橫風條件下高速列車車下設備艙溫度場分析

馬思群，秦偉,張志鵬，于佳田，石洪基，袁冰

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028； 2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 檢修服務事業部,山東 青島 266111)*

0 引言

隨著高速列車運行速度的不斷提高，動力性能成為決定列車速度的關鍵，而大功率牽引傳動系統是實現高速的原動力，其安裝在車下設備艙中.為了避免外界環境對其造成不良影響，車下設備艙通常被設計成帶有通風格柵的全封閉式.列車高速運行過程中，艙內發熱設備工作，產生大量的熱量，如果設備艙不能及時將熱量有效的排出，將會造成設備艙溫度過高，從而可能導致關鍵設備失效.因此，對動車組關鍵設備進行數據監測和車下設備艙溫度場仿真是極為必要的.

近年來國內許多學者對高速列車車下設備艙進行了溫度場仿真，章國平[1]對高速列車車下設備艙溫度場進行了分析，獲得了發熱設備表面溫度隨不同環境溫度的變化規律；黃少東[2]、張壘[3]、李麗[4]、潘登[5]等進行了高寒車設備艙溫度場特性研究，得到了設備艙內發熱設備的表面溫度變化規律；胡文錦[6]等通過列車交會試驗驗證模型，研究了列車高速運行于明線無橫風環境、明線橫風環境下以及隧道通過等工況下的設備艙通風散熱性能；王一豐[7]進行了高速列車車下設備艙溫度場測試及仿真分析研究；張亮[8]等研究了格柵對高速列車設備艙散熱性能的影響；白剛[9]進行了高速列車設備艙通風散熱影響因素分析.本文將車下設備艙溫度場數值模擬結果與實驗數據進行對比，獲得置信度較高的數值仿真模型，在橫風環境中不同環境溫度下用fluent進行車下設備艙溫度場仿真.

1 仿真原理

自然環境下，無風的天氣較為少見，高速列車行駛時或多或少都會受到橫風環境的影響.如圖1所示，當列車以速度V向左行駛時，周圍空氣以速度-V相對列車向右移動，橫風W與速度V矢量合成為合成風U[10].

圖1 合成風示意圖

列車高速運行時時速可達350 km/h，在風速為15 m/s(七級風)的橫風環境中，合成風速可達98.37 m/s ，對應馬赫數小于0.3.在其周圍流場為非定常不可壓縮流流場，屬于湍流流動.根據流場特點，高速列車周圍空氣流動的控制方程包括連續性方程、動量方程和能量方程.湍流模型方程采用k-ε兩方程湍流模型.對流項的離散采用二階迎風格式，粘性項的離散采用二階中心差分格式.速度仿真結果圖如2所示.

圖2 合成風仿真結果

能量守恒方程包含熱交換流動系統必須滿足的基本定律，表述為微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功.由此，得到以溫度T為變量的能量守恒方程[11]，矢量形式為：

(1)

式中,cP為比定壓熱容；U為內能；T為溫度；λ為流體導熱系數；ST為黏性耗散項，流體的內熱源和由于黏性作用流體機械能轉換為熱能的部分.

2 仿真模型、區域及網格劃分

2.1 仿真模型

計算模型為某高速動車組，仿真采取五車編組，即: 頭車+中間車 1+中間車 2+中間車3+尾車，總長126 m.高速列車外形較為復雜，考慮到計算機性能和工作量，建模時僅提取車體外形有效部分，略了列車表面車門、車窗、受電弓、轉向架等結構，僅保留主要外形輪廓， 整車計算模型如圖3所示.

圖3 整車模型

設備艙內的設備數目眾多并且幾何形狀復雜， 為簡化計算模型，設備艙內牽引變壓器、牽引變流器、輔助變流器簡化為六面體結構，如圖4所示.

圖4 設備艙模型

2.2 仿真區域

綜合考慮計算精度和計算量，計算模型的流場區域外形尺寸為長376 m、寬60 m，高35 m，如圖5所示.其中車頭距離前方入口處100 m，車尾距離后方出口處150 m.計算仿真為高速列車在橫風環境中運行，由于設備艙格柵設置不對稱，所以左右兩個方向的橫風都需要考慮.設置左側和右側橫風來流時，分別考慮環境溫度為-15、25、40℃時高速列車車下設備艙的溫度場分布情況，邊界條件參數如表1所示.

圖5 流場計算區域及邊界條件

方案列車速度km/h橫風速度m/s環境溫度℃135015-152350152533501540

2.3 網格劃分

非結構化網格可以很好的適應不規則區域，所以計算模型的網格類型采用非結構化的四面體網格.

