格柵對高速列車設備艙散熱性能的影響

張亮　孔繁冰　張繼業　張衛華

摘要：為研究在裙板不同位置增加格柵對高速列車設備艙散熱的影響，建立3種不同設備艙的高速列車空氣動力學模型，分別包括原始設備艙、裙板中間增加格柵的設備艙和裙板兩端增加格柵的設備艙.基于三維不可壓縮N-S方程和k-ε兩方程湍流模型，利用FLUENT對250 km/h高速列車設備艙的溫度場和流場進行模擬.對列車上行和下行時設備艙的流場與溫度場進行分析，比較在不同位置增加格柵時設備艙內溫度的變化.結果表明：在裙板不同位置增加格柵對設備艙內的溫度場影響較大，在裙板中間增加格柵對頭車和中間車設備艙的散熱不利，建議在裙板兩端增加格柵以更有利于設備艙散熱.

關鍵詞：高速列車； 設備艙； 裙板； 溫度場； 空氣動力學； 傳熱

中圖分類號： U441.5； U444.18； TB115

文獻標志碼：B

Abstract：To study the effect on heat dissipation of high-speed train equipment compartment by adding grille in different locations of skirt plate， three aerodynamics models of high-speed train with different equipment compartments are built， which separately include the original equipment compartment， the equipment compartment with grille added in the middle of skirt plate， the equipment compartment with grille added at two ends of skirt plate. Based on the 3D uncompressible N-S equation and the turbulent model of k-ε two equations， the temperature field and flow field of high-speed train equipment compartment at the speed of 250 km/h are simulated by FLUENT. The flow field and temperature field of equipment compartment are analyzed when train is in up direction and down direction， and the change of temperature in equipment compartment with grille added in different locations is compared. The result shows that， it has great effect on temperature field of equipment compartment by adding grille in different locations of skirt plate； it is bad for heat dissipation of equipment compartment of head car and middle car by adding grille in the middle of skirt plate； it is suggested that the grille should be added at two ends of skirt plate to get better heat dissipation performance for equipment compartment.

Key words：high-speed train； equipment compartment； skirt plate； temperature field； aerodynamics； heat transfer

0引言

隨著列車運行速度的提高，空氣與車體之間的相互作用越來越劇烈，許多空氣動力學問題隨之而來，如空氣阻力、會車壓力波、隧道壓力波和側風安全等.[1-6]我國高速鐵路網南北跨度大，列車運行區域溫差較大，如哈爾濱—上海的高鐵，夏季最高溫度和冬季最低溫度相差可達80 ℃以上.列車底部動力設備性能直接影響列車運行性能和安全，而設備艙通風散熱性能的好壞直接影響車底設備正常工作和設備壽命，因此對設備艙的散熱性能研究非常必要.

高速列車設備艙內的設備包括牽引電機、功率單元、制動控制單元、車載電源箱和污水箱等.在列車高速運行過程中，設備會產生大量熱能，導致設備艙內溫度明顯升高.王東屏等[7]對高速列車明線運行輔助變流器進排風口表面壓力進行數值分析，但未對整個設備艙內溫度和流場分布進行分析；孔璞等[8]進行高速列車設備艙通風測試研究，對不同速度等級的牽引變流器出風口通風量隨速度的變化關系進行分析，比較列車在明線和隧道運行時牽引變流器的通風量，同樣沒有對設備艙內溫度場和流場進行分析；WANG等[9]和章國平等[10]對350 km/h動車組明線運行時設備艙溫度場進行數值模擬，但考慮的設備都是簡單的塊體，與實際模型相差較遠，未能真實反映車內空氣的流動情況；胡文錦等[11]研究格柵通風口位置和格柵類型對設備艙通風散熱性能的影響，但考慮的列車編組長度為3節車編組，沒有考慮中間車設備艙的散熱，也沒有考慮增加格柵通風口對設備艙內流場和溫度場的影響，以及發熱設備散熱器進出風對流場的影響.

本文在考慮發熱設備艙進出風的情況下，對在不同位置增加格柵的8節車編組高速列車明線運行時的設備艙內外流場和溫度場進行數值模擬，分析設備艙裙板中部和兩端增加格柵對設備艙內流場與溫度場的影響.

