Компьютерная оценка теплоизоляционных свойств кабины электровоза
В мировом авиа- и автомобилестроении компьютерное моделирование микроклимата помещений и анализ комфортности теплового режима уже давно являются обязательными этапами проектирования новых изделий. Более того, некоторые автопроизводители, например Jaguar Land Rover, полностью заменили промежуточные испытания численными расчетами. Испытания проводятся только на конечном прототипе. Причиной широкого применения компьютерного моделирования являются высокая точность и достоверность численных результатов, обеспечивающие возможность оптимизации разрабатываемых конструкций на всех этапах проектирования, сокращение сроков разработки и объемов испытаний новых изделий. Относительно низкая стоимость расчетов позволяет в сжатые сроки проводить анализ большого числа модификаций системы обеспечения микроклимата. Проблема экономии энергии, потребляемой этой системой, решается путем оптимизации конфигурации входящих в состав системы элементов также на основе компьютерного анализа. В настоящей статье дается краткое описание методики расчетов термодинамических характеристик кабины электровоза и создания трехмерных цифровых моделей на этапе разработки конструкторской документации в целях повышения энергоэффективности системы микроклимата кабины.
В результате моделирования было получено распределение термодинамических полей в воздушной среде кабины, в частности распределение температуры в вертикальном и горизонтальном сечениях кабины. Распределение температуры в кабине электровоза железнодорожный транспорт. Подвижной состав обеспечивает достаточно однородное поле температур, что удовлетворяет требованиям методики определения среднего коэффициента теплопередачи ограждения кабины. По результатам расчетов, выполненных на основе детальной дискретной модели с учетом характеристик материалов, взятых из ТУ производителей, средний расчетный коэффициент теплопередачи ограждений кабины электровоза составил всего 45,5 % от экспериментального значения. Проведение детального анализа результатов позволило установить, что заявленное производителем и использовавшееся в расчете значение теплопроводности изоляционного материала кабины0,037 Вт/(м·К)* имеет место только при полном отсутствии влаги в материале. Независимые исследования показывают, что при 5%-ном объемном содержании влаги в теплоизоляционном материале теплопроводность его возрастает до 0,2 Вт/(м·К), т.е. более чем в 5 раз**. Изучение технологического процесса изготовления кабины, замечаний, сделанных в процессе эксплуатации, а также анализ данных из литературных источников дают основание утверждать, что изоляционный материал при эксплуатации впитывает влагу, влияние которой на теплопроводность материала необходимо учитывать. По данным упомянутых выше независимых исследований теплопроводность изоляционного материала при изменении объемного содержания влаги в нем в диапазоне от 5 до50 % остается примерно равной0,2 Вт/(м·К). При использовании данного значения в расчетах среднее расчетное значение коэффициента теплопередачи ограждения кабины составляет 91,6 % от экспериментального значения. Одним из основных преимуществ компьютерного моделирования является возможность получения численных значений параметров тепловых потоков в кабине и их детального анализа, оценки влияния мостиков холода, потерь теплоты при различных видах теплообмена с окружающей средой, а также определение коэффициента герметичности кабины. Как показали расчеты, потери тепловой энергии через конструктивные элементы кабины распределяются следующим образом: вследствие теплопроводности –от 75 до 83 % в зависимости от теплотехнических характеристик изоляционного материала и условий его применения в конструкции; в результате конвекции и излучения с нагретых поверхностей –от 14 до 22 %; из-за инфильтрации воздуха вследствие негерметичности кабины – не более 3 %.Отметим основные результаты выполненных численных исследований тепловых режимов кабины электровоза: Разработана детальная дискретная модель кабины электровоза размерностью 284,4 млн ячеек с характерным размером ячейки0,2–2 см для исследования сопряженного теплообмена конструкции с воздушным пространством внутри и снаружи изделия. На основе программных средств STAR-CCM+ ver.12.04 разработана численная методика решения задачи определения теплоизоляционных параметров кабины электровоза с учетом конвективного теплообмена, радиационного излучения, теплопроводности многослойной конструкции кабины, а также негерметичности кабины. Достоверность численной методики и разработанной компьютерной модели подтверждается близостью расчетного и экспериментального значений среднего коэффициента теплопередачи ограждения кабины. Погрешность при учете в расчетах влажности окружающего воздуха и теплоизоляционного материала конструкции составляет около 10 %. Показано существенное влияние влажности теплоизоляционных материалов на параметры кабины электровоза. На основе проведенного анализа можно определить пути повышения эффективности системы микроклимата.