发电列车车下燃油箱保温性能CFD仿真
2022-06-09
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.
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.