網格大小范圍為100～800 mm，對于需要進行精密計算的發熱設備的網格進行加密，設定為100 mm，車體網格與空氣流場網格大小為800 mm，設備艙網格如圖6所示.

圖6 設備艙網格

3 模型校驗和結果分析

3.1 模型校驗

對某型號高速列車車下設備艙長期溫度跟蹤監測數據進行分析.試驗時，溫度傳感器布置在車下設備表面，以中間車1為主要研究對象，提取環境溫度為30℃時部分測點的溫度數據作為參考值，通過反復仿真計算，推算出高速列車實際運行時的熱源邊界條件，得到中間車1主要發熱設備變壓器的發熱功率為4 946 W/m3,輔助變流器的發熱功率為1 607 W/m3，仿真結果如圖7所示.

圖7 環境溫度30℃設備艙溫度分布

表2列出了設備艙內不同設備表面實測溫度值與仿真所得溫度值.變壓器實測溫度值為70.28℃，仿真溫度值為68.98℃，誤差為1.85%；輔助變流器實測溫度值為38.45℃，仿真溫度值為37.93℃，誤差為1.35%.得到高置信度仿真模型.

表2 仿真數據與試驗數據

3.2 仿真結果分析

每種仿真方案都分為橫風左側來流和橫風右側來流，高速列車固定時速350 km/h .分別得到了三種方案環境溫度下車下設備艙的溫度場分布規律，中間車1主要發熱設備為變壓器和輔助變流器，提取距設備艙底部0.5 m橫截面、所有設備表面進行溫度場分析，由于不同環境溫度下設備艙溫度分布規律具有一致性，僅對環境溫度為-15℃和40℃兩種情況進行分析.

3.2.1 環境溫度-15℃ 時設備艙溫度分布

圖8為環境溫度-15℃時設備艙溫度分布.橫風右側來流時，變壓器一位端側上部溫度較高，為29.34℃，二位端側下部散熱效果較好，溫度為22.69℃.輔助變流器溫度分布較為均勻，為-3.94℃.橫風左側來流時，變壓器一位端側上部溫度為25.56℃，二位端側下部溫度為21.29℃.輔助變流器溫度為-6.47℃.變壓器一位端上部溫度左側來流時比右側來流時降低3.78℃，二位端下部溫度左側來流時比右側來流時降低1.4℃；輔助變流器溫度左側來流時比右側來流時降低2.53℃.

圖8 -15℃設備艙溫度分布云圖

以上數據表明，橫風左側來流時設備艙通風散熱情況優于橫風右側來流.這是由通風格柵的位置決定的，右側格柵位于二位端，左側格柵位于一位端.橫風來流時，一位端通風格柵更利于空氣進入設備艙，冷空氣帶出較多熱量.

3.2.2 環境溫度40℃時設備艙溫度分布

圖9為環境溫度40℃時設備艙溫度分布.橫風右側來流時，變壓器一位端側上部溫84.97℃，二位端側下部溫度為78.14℃.輔助變流器溫度分布較為均勻，為53.08℃；橫風左側來流時，變壓器一位端側上部溫度為81.19℃，二位端側下部溫度為71.85℃.輔助變流器溫度為48.62℃.變壓器一位端上部溫度左側來流時比右側來流時降低3.78℃，二位端下部溫度左側來流時比右側來流時降低1.29℃；輔助變流器溫度左側來流時比右側來流時降低4.46℃.

圖9 40℃設備艙溫度分布云圖

環境溫度40℃時輔助變流器橫風左側來流比右側來流降低4.46，環境溫度-15℃時輔助變流器橫風左側來流比右側來流降低2.53℃.說明溫度越高時，改善設備艙通風情況，散熱效果改善幅度越大.

3.3 通風格柵改進及結果分析

通過對比分析橫風不同方向來流時設備艙內溫度的差異，可知設備艙內空氣流動速度對發熱設備散熱有較大影響.如圖10所示，著重在發熱設備附近增加通風格柵數量，并使其對稱分布.模擬列車以350 km/h運行在40℃環境中，設備艙溫度場仿真結果如圖11所示，變壓器最高溫度為62.17℃，比改進前降低22.8℃，散熱性能得到明顯改善.

圖10 通風格柵布置

圖11 改進后設備艙溫度分布

4 結論

通過對時速為350 km/h的高速列車在不同運行環境中的數值仿真，對比分析結果得到以下結論：

(1)以試驗數據為參考依據，修改數值模擬邊界條件，獲得的計算模型置信度高；

(2)橫風左側來流時設備艙通風散熱情況優于橫風右側來流；

(3)在發熱設備附近增加通風格柵數量和對稱布置通風格柵更有利于車下設備艙通風散熱；

(4)獲得橫風條件下車下設備艙溫度分布規律，為車下設備的合理布局提供參考.