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1、国际联运车采暖散热器优化选型国际联运车采暖散热器优化选型摘耍：本文采用Fluent对国际联运车散热器形式进行仿真优化，得到两种翅片管的散热量、金属热强度、换热系数等热工性能，以散热量及金属热强度较大为目标函数，实现对国际联运车采暖散热器类型的确定。关键词：国际联运车翅片管流动特性热工性能中图分类号：TU832文献标识码：A国际联运车（北京-乌兰巴托-莫斯科）的运行区间横贯欧亚大陆,跨越北纬39.92°到北纬55.45°之间，由温带季节气候带跨向典型的温带大陆气候带，全程7826公里，是中国铁路开行里程最长的旅客列车。列车运行沿线地区自然环境恶劣，
2、具有太阳辐射强度大、风沙大、空气干燥等气候特点，尤其冬季气温低。根据气候资料分析[1],线路近十年最低气温为-45°Co对于车厢内的散热末端，考虑列车特殊的运行环境及狭长的车厢尺寸的限制，联运车散热器形式选用径向翅片管散热器。不同于建筑,由于列车耗热量大小的车体体型系数较大，且列车维护结构为金属，虽然采用保温措施，但其车体传热系数也较大，且车体传热系数随着列车运行车速的增加而增大，使得相同散热面积的耗热量比建筑的大。国际联运车升级前，采暖系统使用燃煤锅炉加热热水，散热系统末端采用圆翅片管（基管直径75.5mm.翅片间距9伽、翅片外径120mm）,
3、其散热能力无法满足车厢对散热量的要求，因此对散热器的散热强度提出更高的要求。列车在运行过程中车体是封闭的，可将散热器置于自然对流下进行研究[2],本文应用Fluent对原车使用的圆翅片管形式及一种螺旋翅片形式的翅片管在自然对流下进行仿真模拟研究，对比翅片管的热工性能及工艺性，以散热量、金属热强度为目标函数选择性能较优的翅片管形式。1研究对象及数学模型如图1所示的两种结构形式的翅片管为本文研究的物理模型。翅片管材料为铸铁，假设材料均匀且各向同性、稳态，研究对象放置在环境温度Tf=22°C的空间内，基管内壁温为恒温80°C,可近似把问题看成为-:维、
4、稳态、常物性、有内热源的导热和对流换热的耦合问题。基管外径D,基管内径d,基管厚度a,翅片外径II,翅片间距1,翅片厚度5O翅片与基管是由相同材料组成的整体，且翅片管基管的外径、内径、基管厚度、翅片管厚度固定，其他参数在一定范围内变化。a螺旋翅片管b圆翅片管图1两种结构形式的翅片管边界条件：本文研究对象是在自然对流下进行，因此可看作大空间内自然对流的问题，研究模型取翅片管长度的0.101m,将其放置在lmXlmXlm^闭空间的中央，翅片管基管内壁为恒壁温80°C,翅片管四周为墙壁，计算区域内为空气，空气的温度为22°C。计算区域内空气受到翅片管的
5、加热密度发生变化从而发生自然对流。对于本问所研究的模型，翅片管基管恒壁温80°C,周围空气的温度恒定在22°C,则定性温度，可得出其定性温度二51°C,通过查表得出空气的物性参数:=1.093kg/m3,=17.95X10-6m2/s,=25.7X10-6m2/s,=0.698,空气的容积膨胀系数［3］可由公式(1),B
6、J：(1)式中：一受壁面温度影响空气的密度，kg/m3；一未受壁面温度影响的周围空气密度，kg/m3；、一未受壁面温度影响的周围空气温度和受壁面温度影响的空气温度，Ko求出，其结果二0.002933,由公式(2)(2)可求岀该定
7、性温度下，二1.087X109。则可得出二二7.58X108,通过判别可知，翅片管空气侧流态为层流，因此所研究翅片管可选用层流模型。计算方案的确定：固定圆翅片管及螺旋翅片管的基管外径75.5mm、翅片间距9mm,改变翅片外径，分别为100mm、110mm>120mm>130mm、140mn)不同翅片管结构形式进行模拟分析，其不同结构形式计算方案见表1所示。2热工性能的对比散热量通过对长度为0.101m、翅片间距为9mm,不同外径的圆翅片管及螺旋翅片管的模拟得出其散热量如图1所示。随着翅片外径的增大，圆翅片管及螺旋翅片管均增大，其主要原因是翅片外径
8、的增加，其换热面积也随着增大，因此散热量也不断增大。从图中我们也可以得出,不同外径下，螺旋翅片管的散热量大于圆翅片管。这是由于长度相同、翅片间距相同的两种形式的翅片管相比，螺旋翅片管的面积要大于圆翅片管，面积的增大是导致前者的散热量大于后者的主要原因。图1螺旋翅片管及圆翅片管散热量比较图2螺旋翅片管及圆翅片管换热系数比较换热系数本文传热模型中均不考虑辐射问题，因此换热系数即为翅片管空气侧的对流换热系数，其定义为单位传热面积单位平均温差下的散热量。即：(3)其中，；为管壁温度，为周围空气的温度。由图2可以看出两种形式的翅片管随着翅片外径的增大，其换
9、热系数有所减小，且圆翅片管的传热系数大于螺旋翅片管的传热系数。究其原因是增大翅片外径，使肋化效率变得更小，有效换热面积变大，这样虽然能强
