高速列車車下設備艙溫度場分析＊

章國平，范樂天，王廣明，楊志勇，李文娟

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

目前國內已開通的京津、武廣、鄭西和滬寧等多條客運專線，高速列車運營速度多數在300km／h以上，高速列車要持續高速運營上千公里，如何有效地利用空氣動力學特性變得愈來愈重要［1］。車下設備作為嚴格工作溫度需求的部位，對設備艙溫度流場的要求也越來越高，針對某型高速列車的設備艙內溫度場進行數值計算，研究多種環境溫度時設備艙內發熱設備表面的溫度變化規律，為車下設備的合理布局提供依據。

1 仿真分析

1.1 分析原理

為減少空氣阻力，保護和檢修車下設備，確保高速動車組的安全運行，高速動車組的車下通常都已經設計和安裝了車下設備艙。高速運行的列車設備艙的溫度場與空氣動力學的關系是分析的重點。

研究高速列車明線運行的空氣動力特性，其實質是流體流動問題。而流體運動是最復雜的物理現象之一，與結構設計領域中應力分析等問題相比，其建模與數值模擬要困難得多。根據流場特點，描述列車周圍空氣流動的控制方程包括連續性方程、Reynolds時均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS）以及湍流模型方程［2-5］。

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

此方程組是非線性二階偏微分方程組，對大多數工程問題，無法獲得精確解析解，只能用CFD數值模擬的方法求解。計算湍流運動時，還需要附加湍流方程，在此應用RNGκ-ε雙方程模型。

湍動能κ方程

湍動能耗散率ε方程

有效黏性系數

1.2 建立計算模型

計算模型過于復雜，需針對主要研究對象對部分結構進行簡化，具體簡化措施為：

簡化轉向架及車底設備艙內設備。

計算模型取5車編組，即頭車+中間車（3輛）+尾車（同頭車），如圖1。

圖1 列車計算模型

圖2是頭車設備艙計算模型，設備艙中包含有司機室冷凝器、牽引變流器及其冷卻單元、制動控制單元、廢排單元和牽引電機通風機。

圖2 頭車設備艙計算模型

計算區域長為3 000m，寬150m，高150m，。由于模型復雜，使用hypermesh對幾何模型進行處理，將模型導入cradle軟件中的sc-tetra進行幾何修復，劃分網格，在sc-solver中進行仿真計算。

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，主要采用四面體網格；遠離車體的網格采用稀疏的六面體網格，以減少計算量和加快收斂速度。對于一些局部關心的地方，對網格進行了再次加密，如通風格柵、縫隙、車頭等部位。如圖3所示。

圖3 車頭附近網格劃分圖

根據熱量守恒定律，Q=C×m×Δt（式中Q為單位時間內的發熱量，C為空氣的比熱，m為單位時間內設備的通風量，Δt為溫升），可以計算出不同發熱量下冷卻空氣的溫升。計算參數如表1所示。列車運行速度350km／h，環境溫度分別為40，20，10，0，-25，-40℃。

表1 計算參數

2 結果分析

2.1 列車明線運行車體表面壓力分布

模擬計算得到350km／h列車在明線運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

列車運行時，由于車頭的擠壓，使周圍流場呈正壓狀態。最大壓力發生在車體鼻尖部位，模擬計算所得車頭鼻端的最大壓力為5 770Pa，壓力系數是1.013，而壓力系數的理論值是1，計算值和理論值之間的誤差為1.3%。

2.2 設備艙溫度場分布

仿真工況為列車運行速度350km／h，環境溫度分別為-40，-25，0，10，20，30，35，40℃。分析數據龐大，本文僅就頭車設備艙的兩個極限環境溫度進行數據分析。頭車設備艙內主要耗熱設備僅有牽引變流器，設計時為優化設備艙的通風散熱能力，耗熱設備處側裙板和底板上設計有格柵便于通風。

