高速檢測車明線運行輔助變流器進排風口表面壓力數值分析

王東屏，趙強，兆文忠

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連116028)

0 引言

隨著列車速度不斷提高，列車與空氣的相互作用變得十分強烈，如何有效地利用空氣動力學特性降低空氣阻力等問題的研究變得愈來愈重要［1-4］.

明線列車空氣動力學研究的是高速列車在開闊地面上運行和通過橋梁時所誘發的空氣動力學問題，其中，列車繞流特性的研究是設計列車外形，確定客車空調，輔助變流器通風設備送，排風口位置的基礎［5］.列車明線高速運行時車體表面會產生負壓，負壓不利于通風設備的進風，盡量避免在負壓區內設置通風設備進風口是及其必要的.

輔助變流器位于列車車廂內，起著給列車輔助設備變流的重要作用，其通風的進風口開在列車的上部，排風口置于車廂底板即設備艙頂面上.輔助變流器通風是否合理順暢是其散熱好壞的關鍵，而散熱直接影響著輔助變流器的工作性能，因此對輔助變流器通風的設計就顯得十分重要.目前，國內對高速列車明線運行輔助變流器通風數值模擬還不是很多，然而輔助變流器進風口和排風口的壓力數值是通風設計的主要參數，通過模擬出的進排風口壓力數據和壓差，可以判斷進排風口的位置設計是否合理，對實際輔助變流器通風設計有很強的指導意義.本文對350 km/h高速檢測車明線運行空氣動力特性進行數值分析研究，模擬了輔助變流器不工作情況下和工作情況下(通風方向由上至下)進風口和排風口的壓力分布情況，為輔助變流器通風設計提供必需的壓力數據，從而為通風設計改進提供依據.

1 計算模型

在計算流體動力學研究領域，可以抓住主要矛盾對列車某些結構尤其是車體底部進行簡化建模.

本次計算模型具體簡化措施為:

(1)簡化轉向架及車底設備艙內設備;

(2)檢測車計算模型取三車編組，即:頭車+中車+尾車.

數值模擬邊界條件如表1所示:

表1 邊界條件設置

網格的劃分采用非結構化網格，對整個計算區域采用分塊劃分網格原則，對車體近壁層區域的網格細化，遠離車體的網格采用稀疏網格，以減少計算量和加快收斂速度.列車表面劃分三角形網格，插入邊界層.空間采用四面體和五面體六面體混合網格，空間體單元約為1 000萬.

目前對具有復雜幾何特征的實車模型進行明線運行氣動特性分析時一般采用穩態計算.本文應用大型計算軟件SC/Tetra(日本CRADLE軟件公司開發的計算流體力學軟件)，基于三維、定常、不可壓縮的粘性流場，對高速檢測車在350 km/h明線運行工況下的外流場進行了數值模擬.數值計算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE(Semi－Implicit Method for Pressure－Linked Equations)壓力連接方程的半隱式求解離散方程組.其中在離散方程中，對流項及湍流模型RNG k-ε方程采用二階迎風格式［5-6］.基于本次模擬明線流場三維模型的復雜性較高，在網格數量很大的情況下，需要進行并行計算.本次并行計算采用16個CPU，分為輔助變流器不工作和工作兩種工況進行模擬，每個工況計算耗時約16 h.

2 計算結果分析

2.1 列車明線運行車體表面壓力分布情況

檢測車以350 km/h速度明線運行，計算區域長為190 m，寬30 m，高25 m.通過模擬計算得到車體表面壓力系數如圖1所示.

列車運行時，由于車頭的擠壓，使周圍流場呈正壓狀態.當氣流繞過迎風面到達整流罩上方，隨著空氣繞流列車速度的增加，壓力逐漸降低，并在接近列車最大的橫截面處出現第一個負壓峰值，列車中部表面壓力變化較平緩，承受負壓狀態，壓力系數在0附近變化，而對于車尾，在導流罩與車頂的過渡處，側墻向車頂過渡處，負壓值達到最大.從上圖可知，最大壓力發生在車體鼻尖部位，模擬計算所得的最大壓力系數是0.99，而理論值應該是1.計算值和理論值之間的誤差為1%，在允許誤差之內.可見計算所得到的趨勢是正確的，計算結果有可信度［7-10］.

圖1 車體表面壓力系數分布云圖

2.2 列車明線運行輔助變流器不工作時進風口和排風口的壓力分布情況

為了模擬輔助變流器進風口，排風口的壓力分布，必須考慮空調機組和冷凝風機的影響.本檢測車共有三個輔助變流器，既有3個輔變進風口，3個輔變排風口;3個空調機組，既有3個新風口，3個冷凝風機進風口，3個冷凝風機排風口.按照列車運行的方向分別編號為1，2，3號，具體如圖2、3 所示.