1計算模型

1.1數學模型

列車在高速運行時，其周圍流場為三維黏性非定常的湍流流場.當列車運行速度為250 km/h，對應的馬赫數小于0.3，列車周圍的流場可處理為不可壓縮流場，湍流模型采用標準k-ε模型，其控制方程的運輸方程[6]形式為

1.2數值模型

由于主要對列車底部設備艙散熱進行研究，因此考慮計算機性能和計算時間的要求，將列車模型和設備艙內設備部件簡化.忽略受電弓、車體間連接處等的影響，列車模型包括頭車、6節中間車和尾車，頭車和第1節中間車有設備艙、艙內部件和格柵等，每節車車底都安裝有轉向架.簡化后的列車模型見圖1，頭車、中間車設備艙的發熱部件分別為頭車功率單元和中間車變流器，見圖2.

設備艙模型共有3種：模型1為原始設備艙模型；模型2為在原始模型基礎上設備艙裙板中間增加格柵；模型3為在原始模型基礎上設備艙裙板兩端增加格柵.每種模型都考慮列車上行和下行2種工況，原始格柵和模型2新加格柵的位置見圖3，原始格柵和模型3新加格柵的位置見圖4.設備艙底部通風口模型見圖5.

1.3計算區域、網格劃分和邊界條件設置

流體計算區域見圖6.

計算中給定的入口邊界為速度入口，大小為列車運行速度250 km/h，出口邊界為壓力出口，頂面和側面采用對稱面邊界條件，地面給定滑移地面，滑移速度與列車運行速度相同，車體表面為無滑移壁面.

主要考慮的發熱設備為頭車設備艙內功率單元和第一節中間車設備艙內變流器，其中，功率單元散熱器及其風扇排風溫度為50 ℃，牽引變流器散熱器及其風扇排風溫度為70 ℃，環境溫度為40 ℃.功率單元和牽引變壓器的進出風口見圖7.

因設備艙內部件、格柵和轉向架等結構較復雜，故采用非結構化網格進行網格劃分，并對格柵、設備部件和支架等細部結構進行網格加密.車體表面網格最大尺寸為100 mm，格柵最大網格尺寸為6 mm，設備最大網格尺寸為20 mm.3種模型劃分后的網格單元總數分別為5 100萬，5 600 萬和5 800萬個.列車頭部網格見圖8，頭車設備艙和中間車設備艙網格見圖9.

2計算結果分析

2.1設備艙流場分析

列車上行和下行時頭車設備艙流場見圖10和11.由此可知：相同模型的列車上行和下行時，頭車設備艙內空氣的流動情況基本一致；模型1進入頭車設備艙的空氣大部分流經功率單元后流向一位端，由一位端格柵出口流出，剩余空氣受功率單元的阻擋向二位端流動，在制動控制單元處形成較大旋渦，最后由中間格柵和底部通風口流出；模型2的制動控制單元處的旋渦消失，空氣主要由靠近功率單元進風口一側的格柵進入，由設備艙另一側裙板的格柵流出，剩余空氣經一位端格柵和底部通風口流出；模型3的空氣主要由設備艙中部格柵和二位端格柵進入，由底部通風口和一位端格柵流出.

由此可知：相同模型的列車上行和下行運行時，中間車設備艙內空氣的流動情況基本一致；模型1設備艙空氣由格柵通風口流入，大部分空氣進入變流器并通過散熱器排出設備艙，另一部分空氣流入設備艙內，再由格柵通風口流出；模型2的空氣主要由靠近變流器入口一側格柵進入設備艙，向設備艙兩端流動，在設備艙內形成較多旋渦，最終由設備艙中部兩側格柵流出；模型3的空氣由靠近變流器入口一側格柵流入，向設備艙兩端流動，大部分空氣由設備艙兩端格柵流出.

2.2設備艙溫度場分析

為顯示設備艙內溫度的分布，沿列車高度方向取4個截面，高度y分別為0.3，0.6，0.8和1.1 m，其中設備艙底板高度為0.28 m.上行時3種列車模型的頭車設備艙截面的溫度云圖見圖14.由此可知：頭車設備艙內最高溫度可達到功率單元發熱溫度50 ℃；模型1設備艙內高溫區域最多，大部分區域溫度在48 ℃以上；模型2的功率單元和二位端設備附近溫度較模型1有明顯升高；模型3的高溫區域較模型1明顯減少，高溫區域主要集中在功率單元散熱器進口一側和一位端，而二位端設備附近溫度無明顯升高.綜上所述，在列車上行時，模型3即在原始模型基礎上設備艙裙板兩端增加格柵的頭車設備艙散熱性能更好.

