動車組設備艙內流場計算分析

于慶斌 邵 晴

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心,130062,長春//第一作者,正高級工程師)

隨著我國高速鐵路的快速建設，越來越多的動車組行駛在類似蘭新線、哈大線等極端溫度、惡劣風環境的線路上[1-3]。這些特殊環境對動車組的安全運營和列車設備艙的通風散熱性能均產生很大影響[4-5]。為了減小風、沙、雨、雪對動車組設備艙內吊掛設備的影響，同時緩解因設備艙內溫度過高而影響動車組正常運行的情況，動車組設備艙采用了大面積格柵加過濾網的特殊密封式結構和通風形式[6-7]，既保證設備艙與外界氣流交換和散熱，又能阻擋外界砂礫等雜質進入設備艙。但即使這樣，仍會有細小的沙塵進入設備艙內，對設備艙和內部設備產生影響。

本文采用列車空氣動力學的數值計算方法，對惡劣風環境和高溫條件下動車組在明線和通過風區擋風墻[8]等工況下的設備艙內流場進行模擬研究。主要研究了動車組距離擋風墻不同位置時，設備艙內部流場的變化情況；考慮動車組在不同車速和不同風速下，其設備艙內流場的變化情況，以及底部開孔對設備艙內流場的影響。

1 動車組設備艙內流場計算條件

本文選取動車組設備艙內對周圍流場及溫度場有較大影響的牽引輔助變流器和主變壓器車輛作為研究對象，采用湍流模型[9-10]模擬動車組周圍空氣流場的流向，分析設備艙內變流器和主變壓器周圍流場及其溫度場的分布情況。

1.1 計算模型

計算模型根據某型號動車組設備艙及其內部設備創建。圖1為采用3輛編組的動車組及設備艙數值計算模型。圖2為動車組設備艙內部布置圖。其中，圖2 a)為位于頭車和尾車的帶有牽引輔助變流器的動車設備艙，圖2 b)為位于中間車的帶有主變壓器的拖車設備艙。

圖1 動車組及設備艙數值計算模型

圖2 動車組設備艙內部布置圖

1.2 邊界條件

邊界條件按照格柵(包括濾網)、牽引輔助變流器和主變壓器實際設計時的通風量及散熱功率來設置。模擬計算中，線路的線間距均取5 m；各工況均采用3輛編組(頭車+中間車+尾車)的形式，且頭車為安裝變流器的動車，中間車為安裝主變壓器的拖車。本文主要針對動車組設備艙內的流場進行研究，計算時同時考慮列車外部流場和設備艙內部流場間的耦合。表1為動車組通過擋風墻時設備艙模擬工況。表1中，風速及車速根據《鐵路客運專線技術管理辦法》中關于動車組列車遇大風行車限速的規定及大風管理辦法選取。

表1 動車組通過擋風墻時設備艙模擬工況表

動車組設備艙及吊掛設備壁面、地面均采用標準壁面函數模擬。具體設備艙及內部設備邊界條件設置如表2～4所示。設備艙內邊界條件設置如圖3所示。計算表2中的格柵阻力特性時，首先對實車格柵(包括過濾網)的通風特性進行試驗測試獲得相關數據，然后對格柵前后流速進行處理，得到格柵前后壓降，從而獲得格柵在不同風速下的阻力特性。

表2 格柵阻力特性

表3 設備發熱量及表面熱流密度

表4 設備通風量

圖3 設備艙內邊界條件設置

2 計算結果與分析

2.1 列車靜止時設備艙內流場模擬分析

圖4為列車處于靜止狀態以及設備和通風系統正常工作下，動車和拖車的設備艙表面壓力分布云圖。通過對模擬結果分析可知：動車組設備艙內變流器內部流場壓力相對外部較大，且整個流場處于強湍流狀態，流場內分布有大小不一的渦；受風機影響，拖車設備艙冷卻箱內流場壓力相對拖車設備艙內要大；相對動車設備艙內流場而言，拖車內流場相對平穩。

圖4 列車靜止時設備艙內三維流線圖

2.2 不同工況下設備艙內流場模擬分析

圖5～8分別是橫風為60 m/s、45 m/s、35 m/s 和20 m/s時，列車分別以0、120 km/h、200 km/h和250 km/h的速度于1線和2線通過擋風墻風區，且設備及通風系統在正常工作條件下時，動車和拖車設備艙表面壓力分布云圖。

圖5 列車在1線遇橫風時動車設備艙內三維流線圖

圖6 列車在1線遇橫風時拖車設備艙內三維流線圖

圖7 列車在2線遇橫風時動車設備艙內三維流線圖

圖8 列車在2線遇橫風時拖車設備艙內三維流線圖

由圖5～8可知，不同工況下動車設備艙內流場明顯改變，拖車設備艙內流場基本一致；動車設備艙及變流器內渦的位置及大小改變明顯，拖車設備艙內壓力有較大差別；動車設備艙內部處于負壓狀態，拖車設備艙內壓力分布相對較均勻；隨橫風風速增大，動車設備艙內負壓隨之顯著增大；不同工況下設備艙內相同位置處壓力變化也較為明顯。

2.3 底部開孔對設備艙內流場的影響

為了研究是否可通過在設備艙底部開孔的方式使沙塵順利排出設備艙外，在設備艙底部開了φ50 mm和φ25 mm的排塵孔，并對開孔后設備艙內的壓力和流線情況進行了分析。圖9～12給出了動車組在30 m/s 橫風下以250 km/h的速度運行，且在設備及通風系統正常工作條件下時，動車和拖車設備艙表面壓力和流線分布云圖。

圖9 不同開孔直徑下動車設備艙表面壓力分布

圖10 不同開孔直徑下拖車設備艙表面壓力分布

圖11 不同開孔直徑下動車設備艙內流線圖

圖12 不同開孔直徑下拖車設備艙流線圖

對圖9～10進行分析可知，動車和拖車設備艙底部開孔均不改變動車設備艙表面壓力分布規律，且設備艙表面壓力隨開孔直徑變化不明顯。

對圖11～12進行分析可知，動車設備艙底部開孔對設備艙流場無顯著影響，開孔大小對流場影響不明顯；拖車設備艙底部開孔對設備艙流場有明顯影響；底部開孔導致設備艙內湍流程度更加劇烈，形成較多的渦流；隨開孔直徑增大，設備艙內渦流增多且變大。

3 結論

1) 列車在靜止且設備及通風系統正常工作的狀態下，動車設備艙內整個流場處于強湍流狀態，拖車設備艙相對動車設備艙內流場而言相對平穩。

2) 列車于1線運行時，動車設備艙內部處于負壓狀態；隨著橫風風速增大，動車設備艙內負壓顯著增大；拖車設備艙內流場基本一致，艙內壓力有較大差別。

3) 列車于2線運行時，動車設備艙內迎風側區域壓力比底部及背風側壓力大；不同工況下，動車設備艙內流場均處于強湍流狀態；拖車設備艙內處于負壓狀態，與列車位于1線時基本相同。

4) 設備艙開孔及開孔直徑變化不改變設備艙表面壓力分布規律，且設備艙表面壓力隨開孔直徑變化不明顯。動車設備艙內風機流量較小，底部開孔對動車設備艙內流場影響較小；拖車設備艙內風機流量很大，開孔對拖車設備艙內流場影響相對較大，導致拖車設備艙內形成較多的渦流，隨開孔增大渦流直徑增大。