圖2 車體上部設備開口位

圖3 輔助變流器進風口排風口位置

為了驗證通風的設計方向是否便于輔助變流器通風，需要分析輔變進風口和排風口的壓力分布.本檢測車中車有3個輔助變流器，按照列車運行的方向(X軸正方向)分別編號為1，2，3號輔助變流器.在輔助變流器不工作的情況下，對檢測車明線運行外流場進行了數值分析.圖4為1號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布.圖5是2號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布.圖6為3號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布云圖.

從圖4～圖6中可以看出，3個輔助變流器進風口的壓力分布趨勢是相同的.最大進風口壓力出現在進風口左側，最小進風口壓力出現在進風口右側，進風口平均壓力相差不大.由于輔助變流器排風口位于車廂底板上，車下設備艙內設備放置比較復雜，3個輔助變流器排風口壓力分布趨勢是不相同的，且排風口平均壓力成遞減趨勢.

圖4 1號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布(不工作)

圖5 2號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布(不工作)

圖6 3號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布(不工作)

在輔助變流器不工作的情況下，輔助變流器1，2，3進風口排風口的最大壓力，最小壓力，平均壓力和輔助變流器進排風口壓差見表2及表3.

表2 輔變不工作時進風口排風口最大壓力，最小壓力，平均壓力 Pa

表3 輔變不工作時進風口排風口平均壓力和進排風口相同時刻的壓差 Pa

由表2及表3可知，輔助變流器不工作的情況下進風口的平均壓力隨列車運行方向變化不大，且都為正值;排風口1的平均壓力為正，排風口2，3的平均壓力為負值，且排風口1的壓力明顯大于2和3.進排風口的壓差都為正.

2.3 列車明線運行輔助變流器工作時進風口和排風口的壓力分布情況

在輔助變流器正常工作既按現有的通風情況下(從上至下)，對檢測車明線運行的空氣流場進行了數值分析.圖7為1號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布.圖8是2號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布.圖9為3號輔助變流器進風口和排風口的壓力分布云圖.

圖7 1號輔助變流器工作時進風口和排風口的壓力分布

圖8 2號輔助變流器工作時進風口和排風口的壓力分布

圖9 3號輔助變流器工作時進風口和排風口的壓力分布

從圖7～圖9中可以看出，3個輔助變流器進風口的壓力分布趨勢是相同的.最大進風口壓力出現在進風口左側，最小進風口壓力出現在進風口右側.3個輔助變流器排風口壓力分布趨勢是不太相同的，但是最大壓力都出現在排風口右側.

在輔助變流器正常工作的情況下，輔助變流器1，2，3進風口排風口的最大壓力，最小壓力，平均壓力和輔助變流器進排風口壓差見表4及表5.

表4 輔變正常工作時進風口排風口最大壓力，最小壓力，平均壓力 Pa

表5 輔變正常工作進風口排風口平均壓力和進排風口相同時刻的壓差 Pa

與輔助變流器不工作時相比，進排風口的壓力變化規律相同，但進風口平均壓力減小，1號排風口壓力增加，所以進排風的壓差為負壓.2號進風口平均壓力降低，排風口負壓值增大，所以進排風口的壓差減少.3號進風口平均壓力降低，進排風口壓差減少.計算結果表明，1號輔助變流器排風口的壓力偏高，進排風口的壓差為負值，不利于輔助變流器由上至下通風，所以此位置不適合設置排風口.

4 結論

本文對350 km/h檢測車明線運行時外流場進行了數值分析，詳細獲得輔助變流器在不工作情況下和正常工作情況下進風口和排風口的壓力分布情況，得到有意義的結論如下:

(1)通過數值模擬仿真得到的壓力系數數值與理論值誤差是1%，在允許范圍之內，計算模型可靠，計算結果可信;

(2)輔助變流器不工作時，列車明線運行輔變進風口和排風口的壓差為:1號輔變進排風口壓差1.84 Pa;2號輔變進排風口壓差128.95 Pa;3號輔變進排風口壓差184.45 Pa.由3個輔助變流器的不工作時進排風口的壓差可得:1，2，3號輔助變流器通風方向按由上至下設計較為合理;

(3)輔助變流器正常工作(通風方向從上至下)時，列車明線運行輔變進風口和排風口的壓差為:1號輔變進排風口壓差－81.43 Pa;2號輔變進排風口壓差78.87 Pa;3號輔變進排風口壓差89.55 Pa.由3個輔助變流器的進排風口的壓差可得:1號輔助變流器現有通風方向設計不合理，建議通風方向為由下至上或者改變輔助變流器排風口位置;2，3號輔助變流器按現有通風方向保持不變.

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