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原文传递列车制动电阻带热电耦合模型及传热特性研究

论文题名：	列车制动电阻带热电耦合模型及传热特性研究
关键词：	列车制动;百叶窗翅片;热电耦合;强化传热;数值模拟
摘要：	制动电阻是高速列车电阻制动和再生制动系统的重要部件，广泛应用于各类轨道车辆。列车制动时将动能转换为电能，再通过制动电阻将多余电能以热能的形式散逸到大气中，以此实现列车平稳安全的减速停车。制动电阻在列车制动过程中承受着较大功率和温度变化，导致局部过热损坏，引起行车安全隐患。因此提高列车制动电阻的换热性能、避免制动电阻局部过热失效成为普遍关注的问题。以往的研究大多集中于列车制动电阻带通道内空气侧的流动和传热特性，没有考虑温度变化对材料电阻的影响，忽略了电阻不均匀性导致的制动电阻带表面局部高温对换热性能的影响。　　本文建立了制动电阻带的热电耦合模型，采用数值方法在湍流工况下研究了百叶窗式制动电阻带的耦合传热特性，探究了导电和传热性能之间的影响。同时在雷诺数Re=2500~25000的范围，对比等热流边界条件下的数值结果分析了两者传热特性的异同。在此基础上，以热电耦合模型对比分析了平直式和百叶窗式两种不同制动电阻带的耦合传热特性。最后分析了百叶窗结构参数（开缝长度L、开缝角度θ以及开缝宽度W）对制动电阻带热电耦合特性的影响，得到以下结论：　　（1）制动电阻带的热电耦合特性主要受流动的影响，耦合传热能力随着雷诺数的增大而增大，制动电阻带表面温度显著降低；电场分布主要由电流方向上的结构特征决定，单位时间内产生的焦耳热随着雷诺数的增大而增大。　　（2）相较于等热流边界条件，热电耦合模型的数值结果可显著的表现制动电阻带表面的局部传热特性；两者平均传热特性的数值结果相似，在Re=2500时差别最大可达13.33%，且随着雷诺数的增大差别逐渐减小。　　（3）百叶窗式制动电阻带相较于平直式具有较好的综合传热性能，在所计算的Re=2500~25000范围，JF在1.03~1.31之间。百叶窗结构可有效降低制动电阻带表面的温度，平均温度相较于平直式制动电阻带降幅在50.57%~103.28%。　　（4）百叶窗式制动电阻带的平均Num和阻力系数f均随着百叶窗开缝长度、开缝角度以及开缝宽度的增大而增大，表面温度随着开缝长度、角度及宽度的增大而降低，在所研究的参数范围内，表面平均温度的降幅最大可达46.56%。　　（5）当L=5mm，θ=30o，W/L=3.2时百叶窗式制动电阻带获得最佳的综合强化传热性能，在Re=8000时其综合强化传热因子JF可达1.31。　　（6）在所研究的结构参数范围内，百叶窗式制动电阻带局部高温出现在沿流动方向后排的百叶窗肋片和相邻百叶窗之间的区域。增大开缝长度对百叶窗肋片及纵向百叶窗之间区域的降温作用显著，当Re=10000时表面局部温度降幅可达19.63%；增加开缝角度可有效降低百叶窗肋片区域的高温，使制动电阻带表面温度分布均匀，不同开缝角度的表面局部温度降幅最大为32.67%；增大开缝宽度有助于减小横向百叶窗之间的高温区域，表面局部温度降幅可达23.19%。
作者：	陈福鹏
专业：	车辆工程
导师：	林志敏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022