Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy
Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy
Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Konference ANSYS 2009<br />
<strong>Proudění</strong> <strong>vzduchu</strong> v <strong>chladícím</strong> <strong>kanálu</strong> <strong>ventilátoru</strong><br />
<strong>lokomotivy</strong><br />
P. Šturm<br />
ŠKODA VÝZKUM s.r.o.<br />
Abstrakt: Příspěvek se věnuje optimalizaci průtoku <strong>vzduchu</strong> <strong>chladícím</strong> kanálem <strong>ventilátoru</strong><br />
<strong>lokomotivy</strong>. Optimalizace průtoku <strong>vzduchu</strong> probíhala jak různým rozmístěním tlumivek tak<br />
zkosením plochy nad vstupním hrdlem <strong>ventilátoru</strong>.<br />
Abstract: There are presented the results from the fan air flow optimization in the locomotive<br />
cooling channel in this article. The optimization was solved by the various arrangement of the<br />
chokes in the channel and also by chamfering of the face above the inlet fan nozzle.<br />
Klíčová slova: ventilátor, optimalizace, proudění, lokomotiva, chladící kanál<br />
Keywords: fan, optimization, convection, locomotive, cooling channel<br />
1. Úvod<br />
V příspěvku jsou uvedeny výsledky několika numerických simulací proudění <strong>vzduchu</strong> <strong>chladícím</strong><br />
kanálem <strong>lokomotivy</strong> zakončeným ventilátorem. Cílem úlohy byla optimalizace průtoku <strong>vzduchu</strong><br />
ventilátorem. Teoretické postižení rychlostního pole proudu <strong>vzduchu</strong> přes celou výpočtovou oblast<br />
představuje náročné řešení turbulentního proudění viskózní kapaliny. <strong>Proudění</strong> <strong>vzduchu</strong><br />
v omezeném prostoru (chladící kanál), je oproti volnému prostoru ovlivněno geometrií, resp.<br />
vlivem stěn (Coandův jev).<br />
verze 1 verze 2 verze 3<br />
Obr. 1 - Geometrické verze – různá rozmístění tlumivek s cílem usměrnit proud <strong>vzduchu</strong> pomocí<br />
tlumivek bez dalšího zásahu do vnitřní geometrie
TechSoft Engineering & SVS FEM<br />
Celkem se řešily 3 verze, které se lišily především v umístění tlumivek (obr.1). U druhé verze se<br />
pak ještě upravila náběžná hrana po celém obvodu vstupního hrdla <strong>ventilátoru</strong>. Třetí verze je opět<br />
se změněným rozmístěním tlumivek a dále je rozšířena o spodní vstupní šachtu. Tato verze pak<br />
sloužila i k posouzení vlivu zkosení plochy nad vstupním hrdlem <strong>ventilátoru</strong>.<br />
zkos 3<br />
zkos 2<br />
zkos 1<br />
Obr. 2 - Třetí geometrická verze se zobrazením zkosení ploch nad ventilátorem,<br />
zkos 1 = největší zkosení, zkos 3 = nejmenší zkosení<br />
2. Nastavení<br />
2.1 Okrajové podmínky<br />
Okrajové podmínky nejsou vždy jen konstantní veličiny, ale mohou nabývat hodnot definovaných<br />
funkcí, tabulkou, polynomem atd.<br />
Okrajová podmínka - Ventilátor:<br />
Jde o parametrický model, který je možné použít ke zjištění vlivu <strong>ventilátoru</strong> se známou<br />
charakteristikou na větší proudové pole, umožňuje zadat empirickou křivku <strong>ventilátoru</strong>, která<br />
udává vztah mezi počátkem (vzrůst tlaku) a velikostí rychlosti proudu skrz ventilátor.<br />
Charakteristika <strong>ventilátoru</strong>:<br />
Množství<br />
<strong>vzduchu</strong> [m 3 /s] 5,5 6,12 6,6 7,25 7,45 7,9 8,5 8,75 9,25<br />
Celkový tlak [Pa] 2935 2695 2410 2380 2100 1900 1075 1015 475<br />
Tab. 1 – Závislost průtočného množství <strong>vzduchu</strong> na celkovém tlaku
Konference ANSYS 2009<br />
Okrajové podmínky na stěnách:<br />
Graf 1 – závislost rychlosti proudění na tlaku<br />
Na stěně je možné nastavit teplotní podmínky pro přestup tepla, rychlost (u pohybujících se a<br />
rotujících stěn), smykové napětí, drsnost, podmínky pro příměs, chemické reakce, radiaci,<br />
podmínky pro vícefázové proudění, volnou hladinu. Ve všech řešených případech se neuvažovaly<br />
