空气在高壁温通道内传热特性研究

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论文导读:采用数值模拟的方法。数值模拟,空气在高壁温通道内传热特性研究。
关键词:高壁温,传热特性,数值模拟,等热流
 

0 前言

电力机车在电制动时将机车的动能转变为电能,部分电能消耗在电阻制动带上而变为热能。如果电阻制动带上的热量不能有效散失,电阻制动带就容易断裂或搭接在一起,对行车安全造成严重威胁。为解决这一问题,必须改进电阻制动带结构,使其在空气流经其表面时能带走更多热量,从而降低电阻制动带表面温度,使制动带的作用得以充分发挥,因此了解电阻制动带通道内的流动与换热情况就十分必要。本文作者已经对空气在低Re数、常物性情况下韶山七型电阻制动带通道内的流动与换热特性作过研究。由于电阻制动带上通过的电流较大,而电阻制动带的电阻很小,故机车在电制动时,电阻制动带壁面上的温度会很高(最高可达六百多摄氏度),因此空气密度的变化不可忽略。本文以韶山七型电力机车的电阻制动带为对象,采用数值模拟的方法,研究了空气在低Re数、变密度情况下电阻制动带通道内的换热特性。

1物理模型和数学公式

韶山七型电阻制动带的物理模型如图1所示,其中图 1(a)是电阻制动带的一个通道,图1(c)是图1(a)中截面P-P的平面图。图1(b)是本文的计算区域,为方便说明计算中采用的边界条件,我们把图1(b)中截面N-N截取出来并作了相应的标示,如图 1(d)所示。

图1中XL,YL,ZL分别为计算区域的长宽高,长度分别为26mm,15 mm,27 mm,图1(c)中KS为开缝长度L,α为攻击角,计算中开缝长度和攻击角是可变参数,开缝长度L分别取为6mm,5mm,4mm,攻击角α分别取为20°,30°,40°。

为了能照顾到可压缩流动中由于摩擦而消耗机械能,由于体积变化而引起的速度的散度(▽·u )和动量不再为零的情况,通用的对流扩散方程宜进一步改写为

(1)

式中为通用变量,可以代表1, u, v, w, T等求解变量;为广义扩散系数; ,分别代表由于压力及速度而引起的源项。

进、出口为周期性边界条件:

(2)

式(2)中为无量纲温度,其定义为:

(3)

式中为截面上空气平均温度,为截面上壁面平均温度,其定义式为:

(4)

其中在本文中代表截面上壁面的面积。

壁面BC,DE,FG,HI, JK, MA边界条件:

, ,

, . (5)

式中为壁面上热流密度。

上、下面(图1(b)中QQ’R’R面和TT’S’S面)边界条件:

, ,

, .(6)

式中 表示法线方向。

压力进出口边界条件:

(7)

图1(d)和图1(b)中的物理平面通过两面法转换为适体坐标下的计算平面,其生成的网格如图2所示。科技论文,数值模拟。科技论文,数值模拟。

 

 
 

 

 

图2 计算中采用的网格示意图

 

直角坐标系(x ,y ,z)中的控制方程变换到适体坐标系中为:

(8)

式中:ξ, η,为适体坐标轴方向符号,为计算平面与物理平面的转换因子,逆变速度U,V,W及Jacobi因子可表示为:

,

,

,

(9)

 

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