列車提速對空調機組性能的影響

姚俊豪， 馬 龍， 徐君瑜， 余 敏

（1.上海法維萊交通車輛設備有限公司 技術部，上海 201906；2.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

我國高速鐵路雖起步晚，但起點高發展快，許多 相關技術需要進一步檢驗.隨著我國空調列車向高速化發展，乘客對車廂內空氣品質也提出了更高的要求.由于受到車體結構的限制，空調機組采用頂置單元式結構.列車車速提高，氣流經過列車表面的流速增大，使得機組表面壓力發生變化.由于客室內空氣循環相對封閉，因此對列車內部影響不大，但是空調機組的冷凝器為風冷式，需通過風機吸入外界空氣進行散熱，車速提高勢必會對列車空調機組產生一定影響［1］.本文分別模擬了列車在不同車速下的氣流組織，得到列車表面壓力場，從而定量地分析提速對列車空調機組性能參數的影響.

1 高速列車外表面流場的數值模擬

1.1 數學模型

由于高速列車運行速度相對較低（馬赫數Ma＜0.3），其外部流體可視作不可壓縮定常流體，且符合Bossinesq假設，即流體的密度變化僅對浮升力產生影響，故列車表面空氣流動性質為黏性、不可壓縮、定常.目前在列車表面氣流組織的模擬中，主要采用k－ε兩方程三維湍流模型［2］，并取得了較好的結果，本文亦選用該模型對該問題進行模擬求解.其微分控制方程為

連續性方程

式中，ui為u方向的速度分量；xi為x軸坐標分量.

運動方程

式中，uj為v方向上的速度分量；xj為y軸坐標分量；p為壓力；ρ為空氣密度；μ為空氣動力黏度；t為時間.

式中，Cμ為湍流常數，一般取0.09；k為湍流動能；ε為湍流耗散率.

k方程

式中，σk為經驗常數.

ε方程

式中，μl為層流黏性系數；C1、C2、σε為經驗常數.

1.2 列車模型

目前，我國最高時速的列車均采用CRH3型高速列車，以目前計算機的硬件條件對空調客車外流場進行模擬計算，尚不能完全模擬列車的真實情況，諸如由于門的把手、車燈、窗戶等凸出物外形非常復雜，若不對其進行簡化，勢必會使計算網格數急劇增加，給計算帶來困難.因此，需對列車外表面進行簡化.

由于距車頭一定距離后，車身流場結構基本穩定，縮短的列車模型和完整模型相比，其流場基本特征變化不大.故本文采用三節車模型進行模擬，即整個模型由一節頭車、一節中間車和一節尾車組成，頭車和尾車具有相同的外形，如圖1所示.此類模型簡化方式也是目前國內外處理相同問題最常用的手段.

圖1 高速列車物理模型Fig.1 Physical model of high－speed train

1.3 計算域及網格

從理論上講，高速列車車身的繞流對空氣來流的影響是無窮的，但由于計算條件受到計算機容量等限制，只能取有限遠代替無窮遠.列車的流場相對車身中央平面左右對稱，本文只計算半車身的流場，

從而減少計算量.經研究設定計算域大小為150m×12m×10m，計算流域見圖2.

圖2 列車模型計算域Fig.2 Calculated domain of the model

據大量前期研究，對具有復雜幾何外形的實車模型，混合網格方案兼顧了計算精度和計算速度，是最高效的網格方案.故采用混合網格方案，使用三棱柱、四面體單元.為能捕捉到車體壁面附面層的流動，對列車近壁層采用棱柱單元進行細化，對尾流區域網格進行了加密.圖3為列車車身處網格.

圖3 列車車身網格Fig.3 Grid of the train body

1.4 邊界條件

入口邊界條件為氣流速度，用于定義在流動進口處的流動速度及相關其它標量型條件；出口邊界條件為壓力，其數值上與大氣壓相同；列車對稱面兩側氣流流場相同.

2 數值計算結果及列車表面壓力分析

圖4為高速列車車速為350km／h時，列車外表面壓力分布圖.經計算發現，其中車頭迎風面處表面壓力均為正壓，且最高可達5 907Pa，車頭與車身過渡處壓力為負壓，此處負壓值最大，可達－2 903Pa.車身處壓力較為均勻，冷凝風機處壓力為－1 168Pa.

圖4 列車外部氣流壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution of the external airflow

經過模擬高速列車不同運行工況，得出列車表面壓力p隨列車車頂位置H的變化情況.由圖5可見，隨著列車速度不斷提高，列車上表面壓力呈有規律變化，車頭為正壓且隨著車速增大壓力值呈上升趨勢，車頭與車身過渡處負壓達到最大值，車身均為負壓，且車速越高負壓越大.

