地鐵列車設(shè)備艙通風冷卻設(shè)備布置優(yōu)化

蔣 奎 吳楠楠 何守寶 陸心怡

(1.河北軌道運輸職業(yè)技術(shù)學院鐵道車輛系，050021,石家莊；2.同濟大學機械與能源工程學院，201804,上海//第一作者,副教授)

隨著我國高速列車的飛速發(fā)展，列車運行的安全性和穩(wěn)定性也越來越受到關(guān)注。地鐵車輛的車下設(shè)備主要包括牽引變流器、變壓器、制動設(shè)備和牽引電機等大功率用電設(shè)備。這些設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量,若不能將這些熱量及時排出，會導致設(shè)備超溫，從而影響列車的正常運行，因此有必要對地鐵列車設(shè)備艙熱環(huán)境進行研究。

目前,世界各國對高速列車主要的研究方法有數(shù)值模擬方法和實驗方法[1]。文獻[2-3]最早利用一維假設(shè)建立了隧道壓力波一維流動理論和特征線求解方法。文獻[4-6]采用非對稱滑移網(wǎng)格方法對列車-隧道耦合空氣動力學的諸多問題進行了研究。文獻[7]采用CFD(計算流體動力學)數(shù)值模擬方法,通過速度場、通風量和設(shè)備溫度研究了不同列車運行速度和設(shè)備艙通風口縱向位置差異對設(shè)備艙通風散熱的影響。文獻[8]利用CFD數(shù)值模擬方法研究了列車高速運行于明線無橫風環(huán)境和明線橫風環(huán)境,以及隧道通過等工況下的設(shè)備艙通風散熱性能及設(shè)備艙裙板與底板單元結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

本文旨在通過CFD數(shù)值模擬方法來研究地鐵列車在隧道運行、明線運行、高架運行及隧道停站工況下，列車設(shè)備艙內(nèi)外部的壓力分布及溫度分布。其結(jié)論可為設(shè)備艙通風設(shè)備的布置與設(shè)計提供參考。

1 地鐵列車設(shè)備艙內(nèi)氣流特征和熱環(huán)境

以地鐵列車在隧道運行工況為例，采用數(shù)值模擬方法對地鐵列車設(shè)備艙內(nèi)的氣流特征和熱環(huán)境進行分析。

1.1 計算模型、區(qū)域和網(wǎng)格

采用CFD數(shù)值分析軟件進行幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分。列車共計8節(jié)車廂，總長度約200 m，各節(jié)車廂長約23 m，列車寬約3.1 m，列車高約3.95 m。

本文采用的隧道為截面積約28 m2的線隧道，在進行穩(wěn)態(tài)運行列車的流場計算建模時，取長度大于25倍車寬的列車頭部及尾部空間作為計算區(qū)域。

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。上游隧道區(qū)域和下游隧道區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為0.6 m，近隧道區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m，近車體區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m。設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備均進行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為4 761萬，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.28。

1.2 邊界條件設(shè)置

1.2.1 入口、出口邊界設(shè)置

模擬計算采用非穩(wěn)態(tài)方法，計算區(qū)域入口采用速度入口邊界條件，入口空氣溫度為40 ℃。外流場出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力值為大氣壓，溫度為40 ℃。

1.2.2 其它邊界設(shè)置

設(shè)備艙其他設(shè)備表面、設(shè)備艙頂面、車體、地面和計算區(qū)域邊界均為絕熱，裙板為耦合面。

1.2.3 模型設(shè)置

采用單精度的分離隱式算法器進行計算，壓力與速度的耦合運用SIMPLE算法，壓力離散格式為standard格式，3個坐標方向的速度方程和k、ε方程的對流項離散采用二階迎風差分。空氣密度采用理想不可壓縮氣體。除壓力的松弛因子取0.3、動量松弛因子取0.7外，其余各變量的松弛因子均介于0.8～1.0。

1.3 收斂判據(jù)

計算收斂判據(jù)如下:①連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能方程和耗散率方程殘差小于1程殘差小于10-6；②計算區(qū)域的質(zhì)量和能量均守恒；③壓力場和溫度場的計算結(jié)果合理。

1.4 設(shè)備艙熱環(huán)境計算分析

采用CFD數(shù)值分析軟件對地鐵列車設(shè)備艙進行了計算仿真，并對其結(jié)果進行了后處理和分析。圖1所示為地鐵列車設(shè)備艙截而位置選取示意圖。

注：Z截面距設(shè)備艙頂板距離為0.55 m；Y截面為車體中間截面

1.4.1 列車設(shè)備艙氣流特征分析

列車設(shè)備艙速度場分布如圖2所示。由圖2可知,列車運行過程中，由于受到轉(zhuǎn)向架、變壓器和牽引變流器等的阻擋，艙內(nèi)空氣速度沿著車身方向逐漸減小;一位端轉(zhuǎn)向架附近空氣流速變化較大，空氣流經(jīng)變壓器后速度場分布較為均勻;裙板將外界和設(shè)備艙分隔開，其兩側(cè)速度場的變化極為明顯。

圖2 截面列車設(shè)備艙速度矢量分布云圖

1.4.2 列車設(shè)備艙熱環(huán)境計算結(jié)果分析

1.4.2.1 列車設(shè)備艙壓力場

列車設(shè)備艙壓力分布如圖3所示。由圖3可知,列車在高速運行中，設(shè)備艙內(nèi)壓力整體呈沿車長方向逐漸減小的趨勢。一位端轉(zhuǎn)向架的前部壓力較高，且壓力分布較均勻;由于受到設(shè)備艙內(nèi)轉(zhuǎn)向架的阻擋，壓力場發(fā)生巨大變化，空氣流動經(jīng)過變壓器后，壓力場相對穩(wěn)定。