žádné energetické ztráty ani přírůstky, tzn. počítalo se bez tepelného ohřívání.<br />
2.2 Materiál<br />
Pro přesnou optimalizaci průtoku <strong>vzduchu</strong> ventilátorem je třeba přesně nastavit parametry<br />
proudícího média, v tomto případě <strong>vzduchu</strong>. Z hlediska proudění <strong>vzduchu</strong> a jeho obtékání těles je<br />
zásadním parametrem viskozita a hustota <strong>vzduchu</strong>.<br />
Viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření a závisí především na přitažlivých silách mezi<br />
částicemi. U plynů lze viskozitu považovat za nezávislou na tlaku plynu (s výjimkou velmi<br />
nízkých a velmi vysokých tlaků). Viskozita plynů stoupá s rostoucí teplotou, čímž se odlišuje od<br />
viskozity kapalin, u nichž viskozita s rostoucí teplotou klesá.<br />
3. Výsledky<br />
Z hlediska optimalizace průtoku <strong>vzduchu</strong> ventilátorem chladícího <strong>kanálu</strong> je důležité především<br />
rozložení dynamického tlaku v rovině nad ventilátorem (Obr.3), průtok jednotlivými segmenty<br />
vstupního hrdla <strong>ventilátoru</strong>. Charakter proudění je dobře znázorněn proudnicemi (Obr. 4.), které<br />
ukazují jakým způsobem se proud <strong>vzduchu</strong> v <strong>chladícím</strong> <strong>kanálu</strong> chová, kde dochází k zavíření<br />
<strong>vzduchu</strong>, kde se proud <strong>vzduchu</strong> škrtí a tím pádem urychluje, kde a jak mění směr apod.
TechSoft Engineering & SVS FEM<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
Obr. 3 - Kontury dynamického tlaku [Pa], rozsah stupnice je u všech verzí stejný – srovnání<br />
vlivu zkosení na tlak v rovině 10 mm pod sacím hrdlem <strong>ventilátoru</strong><br />
A) verze 1, B) verze 2, C) verze 3, D) verze 3: zkos 1 – největší zkosení,<br />
E) verze 3: zkos 2 - střední zkosení, F) verze 3: zkos 3 – nejmenší zkosení
Konference ANSYS 2009<br />
A B C<br />
Obr. 4 - Proudnice <strong>vzduchu</strong> zbarvené dle místa vstupu do výpočtového prostoru - srovnání vlivu<br />
zkosení na proud <strong>vzduchu</strong> před ventilátorem, verze 3:<br />
A) zkos 1 – největší zkosení, B) zkos 2 - střední zkosení, C) zkos 3 – nejmenší zkosení<br />
4. Závěr<br />
Cílem úlohy bylo optimalizovat tvar <strong>kanálu</strong>, resp. průtok <strong>vzduchu</strong> ventilátorem. Řešilo se celkem<br />
6 úloh, z nichž 3 se od sebe lišily rozmístěním tlumivek a další tři byly pak odlišné zkosením horní<br />
plochy nad vstupním hrdlem <strong>ventilátoru</strong>.<br />
<strong>Proudění</strong> <strong>vzduchu</strong> <strong>chladícím</strong> kanálem verze 1 (Obr. 1) ukázalo nutnost usměrnit proud <strong>vzduchu</strong><br />
více na střed <strong>ventilátoru</strong>, čemuž pomohlo nové uspořádání tlumivek ve verzi 2 a posléze i verzi 3<br />
(Obr. 1). I zde ale stále docházelo k velkému zavíření, proto se v dalších verzích výpočtů<br />
přistoupilo k úpravám geometrie a to zkosením horní plochy nad vstupním hrdlem <strong>ventilátoru</strong>.<br />
Tato zkosení se prováděla na poslední, doposud nejlépe vycházející verzi, tj. verzi 3.<br />
Zatímco u všech předchozích verzí zavíření <strong>vzduchu</strong> nad ventilátorem způsobovalo vytlačování<br />
nasávaného <strong>vzduchu</strong> mimo osu <strong>ventilátoru</strong>, pak při použití zkosené plochy nad vstupním hrdlem<br />
<strong>ventilátoru</strong> se tento efekt snižuje. Na Obr. 4 je zřetelně vidět vliv zkosení horní plochy na proud<br />
<strong>vzduchu</strong> nad ventilátorem.<br />
5. Reference<br />
1. Gebauer G., Rubinová O., Horká H., „Vzduchotechnika,“ Brno, 2005.<br />
2. Hanzlík J., Šťáva P., „Mechanika tekutin,“ VŠB-TU Ostrava 2002.<br />
3. Székyová M., Ferstl K., Nový R., „Větrání a klimatizace,“ Bratislava, 2006.<br />
6. Poděkování<br />
Příspěvek v rámci výzkumných úkolů Výzkumného centra kolejových vozidel, které je<br />
podporováno MŠMT ČR projektem č. 1M0519.
Change language