高速列車車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)分析＊

章國平，范樂天，王廣明，楊志勇，李文娟

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

目前國內(nèi)已開通的京津、武廣、鄭西和滬寧等多條客運(yùn)專線，高速列車運(yùn)營(yíng)速度多數(shù)在300km／h以上，高速列車要持續(xù)高速運(yùn)營(yíng)上千公里，如何有效地利用空氣動(dòng)力學(xué)特性變得愈來愈重要［1］。車下設(shè)備作為嚴(yán)格工作溫度需求的部位，對(duì)設(shè)備艙溫度流場(chǎng)的要求也越來越高，針對(duì)某型高速列車的設(shè)備艙內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究多種環(huán)境溫度時(shí)設(shè)備艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備表面的溫度變化規(guī)律，為車下設(shè)備的合理布局提供依據(jù)。

1 仿真分析

1.1 分析原理

為減少空氣阻力，保護(hù)和檢修車下設(shè)備，確保高速動(dòng)車組的安全運(yùn)行，高速動(dòng)車組的車下通常都已經(jīng)設(shè)計(jì)和安裝了車下設(shè)備艙。高速運(yùn)行的列車設(shè)備艙的溫度場(chǎng)與空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)系是分析的重點(diǎn)。

研究高速列車明線運(yùn)行的空氣動(dòng)力特性，其實(shí)質(zhì)是流體流動(dòng)問題。而流體運(yùn)動(dòng)是最復(fù)雜的物理現(xiàn)象之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問題相比，其建模與數(shù)值模擬要困難得多。根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)，描述列車周圍空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡(jiǎn)稱RANS）以及湍流模型方程［2-5］。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

此方程組是非線性二階偏微分方程組，對(duì)大多數(shù)工程問題，無法獲得精確解析解，只能用CFD數(shù)值模擬的方法求解。計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，還需要附加湍流方程，在此應(yīng)用RNGκ-ε雙方程模型。

湍動(dòng)能κ方程

湍動(dòng)能耗散率ε方程

有效黏性系數(shù)

1.2 建立計(jì)算模型

計(jì)算模型過于復(fù)雜，需針對(duì)主要研究對(duì)象對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化措施為：

簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向架及車底設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備。

計(jì)算模型取5車編組，即頭車+中間車（3輛）+尾車（同頭車），如圖1。

圖1 列車計(jì)算模型

圖2是頭車設(shè)備艙計(jì)算模型，設(shè)備艙中包含有司機(jī)室冷凝器、牽引變流器及其冷卻單元、制動(dòng)控制單元、廢排單元和牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)。

圖2 頭車設(shè)備艙計(jì)算模型

計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)為3 000m，寬150m，高150m，。由于模型復(fù)雜，使用hypermesh對(duì)幾何模型進(jìn)行處理，將模型導(dǎo)入cradle軟件中的sc-tetra進(jìn)行幾何修復(fù)，劃分網(wǎng)格，在sc-solver中進(jìn)行仿真計(jì)算。

對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格原則，對(duì)車體近壁層區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化，主要采用四面體網(wǎng)格；遠(yuǎn)離車體的網(wǎng)格采用稀疏的六面體網(wǎng)格，以減少計(jì)算量和加快收斂速度。對(duì)于一些局部關(guān)心的地方，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了再次加密，如通風(fēng)格柵、縫隙、車頭等部位。如圖3所示。

圖3 車頭附近網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)熱量守恒定律，Q=C×m×Δt（式中Q為單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量，C為空氣的比熱，m為單位時(shí)間內(nèi)設(shè)備的通風(fēng)量，Δt為溫升），可以計(jì)算出不同發(fā)熱量下冷卻空氣的溫升。計(jì)算參數(shù)如表1所示。列車運(yùn)行速度350km／h，環(huán)境溫度分別為40，20，10，0，-25，-40℃。

表1 計(jì)算參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 列車明線運(yùn)行車體表面壓力分布

模擬計(jì)算得到350km／h列車在明線運(yùn)行的車體表面壓力分布，如圖4所示。

圖4 車體表面壓力分布云圖

列車運(yùn)行時(shí)，由于車頭的擠壓，使周圍流場(chǎng)呈正壓狀態(tài)。最大壓力發(fā)生在車體鼻尖部位，模擬計(jì)算所得車頭鼻端的最大壓力為5 770Pa，壓力系數(shù)是1.013，而壓力系數(shù)的理論值是1，計(jì)算值和理論值之間的誤差為1.3%。