3種列車模型下行時頭車設備艙內不同截面的溫度云圖見圖15.

由圖15可知：模型1設備艙內高溫區域最多，主要分布在功率單元附近和一位端；模型2設備艙一位端高溫區域較模型1有所減少，但功率單元和二位端設備附近溫度較模型1有所升高；模型3設備艙一、二位端溫度較原始模型都有明顯降低，功率單元附近溫度較原始模型也有所降低.綜上所述，在列車下行時，模型3即在原始模型基礎上設備艙裙板兩端增加格柵的頭車設備艙散熱性能更好.

3種列車模型上、下行時中間車設備艙不同截面溫度云圖分別見圖16和17.

由圖16可知：模型1中間車設備艙內高溫區域較少且主要集中在變流器進口和設備艙底部通風口附近，一位端設備附近溫度較低，都在45 ℃以下；模型2中間車設備艙高溫區域最多，二位端溫度較模型1有所升高，高溫區域主要分布在變流器進口附近，其他設備附近溫度在58 ℃左右，設備艙頂部截面最高溫度較模型1升高約3 ℃；模型3中間車設備艙高溫區域最少，二位端溫度無明顯升高，設備附近大部分溫度在55 ℃以下，設備艙頂部截面最高溫度較模型1下降約6 ℃.綜上所述，列車上行時，模型3即在原始模型基礎上設備艙裙板兩端增加格柵的中間車設備艙散熱性能更好.

由圖17可知：模型1中間車設備附近溫度較高，為62 ℃左右，溫度最高的區域位于變流器進口和設備艙底部通風口附近；模型2中間車設備艙一位端設備附近較模型1明顯升高，溫度為67 ℃以上，二位端溫度較原始模型也有所升高，設備艙頂部截面溫度較原始模型升高約3 ℃；模型3中間車設備艙一位端設備附近溫度無明顯升高，溫度最高的區域位于變流器進口和設備艙底部通風口附近，設備艙頂部截面的最高溫度較原始模型下降約14 ℃.綜上所述，列車下行時，模型3即在原始模型基礎上設備艙裙板兩端增加格柵的中間車設備艙散熱性能更好.

為比較不同位置增加格柵的設備艙溫度較原始模型的變化，取頭車和中間車設備艙頂部截面最高溫度對比，見表1.

頭車設備艙頂部截面最高溫度都達到設備發熱溫度；與模型1相比，模型3中間車設備艙頂部截面最高溫度明顯降低，模型2

中間車設備艙頂部截面最高溫度有所升高，說明模型3的散熱性能最好，模型2的散熱性能最差.

由以上分析可知，在設備艙裙板上增加格柵通風口對設備艙內的空氣流動和溫度分布影響較大，設備艙裙板兩端增加格柵通風口對頭車和中間車設備艙的散熱都更有利.

3結論

通過對不同位置增加格柵的8節車編組的高速列車設備艙內外流場和溫度場進行數值計算，得到以下結論.

1）在列車上行時，原始模型和裙板中間增加格柵的頭車設備艙內大部分區域溫度達到設備發熱溫度，裙板兩端增加格柵的頭車設備艙內溫度降低明顯，大部分區域在45 ℃以下.

2）在列車下行時，裙板兩端增加格柵的頭車設備艙一位端溫度較原始模型和裙板中間增加格柵的有明顯降低，二位端溫度也有一定降低.

3）在列車上行時，裙板中間增加格柵的中間車設備艙高溫區域較原始模型有所增多，設備艙頂部截面最高溫度升高約3 ℃，裙板兩端增加格柵的中間車設備艙高溫區域較原始模型有明顯減少，設備艙頂部截面最高溫度降低約6 ℃.

4）在列車下行時，裙板中間增加格柵的中間車設備艙高溫區域較原始模型明顯增多，設備艙頂部截面最高溫度升高約3 ℃，裙板兩端增加格柵模型的中間車設備艙高溫區域較原始模型明顯減少，設備艙頂部截面最高溫度降低約14 ℃.

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（編輯武曉英）