CHR3型列車組客室空調系統冷凝風機安裝在車頂［3］，列車提速后，冷凝風機處壓力p隨車速v變化情況如圖6所示.

隨著車速的提高，列車車體表面受空氣動力學影響越發明顯，其外表面負壓值逐漸增大.由于空調機組的新風口設置在車頂側面，所以受車外負壓的影響，其進風量也有所減少，對空調室內環境將產生不利影響.

圖5 變工況下列車車頂不同位置處壓力值Fig.5 Pressure of roof at different locations under variable conditions

圖6 車速與冷凝風機處負壓的關系曲線Fig.6 Curve of the negative pressure at condensing fan and speed

3 列車空調性能參數隨車速的變化

高速列車運行速度的提高，使整個列車內外空氣動力性能發生了改變，氣流組織相應發生變化，從而對其空調系統的各項主要參數也產生了影響.

3.1 對風壓與冷凝風量的影響

由于車速提高，引起冷凝風機處形成負壓，故冷凝風機的風壓p0就會變化，從而導致冷凝風量Qv發生改變.工作中的風機，即使轉速相同，在不同阻力的系統中所輸送的風量也可能不相同.由資料可知，CHR3型高速列車中冷凝風機性能曲線見下頁圖7.

根據空調設備風機性能曲線，隨著風壓的增大，風量逐漸減小.在列車運行時，空調機組冷凝風機吸入空氣，由于產生負壓，導致風壓增大.車速對冷凝風機進口風量的影響情況見下頁圖8.

由此可知，隨著高速列車車速的增加，冷凝器的運行環境逐漸惡化，風壓逐漸增大，從而導致風機風量隨之減少.

3.2 對冷凝溫度的影響

圖7 風機性能曲線Fig.7 Fan performance curve

圖8 列車車速與冷凝風量的關系曲線Fig.8 Curve of condensing air volume and speed

冷凝風量減少，高速列車冷凝器的換熱量必隨之改變.據資料顯示，高速列車空調單臺機組制冷量為22kW，熱負荷Q為31kW，靜止狀態風機風量Qv為7 500m3／h.

a.對數平均溫差

式中，t1，t2為空氣進出口溫度；tk為冷凝溫度.

b.冷凝負荷

式中，k為傳熱系數；A為傳熱面積；為空氣的質量流量；cp為空氣的比定壓熱容.經研究，隨著冷凝風量的減少，冷凝器總傳熱系數降低，同時冷凝溫度及空氣出口溫度均會受到影響，具體影響情況見圖9.

圖9 列車提速對冷凝溫度的影響Fig.9 Impact of speed on the condensing temperature

由此可知，隨著車速增大，冷凝溫度增加，導致冷凝器的一部分熱量不能排出，最終必將影響空調機組的制冷效率.

3.3 對制冷系數的影響

根據文獻可知，高速列車空調的蒸發溫度為2℃，冷凝壓力的提高必然會導致壓縮機壓縮功增大，制冷量下降（見圖10）.

圖10 制冷循環壓焓圖Fig.10 Pressure－enthalpy diagram

圖中，1－2－3－4－1為靜止狀態下列車制冷工況，1－2′－3′－4′－1為列車提速后制冷工況.取過熱度、過冷度均為5℃，且假定壓縮機為絕熱理想壓縮，忽略不可逆損失，制冷系數為

式中，q0為單位制冷量；w0為單位耗功量；h1，h2′，h4′分別為1，2′，4′點處的焓值.

經計算，在不同冷凝溫度下制冷循環的制冷系數，結果見圖11.

圖11 列車提速對空調制冷系數的影響Fig.11 Impact of speed on COP

由圖可知，隨著車速的增加，制冷系數逐漸降低，若考慮不可逆因素的影響，制冷系數變化將更大.所以，在列車不斷提速階段，列車設計中必須考慮列車提速對空調性能的影響，以降低能耗同時保證旅客舒適度.

4 結束語

針對高速列車提速對空調系統的影響，建立了高速列車外部空氣流場的數學、物理模型，確定了該流場的定解條件.通過模擬高速列車外部空氣流場，得到列車表面壓力分布云圖及列車表面各點壓力值.研究得出了高速列車提速對列車空調系統冷凝風量、冷凝溫度、制冷系數等參數的影響情況.該結果對高速列車空調系統的優化，如采用有效方式控制提速對列車空調的影響，更好地發揮空調裝置的性能，降低能耗和運行成本為旅客提供舒適的旅行環境，提供了重要依據.

［1］張吉光，楊晚生，靳誼勇.列車提速對空氣調節系統的影響［C］∥全國暖通空調制冷2002年學術年會論文集，珠海，2002，6：734－737

［2］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［3］梁習峰，曾劍明.高速列車表面壓力分布的數值計算［J］.鐵道車輛，1997，5（3）：12－14.