2.2 設(shè)備艙溫度場(chǎng)分布

仿真工況為列車運(yùn)行速度350km／h，環(huán)境溫度分別為-40，-25，0，10，20，30，35，40℃。分析數(shù)據(jù)龐大，本文僅就頭車設(shè)備艙的兩個(gè)極限環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。頭車設(shè)備艙內(nèi)主要耗熱設(shè)備僅有牽引變流器，設(shè)計(jì)時(shí)為優(yōu)化設(shè)備艙的通風(fēng)散熱能力，耗熱設(shè)備處側(cè)裙板和底板上設(shè)計(jì)有格柵便于通風(fēng)。

2.2.1 頭車設(shè)備艙內(nèi)溫度分布（40℃）

在環(huán)境溫度40℃情況下，對(duì)設(shè)備艙內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，得出各設(shè)備表面的溫度分布，設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面總散熱量為20kW。

圖5為頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布圖（距設(shè)備艙底面500mm）。在該平面上，由于散熱作用，牽引變流器的周圍溫度較高，為47℃左右。廢排單元出口的溫度為25℃，因此廢排單元出口處溫度較低，設(shè)備艙內(nèi)其他部分溫度基本保持在40℃左右。

圖5 頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布圖

圖6是頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布云圖。列車沿x正方向運(yùn)行。變流器表面大部分溫度為41.2～45.5℃，前側(cè)面和右側(cè)面溫度相對(duì)較高，在前側(cè)面接近地面部分最高溫度為52.5℃。

圖7是頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器周圍距底面0.5m平面速度分布。從圖中看出，變流器前側(cè)面和右側(cè)面的速度較小，在前側(cè)面處，速度約為1.47m／s，右側(cè)面處有局部區(qū)域速度為0.4m／s，所以導(dǎo)致變流器前側(cè)面和右側(cè)面靠近底板處有局部高溫區(qū)域。

圖6 頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布圖

圖7 牽引變流器周圍速度分布

圖8為牽引變流器冷卻單元縱截面的局部放大圖。從圖中看出，設(shè)備艙內(nèi)溫度為40℃左右，在牽引變流器周圍溫度略高，為41.5℃左右，冷卻單元出風(fēng)口溫度為51.0℃，所以在設(shè)備艙下方，沿來流方向溫度逐漸減小。

圖8 牽引變流器冷卻單元縱向截面溫度分布圖

2.2.2 頭車設(shè)備艙內(nèi)溫度分布（-40℃）

在環(huán)境溫度-40℃情況下，對(duì)設(shè)備艙內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，得出各設(shè)備表面的溫度分布。

圖9為頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布云圖（距設(shè)備艙底面0.4m）。牽引變流器的周圍溫度為-33.3℃左右，設(shè)備艙內(nèi)其他部分溫度基本保持在-38℃左右。

圖9 頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布圖

圖10是頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布云圖。從圖中可以看出，變流器表面大部分溫度為-37.3℃左右，側(cè)面溫度相對(duì)較高，變流器前側(cè)面最高溫度達(dá)到-26.0℃。

圖10 頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布圖

2.3 高溫設(shè)備的表面溫度對(duì)比

由以上分析可得，車下設(shè)備艙中表面溫度比較高的設(shè)備頭車的牽引變流器高溫部分主要集中在這些設(shè)備的某個(gè)側(cè)面上，并主要在與接近設(shè)備艙底板部位。針對(duì)不同的環(huán)境溫度，將這些側(cè)面的溫度分布情況進(jìn)行了對(duì)比，頭車牽引變流器的前側(cè)面有局部高溫區(qū)域，圖11為頭車牽引變流器前側(cè)面（迎著列車來流方向）的溫度分布對(duì)比。

圖11 頭車牽引變流器的前側(cè)面溫度分布對(duì)比

可以看出，在不同的環(huán)境溫度下，變流器的這個(gè)側(cè)面溫度分布規(guī)律一致，整個(gè)表面溫度比較均勻，只是在左下角局部區(qū)域溫度較高。表2是設(shè)備表面溫度隨環(huán)境溫度變化情況。

表2 設(shè)備表面溫度隨環(huán)境溫度變化數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