2.2.1 頭車設備艙內溫度分布（40℃）

在環境溫度40℃情況下，對設備艙內溫度場進行數值分析，得出各設備表面的溫度分布，設備艙內牽引變流器表面總散熱量為20kW。

圖5為頭車設備艙內水平截面溫度分布圖（距設備艙底面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，設備艙內其他部分溫度基本保持在40℃左右。

圖5 頭車設備艙內水平截面溫度分布圖

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

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

圖6 頭車設備艙內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，設備艙內溫度為40℃左右，在牽引變流器周圍溫度略高，為41.5℃左右，冷卻單元出風口溫度為51.0℃，所以在設備艙下方，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 頭車設備艙內溫度分布（-40℃）

在環境溫度-40℃情況下，對設備艙內溫度場進行數值分析，得出各設備表面的溫度分布。

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

圖9 頭車設備艙內水平截面溫度分布圖

圖10是頭車設備艙內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，側面溫度相對較高，變流器前側面最高溫度達到-26.0℃。

圖10 頭車設備艙內牽引變流器表面溫度分布圖

2.3 高溫設備的表面溫度對比

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

圖11 頭車牽引變流器的前側面溫度分布對比

可以看出，在不同的環境溫度下，變流器的這個側面溫度分布規律一致，整個表面溫度比較均勻，只是在左下角局部區域溫度較高。表2是設備表面溫度隨環境溫度變化情況。

表2 設備表面溫度隨環境溫度變化數據

3 結論

3.1 結果分析

經過對350km／h高速列車外流場以及設備艙空氣流場的數值分析，獲得空氣流場中壓力、速度和溫度的詳細信息。研究設備艙內的速度和溫度分布，得出如下結論：

（1）數值仿真得到的車頭鼻端壓力系數與理論值誤差是1.2%，計算結果有可信度。

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

（3）在40℃環境溫度下的頭車設備艙內，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℃，前側面和右側面溫度相對較高，在前側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℃，所以設備艙下溫度沿空氣流動方向遞減。

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

3.2 設備艙設計合理化建議

針對本文的分析結論，對高速列車車下設備艙設計提出以下幾點建議：

（1）設備艙內的耗熱設備與其他設備在布局時盡量增加相對距離，增大間隙，確保設備周圍空氣的流動。如果設備艙內有多個耗熱設備，不能采用相鄰的方式布局，應使用非耗熱設備或低耗熱設備隔開；

（2）必要時，設備艙內耗熱設備增加專用冷卻單元；

（3）設備艙內耗熱設備的熱源或出風口盡可能設置在靠近設備艙底板和兩側的裙板處；

（4）設備艙內耗熱設備處的裙板和底板（必要時還包括與設備相鄰單元的裙板和底板）需開設通風格柵，增加熱源處的通風能力，必要時，整個設備艙裙板和底板可全部開設通風格柵，如圖12所示。

圖12 設備艙設備布置及通風格柵布置示意圖

4 結束語

目前國內高速列車客運專線逐步開始進行長時間、長距離、跨緯度、跨溫度帶的運行，高速列車要從北方-30℃的站點持續運行到南方零上40℃的站點，溫差最高超過80℃。通過有效地利用空氣動力學特性，掌握對高速列車的車下設備艙內溫度場的分析方法，得出設備艙設備溫度變化規律，為高速列車車下設備的合理布局和設備艙結構的優化設計提供了依據。

［1］田紅旗，梁習鋒，許平.列車空氣動力性能研究及外形、結構設計方法［J］.中國鐵道科學，2002，23（5）：138-141.

［2］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京：中國鐵道工業出版社，2007.

［3］武青海，周虹偉，朱勇更.高速列車湍流流場數值仿真計算探討［J］.鐵道學報.2002，24（3）：99-103.

［4］李人憲，劉應清.高速列車紊流外流場的數值模擬研究［J］.應用力學學報.2001，18（1）：6-13.

［5］王建平，計算流體力學（CFD）及其在工程中的應用［J］.機電設備，1994，（5）：39-42.