发电列车车下燃油箱保温性能CFD仿真

林鹏等

摘要： 基于CFD理论，应用STARCCM+仿真某发电列车车下燃油箱在给定高寒工况下的保温性能.在考虑列车运行时车外流场影响的基础上，耦合分析箱体、保温材料和燃油等的温度分布特性，找出燃油可能发生结蜡的区域.给出相关分析结论和改进建议，为保证燃油箱拥有稳定的工作性能提供可靠的设计参考.

关键词： 发电列车； 燃油箱； 保温材料； 燃油结蜡； CFD

中图分类号： U273.95；TB115.1文献标志码： B

Abstract： Based on the CFD theroy， the thermal insulation performance of the fuel tank under a certain generator train is simulated by STARCCM+ in a given extremely cold working condition. Considering the effect of vehicle external flow field when the train is running， the coupling analysis is performed on the temperature distribution characteristics of the tank body， thermal insulation material， fuel oi， and so on， and the possible wax deposition regions of the fuel oil are found. The corresponding design conclusions and improvement suggestions are proposed， which provide reliable design reference for the stable working performance of the fuel tank.

Key words： generator train； fuel tank； thermal insulation material； fuel oil wax deposition； CFD

引言

铁路飞速发展的今天，虽然高速动车组的普及率越来越高，但受多方面因素制约，仍有很多地域没有铺设电气化铁路（如某些高寒地区）.这些区域列车的电器用电靠专用发电列车供给.燃油箱是发电列车不可或缺的设备，装载大容量柴油，通常以吊挂方式安装在车下底架上.但是，当发电列车行驶在高寒地区时，低温容易使柴油中有蜡晶体析出，并聚集和沉积在箱内壁等固相表面，即出现柴油结蜡现象，严重时会导致柴油质量下降、吸油泵堵塞等危害.[1]因此，高寒地区的发电列车除需使用特种标号的柴油以外，其燃油箱还必须拥有出色的隔热保温性能.

目前，国内对类似保温箱（罐）体的性能研究主要集中在隔热涂料方面 [27]，对具体结构的研究相对较少[8].随着计算机的快速发展，运用仿真手段可以方便地模拟结构在不同时刻的状态，弥补试验手段的不足，提高认识的量化程度.本文以运行在高寒地区的某发电列车燃油箱为研究对象，基于CFD理论分析其在指定工况下的隔热保温性能，指导燃油箱的结构设计和改进.

1仿真模型建立

CFD是近年来迅速发展的边缘学科，其将近代流体力学、数值科学与计算机科学相结合，数值求解描述不同种类流体运动和传热传质规律的偏微分方程组，得到确定边界条件下的工质流动、输运、相变等数值解.CFD还可与计算传热学结合，联立求解能量守恒方程，预报温度分布、传热、燃烧等过程的细节，使得CFD成为传热装置优化设计的有力工具.本文基于CFD技术，利用STARCCM+分析燃油箱在列车行进状态时的隔热保温性能.

1.1几何模型和材料参数

所研究的发电列车设计时速为100 km/h，运营环境最低平均温度约-50 ℃.燃油箱结构示意见图1，其整体采用类似“三明治”的“外箱+保温材料+内箱”结构，设计容积约3 200 L；内、外箱体通过加强筋框架连接，内箱设有若干开孔挡板以控制燃油晃动；箱体顶部设大开孔为注油孔，两侧分别布有6个检修孔.

为适应恶劣的高寒环境，燃油箱设计时在内箱底面铺设功率为5 000 W的伴热线等其他主动保温措施.为考虑列车运行对燃油箱保温性能的影响，模型引入简化的车外流场.本文约定，模型中x轴为纵向即列车运行方向，y轴为横向，z轴为垂向，重力方向为负z方向.

在本文考虑的温度范围内，各部件的材料属性随温度变化的幅度较小，分析时可仅选择对应的常量，箱体框架为耐候钢，保温材料为福乐斯，燃油为轻柴油，外流场工质为空气，材料属性见表1.