3.1 結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)350km／h高速列車外流場(chǎng)以及設(shè)備艙空氣流場(chǎng)的數(shù)值分析，獲得空氣流場(chǎng)中壓力、速度和溫度的詳細(xì)信息。研究設(shè)備艙內(nèi)的速度和溫度分布，得出如下結(jié)論：

（1）數(shù)值仿真得到的車頭鼻端壓力系數(shù)與理論值誤差是1.2%，計(jì)算結(jié)果有可信度。

（2）頭車設(shè)備艙內(nèi)的耗熱設(shè)備為散熱量20kW的牽引變流器，部分耗熱量通過設(shè)備表面散發(fā)，使設(shè)備周圍溫度升高，其余耗熱量轉(zhuǎn)化為冷卻通風(fēng)空氣溫度的升高，使得設(shè)備艙下方有高溫區(qū)域。

（3）在40℃環(huán)境溫度下的頭車設(shè)備艙內(nèi)，由于牽引變流器表面總散熱量為20kW，所以牽引變流器周圍溫度較高。變流器表面大部分溫度為41.2～45.5℃，前側(cè)面和右側(cè)面溫度相對(duì)較高，在前側(cè)面接近地面部分溫度最高為52.5℃。廢排單元出口的溫度為25℃。除廢排單元及牽引變流器外，其他設(shè)備表面溫度在40℃左右。牽引變流器冷卻單元出口溫度為51.0℃，所以設(shè)備艙下溫度沿空氣流動(dòng)方向遞減。

（4）在不同的環(huán)境溫度下，頭車牽引變流器表面溫度分布規(guī)律相同。由于發(fā)熱設(shè)備底端周圍空氣速度相對(duì)小，所以設(shè)備底端溫度較高，由下而上溫度逐漸減小。

3.2 設(shè)備艙設(shè)計(jì)合理化建議

針對(duì)本文的分析結(jié)論，對(duì)高速列車車下設(shè)備艙設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）設(shè)備艙內(nèi)的耗熱設(shè)備與其他設(shè)備在布局時(shí)盡量增加相對(duì)距離，增大間隙，確保設(shè)備周圍空氣的流動(dòng)。如果設(shè)備艙內(nèi)有多個(gè)耗熱設(shè)備，不能采用相鄰的方式布局，應(yīng)使用非耗熱設(shè)備或低耗熱設(shè)備隔開；

（2）必要時(shí)，設(shè)備艙內(nèi)耗熱設(shè)備增加專用冷卻單元；

（3）設(shè)備艙內(nèi)耗熱設(shè)備的熱源或出風(fēng)口盡可能設(shè)置在靠近設(shè)備艙底板和兩側(cè)的裙板處；

（4）設(shè)備艙內(nèi)耗熱設(shè)備處的裙板和底板（必要時(shí)還包括與設(shè)備相鄰單元的裙板和底板）需開設(shè)通風(fēng)格柵，增加熱源處的通風(fēng)能力，必要時(shí)，整個(gè)設(shè)備艙裙板和底板可全部開設(shè)通風(fēng)格柵，如圖12所示。

圖12 設(shè)備艙設(shè)備布置及通風(fēng)格柵布置示意圖

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)高速列車客運(yùn)專線逐步開始進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離、跨緯度、跨溫度帶的運(yùn)行，高速列車要從北方-30℃的站點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行到南方零上40℃的站點(diǎn)，溫差最高超過80℃。通過有效地利用空氣動(dòng)力學(xué)特性，掌握對(duì)高速列車的車下設(shè)備艙內(nèi)溫度場(chǎng)的分析方法，得出設(shè)備艙設(shè)備溫度變化規(guī)律，為高速列車車下設(shè)備的合理布局和設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］田紅旗，梁習(xí)鋒，許平.列車空氣動(dòng)力性能研究及外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，23（5）：138-141.

［2］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國鐵道工業(yè)出版社，2007.

［3］武青海，周虹偉，朱勇更.高速列車湍流流場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算探討［J］.鐵道學(xué)報(bào).2002，24（3）：99-103.

［4］李人憲，劉應(yīng)清.高速列車紊流外流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào).2001，18（1）：6-13.

［5］王建平，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）及其在工程中的應(yīng)用［J］.機(jī)電設(shè)備，1994，（5）：39-42.