Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy P. Šturm ŠKODA VÝZKUM s.r.o. Abstrakt: Příspěvek se věnuje optimalizaci průtoku vzduchu chladícím kanálem ventilátoru lokomotivy. Optimalizace průtoku vzduchu probíhala jak různým rozmístěním tlumivek tak zkosením plochy nad vstupním hrdlem ventilátoru. Abstract: There are presented the results from the fan air flow optimization in the locomotive cooling channel in this article. The optimization was solved by the various arrangement of the chokes in the channel and also by chamfering of the face above the inlet fan nozzle. Klíčová slova: ventilátor, optimalizace, proudění, lokomotiva, chladící kanál Keywords: fan, optimization, convection, locomotive, cooling channel 1. Úvod V příspěvku jsou uvedeny výsledky několika numerických simulací proudění vzduchu chladícím kanálem lokomotivy zakončeným ventilátorem. Cílem úlohy byla optimalizace průtoku vzduchu ventilátorem. Teoretické postižení rychlostního pole proudu vzduchu přes celou výpočtovou oblast představuje náročné řešení turbulentního proudění viskózní kapaliny. Proudění vzduchu v omezeném prostoru (chladící kanál), je oproti volnému prostoru ovlivněno geometrií, resp. vlivem stěn (Coandův jev). verze 1 verze 2 verze 3 Obr. 1 - Geometrické verze různá rozmístění tlumivek s cílem usměrnit proud vzduchu pomocí tlumivek bez dalšího zásahu do vnitřní geometrie
TechSoft Engineering & SVS FEM Celkem se řešily 3 verze, které se lišily především v umístění tlumivek (obr.1). U druhé verze se pak ještě upravila náběžná hrana po celém obvodu vstupního hrdla ventilátoru. Třetí verze je opět se změněným rozmístěním tlumivek a dále je rozšířena o spodní vstupní šachtu. Tato verze pak sloužila i k posouzení vlivu zkosení plochy nad vstupním hrdlem ventilátoru. zkos 3 zkos 2 zkos 1 Obr. 2 - Třetí geometrická verze se zobrazením zkosení ploch nad ventilátorem, zkos 1 = největší zkosení, zkos 3 = nejmenší zkosení 2. Nastavení 2.1 Okrajové podmínky Okrajové podmínky nejsou vždy jen konstantní veličiny, ale mohou nabývat hodnot definovaných funkcí, tabulkou, polynomem atd. Okrajová podmínka - Ventilátor: Jde o parametrický model, který je možné použít ke zjištění vlivu ventilátoru se známou charakteristikou na větší proudové pole, umožňuje zadat empirickou křivku ventilátoru, která udává vztah mezi počátkem (vzrůst tlaku) a velikostí rychlosti proudu skrz ventilátor. Charakteristika ventilátoru: Množství vzduchu [m 3 /s] 5,5 6,12 6,6 7,25 7,45 7,9 8,5 8,75 9,25 Celkový tlak [Pa] 2935 2695 2410 2380 2100 1900 1075 1015 475 Tab. 1 Závislost průtočného množství vzduchu na celkovém tlaku
Okrajové podmínky na stěnách: Graf 1 závislost rychlosti proudění na tlaku Na stěně je možné nastavit teplotní podmínky pro přestup tepla, rychlost (u pohybujících se a rotujících stěn), smykové napětí, drsnost, podmínky pro příměs, chemické reakce, radiaci, podmínky pro vícefázové proudění, volnou hladinu. Ve všech řešených případech se neuvažovaly žádné energetické ztráty ani přírůstky, tzn. počítalo se bez tepelného ohřívání. 2.2 Materiál Pro přesnou optimalizaci průtoku vzduchu ventilátorem je třeba přesně nastavit parametry proudícího média, v tomto případě vzduchu. Z hlediska proudění vzduchu a jeho obtékání těles je zásadním parametrem viskozita a hustota vzduchu. Viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření a závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. U plynů lze viskozitu považovat za nezávislou na tlaku plynu (s výjimkou velmi nízkých a velmi vysokých tlaků). Viskozita plynů stoupá s rostoucí teplotou, čímž se odlišuje od viskozity kapalin, u nichž viskozita s rostoucí teplotou klesá. 3. Výsledky Z hlediska optimalizace průtoku vzduchu ventilátorem chladícího kanálu je důležité především rozložení dynamického tlaku v rovině nad ventilátorem (Obr.3), průtok jednotlivými segmenty vstupního hrdla ventilátoru. Charakter proudění je dobře znázorněn proudnicemi (Obr. 4.), které ukazují jakým způsobem se proud vzduchu v chladícím kanálu chová, kde dochází k zavíření vzduchu, kde se proud vzduchu škrtí a tím pádem urychluje, kde a jak mění směr apod.
TechSoft Engineering & SVS FEM A B C D E F Obr. 3 - Kontury dynamického tlaku [Pa], rozsah stupnice je u všech verzí stejný srovnání vlivu zkosení na tlak v rovině 10 mm pod sacím hrdlem ventilátoru A) verze 1, B) verze 2, C) verze 3, D) verze 3: zkos 1 největší zkosení, E) verze 3: zkos 2 - střední zkosení, F) verze 3: zkos 3 nejmenší zkosení
A B C Obr. 4 - Proudnice vzduchu zbarvené dle místa vstupu do výpočtového prostoru - srovnání vlivu zkosení na proud vzduchu před ventilátorem, verze 3: A) zkos 1 největší zkosení, B) zkos 2 - střední zkosení, C) zkos 3 nejmenší zkosení 4. Závěr Cílem úlohy bylo optimalizovat tvar kanálu, resp. průtok vzduchu ventilátorem. Řešilo se celkem 6 úloh, z nichž 3 se od sebe lišily rozmístěním tlumivek a další tři byly pak odlišné zkosením horní plochy nad vstupním hrdlem ventilátoru. Proudění vzduchu chladícím kanálem verze 1 (Obr. 1) ukázalo nutnost usměrnit proud vzduchu více na střed ventilátoru, čemuž pomohlo nové uspořádání tlumivek ve verzi 2 a posléze i verzi 3 (Obr. 1). I zde ale stále docházelo k velkému zavíření, proto se v dalších verzích výpočtů přistoupilo k úpravám geometrie a to zkosením horní plochy nad vstupním hrdlem ventilátoru. Tato zkosení se prováděla na poslední, doposud nejlépe vycházející verzi, tj. verzi 3. Zatímco u všech předchozích verzí zavíření vzduchu nad ventilátorem způsobovalo vytlačování nasávaného vzduchu mimo osu ventilátoru, pak při použití zkosené plochy nad vstupním hrdlem ventilátoru se tento efekt snižuje. Na Obr. 4 je zřetelně vidět vliv zkosení horní plochy na proud vzduchu nad ventilátorem. 5. Reference 1. Gebauer G., Rubinová O., Horká H., Vzduchotechnika, Brno, 2005. 2. Hanzlík J., Šťáva P., Mechanika tekutin, VŠB-TU Ostrava 2002. 3. Székyová M., Ferstl K., Nový R., Větrání a klimatizace, Bratislava, 2006. 6. Poděkování Příspěvek v rámci výzkumných úkolů Výzkumného centra kolejových vozidel, které je podporováno MŠMT ČR projektem č. 1M0519.