导致驾驶室温度突然升高。因此,要求驾驶室空调节系统必须具有相对较高的温度。在铁道部颁布的标准TB/T2866-1997中,机车空规定部分也作了相应的规定:机车静止状态下,室内空规定的冷却速度不得低于8℃。
空调度单元根据其结构形式可分为整体空和拆分空调度单元。分割空调节分为室内单元和室外单元。split 空调节具有外形美观、款式多样、占地面积小、噪音低(小于40-50dB)、使用灵活等特点。它可以与多个室内单元和一个室外单元一起使用,并且室外单元的外部尺寸不受限制。然而,采用split 空调节一方面增加了成本,另一方面,很容易导致室内没有新鲜空气,并且增加了部件之间的连接管和接头,导致制冷剂泄漏和功耗的可能性增加。

第二章驾驶室空调度系统的测试与研究

2.1简介
从前面的介绍可以看出,驾驶室内良好的气流组织可以让人感觉舒适,增加人员的安全性。因此,为了评价机车司机室空调节系统的气流组织,本章首先在南车公司试验站对Kz4AC电力机车司机室进行了试验研究,测量了司机室中的一些代表性点和截面速度、温度值,并与后面的数值模拟结果进行了比较。同时,作为下一章计算模型的边界条件,测量了送风和回风参数。

2.2电力机车简介
试验对象为南车公司运输至哈萨克斯坦的Kz4AC电力机车。这种机车采用整体承重轻质结构体;设备安装在一个平面倾斜对称的整体机柜中。根据人体工程学设计的驾驶室符合中亚人的审美标准。机车的基本技术参数见表2-1。图21是测试电力机车的外部视图。

2.3机车驾驶室空调节系统
试验研究的空调节采用上送风和下送风的形式。空空气从后壁上的网格状供气口(如图212所示)送入驾驶室,开槽的回风口布置在后壁的下部(如图213所示)。在冬季供暖条件下,除了空法规提供的热空气外,还安装了驾驶室前部和后部驾驶员、左侧壁和右侧壁以及后壁下部的踏板位置。驾驶室的平面图如图2-5所示。

第三章驾驶室气流组织的数值模拟..............................39-58
3.1物理问题和模型确定..............................39-40
3.2湍流数学模型的建立..............................40-46
3.2.1数学模型的建立..............................40-44
3.2.2边界条件的确定..............................44-46
3.3数值计算方法..............................46-50
3.3.1电网发电技术..............................47-48
3.3.2离散..............................48
用于控制方程3.3.3流场的数值计算..............................48-49
3.3.4解决..............................49-50
3.4数值计算结果分析..............................50-55[/溴/] 3.4.1制冷条件的计算结果..............................50-52
3.4.2加热条件的计算结果..............................52-55[/比尔/] 3.5计算条件改善..............................55-57 [/BR/] 3.6本章概述..............................-58
第四章驾驶室气流组织评价..............................58-68 [/BR/] 4.1数值计算结果和试验结果..............................58-61 [/BR/] 4.2气流组织评价指标..............................61-63[/溴/] 4.2.1技术指标..............................61-62
4.2.2经济指标..............................62-63
4.3数值计算结果气流组织评价..............................63-67 [/BR/] 4.3.1气流组织合理性评价..............................63-65
4.3.2气流组织的均匀性..............................65-67 [/BR/] 4.3.3气流组织的经济评价..............................67
4.4本章概述..............................67-68

结论

过去很长一段时间,人们一直把研究重点放在空列车车厢的调节上,研究车厢内的空空气质量是否满足人员的热舒适要求,而忽略了驾驶员车厢内人员对空调节的要求。驾驶室空调节系统将在很大程度上影响人员效率,也将影响驾驶安全。为此,本文对株洲南车集团某型机车驾驶室内的空调节系统进行了试验研究,采用计算流体力学方法对驾驶室进行了三维数值模拟,并将计算结果与试验结果进行了对比,最终评价了驾驶室内的气流组织。通过本文所做的工作,可以得出以下结论:
1。试验结果表明,机车司机室的传热系数大于普通客车空。普通客车空的传热系数不超过1.16瓦/(mzk),但驾驶室的传热系数推荐范围为1.7-2.3瓦/(mzk)。因此,驾驶室单位面积的冷却能力空远大于普通客车空并且通过实验计算出驾驶室的传热系数为2.2995 w/(mzk)。
2。在室内布置的测量点,通过试验测得的速度、温度和相对湿度值均符合欧洲电力机车驾驶室UIC651标准的规定,驾驶室空的加热效率(冷却效率)也能满足最不利工况下加热(冷却)到规定温度的时间不超过45分钟(ZOM in)的要求。驾驶室内外的压差将随着车速的增加而减小,影响空的效果。因此,有必要确保房间内外的压差不小于30Pa。本文测量的机车静止时室内室外压差为IOS.3Pa。
3。通过将考虑太阳辐射影响的模拟结果与原始模拟结果进行比较,发现由于各个方向的太阳辐射强度不同,列车运行时各个方向的室外综合温度也不同,室内应用时室内垂直温度梯度增大。
4。通过对离驾驶室后壁1/3和2/3处截面的数值计算结果与试验测量数据进行比较,发现数值计算结果与试验数据的变化趋势一致,能够保证数值模拟在试验允许误差范围内具有较高的可靠性和准确性。此外,数值模拟还可以对驾驶室的整体和局部气流组织进行详细分析,可以作为试验研究驾驶室的辅助手段。