1.2网格划分

选用STARCCM+倡导的多面体网格离散计算域，相对传统四面体网格，其具有计算性价比较高、拥有相对更多的毗邻单元、计算变量的梯度过渡相对平滑等诸多优点.[9]此外，CFD传热分析要求离散后的结构在各尺寸方向均有足够多的网格，否则计算结果不可靠甚至导致发散.但是，箱体钢板的设计厚度相对保温材料等小很多，最薄处仅为1 mm，若全部划分为多面体网格，模型规模必然急剧增大.因此，通过附加激活STARCCM+特有的Thin Mesher选项，成功将箱体离散为高质量、分层化、节点完全连续的薄壁层网格，实现在保持多面体网格独特优势的同时有效控制整体网格数目.最终计算域网格分布见图2，其中多面体单元6 102 606个，顶点28 148 967个，内部面33 275 468个.

1.3边界条件施加

设车外来流速度为100 km/h，来流温度为-60 ℃.在内箱底面激活热源项，模拟伴热线生热，源项大小为5 000 W.在箱体、保温材料和燃油等区域的连接处设置接触界面，通过软件耦合求解界面处的傅里叶热传导方程，实现各区域之间的传热模拟.在流场分析时，软件自动计算和添加燃油箱与外界接触面的对流换热系数，如非特殊要求，无须人为设置.需要说明的是，受转向架等复杂结构的影响，列车车下空气的平均流速通常明显低于其运行速度[10]，所以本文模拟的工况比实际恶劣许多，借此强化考核保温材料的性能.

1.4计算参数设置

选取Boussinesq模型描述燃油流动，模拟燃油因温度梯度产生的自然对流，同时考虑燃油内部的流动和热传递.选取基于雷诺平均法的kε模型和壁面函数描述湍流.采用二阶迎风格式离散各对流项和扩散项.激活传热分析选项，实现在模拟流动时耦合计算热量传递过程.所有参数的迭代误差阈值均设为1×10-4.

2计算结果分析

外界空气流速越高，物体表面的强迫对流换热系数越大，散热效果越明显.[11]燃油箱周围空气流速分布见图3，可知：受路径截面突变影响，车下来流在箱顶迎风区域和箱底附近的流速均高于列车行进速度（局部达到166 km/h），这部分区域散热效果更强；而来流在箱体其他区域附近流动缓慢，强迫对流换热效果极不明显.

燃油箱整体和保温材料的温度分布见图4，可知：油箱整体温度在-60 ℃至43 ℃之间变化，并且在伴热线作用下，油箱底部区域温度最高；受车下来流强迫散热的影响，位于迎风侧的各结构温度均明显低于背风侧；保温材料整体内外温差很大，说明其隔热性能良好；而耐候钢的导热系数远高于福乐斯，使得箱体内外温差相对小很多，只有两侧开孔和吊挂等直接与燃油接触的区域温度较高.燃油的温度和流速分布见图5，可知：低温燃油集中在各吊挂和开孔附近，最低温度约-43 ℃，因为受制造工艺制约，这些区域无法填充保温材料，造成内箱直接与外界接触；高温燃油分布于油箱底部，最高温度约为43 ℃；其余绝大部分燃油的温度分布均匀，其整体平均温度约为1.1 ℃，高于对应结蜡温度；此外，由于温差作用，燃油内部出现低速的自然对流现象，在一定程度上加速热量的传递.易结蜡（温度低于-20 ℃）燃油的分布示意见图6.由图6可知，易结蜡部位主要集中贴近在各吊挂和开孔等燃油箱体与外界直接接触的区域.这部分燃油所占比例很小，同时其所在位置全部远离抽油部位，说明此时绝大部分燃油仍可供正常使用.如果在实际生产时能注意补强图6所示部位的保温性能，无疑将进一步保证燃油箱在极端恶劣的运营状态下也不会失效.

3结论

基于CFD理论，使用STARCCM+仿真分析某发电列车燃油箱在给定强化高寒工况下的隔热保温性能，并给出对应设计改进建议.主要结论如下：

（1）车下来流在箱顶迎风区域和箱底附近的流速较高，散热效果更明显，使得位于迎风侧的燃油箱各结构温度均明显低于背风侧.

（2）由于存在温度差异，箱内燃油出现自然对流，在一定程度上加速燃油内部的热量传递，但其流速并不高.

（3）容易发生结蜡的燃油分布于各吊挂和开孔等燃油箱体与外界直接接触的区域，不过其所占比例很小，所在位置也全部远离抽油部位，产生的不利影响很小.在实际生产时应注意补强这些区域的保温性能.参考文献：

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