1.4.2.2 列車設(shè)備艙溫度場

列車設(shè)備艙溫度場分布如圖4所示。由圖4可知，設(shè)備艙內(nèi)溫度分布變化較為明顯。空氣進入設(shè)備艙后，受到轉(zhuǎn)向架電機、變壓器和牽引變流器等主要設(shè)備熱源的影響，溫度逐漸升高。設(shè)備艙中部區(qū)域散熱量較大的牽引變流器和變壓器周圍空氣溫度較高。

圖3 截面列車設(shè)備艙全壓分布云圖

圖4 截面列車設(shè)備艙溫度分布云圖

2 不同運行工況下設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境差異

分別對隧道運行、明線運行、高架運行和隧道停站等工況下的地鐵列車設(shè)備艙進行數(shù)值模擬研究，并對比不同運行工況下地鐵列車設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境差異。

2.1 速度場計算結(jié)果分析

在速度場中，由于受到轉(zhuǎn)向架、變壓器、牽引變流器和其他設(shè)備的阻擋，在明線運行和高架運行工況下，艙內(nèi)空氣速度均沿著車身方向逐漸減小。一位端轉(zhuǎn)向架附近空氣流速變化較大，空氣流經(jīng)變壓器后速度場分布變得較為均勻。裙板將外界和設(shè)備艙分隔開，其兩側(cè)速度場的變化極為明顯。在隧道停站工況下，列車處于靜止狀態(tài)，隧道內(nèi)空氣的流通依靠排熱系統(tǒng)的風機提供動力。因為冷卻風機的存在，空氣受迫流動，使得風機附近空氣流速較大，但其周圍空氣流速卻較小。

2.2 壓力場計算結(jié)果分析

列車在明線運行和高架運行工況下，設(shè)備艙內(nèi)壓力變化整體呈沿車長方向逐漸減小的趨勢。一位端轉(zhuǎn)向架前部壓力較高，且分布較均勻;由于受到設(shè)備艙內(nèi)轉(zhuǎn)向架的阻擋，壓力場發(fā)生巨大變化，空氣流動經(jīng)過變壓器后，壓力場變得相對穩(wěn)定。列車在停站工況下，全壓壓力場分布相比隧道運行和明線運行工況的變化更小和更穩(wěn)定。設(shè)備艙內(nèi)全壓壓力場分布受到牽引變流器冷卻風機和變壓器冷卻單元風機的影響，靠近變壓器冷卻風入口處的壓力要比周圍環(huán)境壓力小，同時排熱系統(tǒng)軌底風口向隧道內(nèi)送風，使得靠近屏蔽門側(cè)的壓力偏小。

2.3 溫度場計算結(jié)果分析

列車在明線運行和高架運行工況下，設(shè)備艙內(nèi)溫度變化較為明顯。空氣進入設(shè)備艙后，受到轉(zhuǎn)向架電機、變壓器、牽引變流器等主要設(shè)備熱源的影響，溫度逐漸升高，且溫度最高位置出現(xiàn)在設(shè)備艙中部區(qū)域。在隧道停站工況下，設(shè)備艙內(nèi)空氣溫度分布與熱源有關(guān)，靠近熱源的地方溫度較高，遠離熱源的地方溫度較低。由于列車裙板的阻擋，軌底風口送風未起到最大作用，設(shè)備艙內(nèi)未將更多的熱量送走。

3 設(shè)備艙通風冷卻設(shè)備布置優(yōu)化建議

結(jié)合本次計算結(jié)果，對于列車設(shè)備艙的通風冷卻設(shè)備布置,提出如下建議：

(1) 通過在裙板兩側(cè)開通風口，加大進入設(shè)備艙的冷卻風量來進行散熱。將軌底風口與設(shè)備艙裙板風口布置一一對應(yīng)，可增大停站時進入設(shè)備艙冷空氣的流量，從而達到帶走熱量和冷卻設(shè)備的目的。

(2) 將發(fā)熱量較大的設(shè)備布置于設(shè)備艙的兩端。設(shè)備艙中部區(qū)域空氣流動相對穩(wěn)定，兩端空氣流速較大，這樣使得空氣擾動性增強，從而利于設(shè)備進行散熱。

4 結(jié)語

本文通過CFD數(shù)值模擬仿真對地鐵列車車型設(shè)備艙的壓力場和溫度場進行了計算。因為夏季溫度最高，對列車設(shè)備運行最為不利，因此本文選取夏季(隧道及明線空氣溫度40 ℃)、明線和高架運行工況,以及考慮太陽輻射等條件來進行計算。通過仿真計算得到隧道運行、明線運行、高架運行及隧道停站4種工況下列車設(shè)備艙內(nèi)部空氣溫度分布和壓力分布情況。

結(jié)合理論與模擬結(jié)果，對地鐵列車設(shè)備艙內(nèi)溫度場的優(yōu)化提出以下建議：一是通過在裙板兩側(cè)開通風口加大進入設(shè)備艙的冷卻風量來進行散熱,二是將發(fā)熱量較大的設(shè)備布置于設(shè)備艙的兩端。