白剛

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連116021）

高速列車設(shè)備艙通風散熱影響因素分析

白剛

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連116021）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟、科技的發(fā)展，高速鐵路應時而生，其具有運行速度高、安全性高、能耗低、運能大、舒適度高等特點[1]，逐漸成為人們出行首選，高速列車的運行安全問題也愈發(fā)受到人們重視。磁懸浮列車、“和諧號”動車組都曾因設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備過熱引發(fā)故障，故研究高速列車設(shè)備艙通風散熱問題具有重要的意義。

高速列車設(shè)備艙內(nèi)安裝有牽引變流器、變壓器、輔助變流器、蓄電池等設(shè)備，為了防止外界雨水、灰塵等對設(shè)備的侵蝕，減小列車運行氣動阻力[2]，高速列車設(shè)備艙采用的是模塊化半封閉設(shè)計，設(shè)備艙兩側(cè)安裝裙板，裙板上開數(shù)個通風口。列車運行時設(shè)備會產(chǎn)生大量熱量，依靠從裙板通風口進入的冷卻空氣將熱量帶走，熱量能否及時排出設(shè)備艙直接影響到列車的運行安全。目前學者對列車設(shè)備艙散熱問題進行了一定的研究。韓運動等[3]探究了明線會車工況下設(shè)備艙的進、排風口壓力及流量的演變規(guī)律；黃少東[4]、章國平等[5]研究了不同環(huán)境溫度變化對高速列車設(shè)備艙發(fā)熱設(shè)備表面溫度的影響；胡文錦[6]使用CFD軟件研究了明線運行有無橫風、隧道運行工況下，設(shè)備艙通風散熱性能的變化及裙板底板的氣動載荷變化；王葉峰等[7]通過實驗研究了對牽引變流器中的IGBT的散熱問題；梁習鋒等[8-9]實車測試和數(shù)值模擬方法研究了高速列車牽引電機冷卻風機流量變化及車身表面壓力分布問題。本文則采用CFD數(shù)值模擬方法，研究分析列車運行速度、通風口縱向位置不同對設(shè)備艙通風散熱特性的影響。

1 計算方法

1.1 幾何模型

采用某高速列車三維圖紙，使用三維軟件1：1建立高速列車模型。高速列車的真實外形結(jié)構(gòu)極為復雜，車身上安裝有車窗、車門、門把手、車燈等相對較小凸起物，每節(jié)列車頂部安裝有空調(diào)機組、動力車廂頂部安裝有受電弓、列車車下安裝有轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)，考慮到計算機的計算性能及工作量，進行幾何建模時對車體結(jié)構(gòu)進行適當簡化。本章節(jié)研究的是車下設(shè)備艙的問題，因而不考慮車頂空調(diào)機組、受電弓、車燈等結(jié)構(gòu)的影響，車身簡化為光滑曲面，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對轉(zhuǎn)向架進行適當簡化，忽略復雜的細小結(jié)構(gòu)，保留主要幾何特征，盡可能的保留高速列車的真實車身結(jié)構(gòu)[10]。如圖1所示，本文列車采用4節(jié)編組，即頭車+MP02車+MP07車+尾車，圖2為MP02車設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備布置圖，MP07車設(shè)備艙內(nèi)安裝的設(shè)備、設(shè)備布置及設(shè)備艙通風口的位置均與MP02車相同。

1.2 計算域和網(wǎng)格劃分

在進行穩(wěn)態(tài)運行列車的流場計算建模時，計算域的確定應是不對高速列車設(shè)備艙周圍流場產(chǎn)生影響，因而在保證獲取完整列車流場空氣流動特性信息及消除邊界對計算結(jié)果影響的前提下，盡可能的減小了計算區(qū)域，減少網(wǎng)格數(shù)量，從而提高模擬計算的速度，減少計算時間。本章節(jié)在確定計算域時車頭距離入口邊界應大于車頭的反射流場的影響區(qū)域，列車尾部空間大于25倍車寬，計算域的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對不同區(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸進行劃分，重點關(guān)注車體及設(shè)備艙區(qū)域，同時對流體參數(shù)變化比較劇烈、尺寸較小的面進行了加密處理。網(wǎng)格總數(shù)為1900萬，質(zhì)量大于0.32，網(wǎng)格細節(jié)如圖4所示。

1.3 計算設(shè)置及邊界條件

標準k-ε湍流模型在工程應用上的準確性已經(jīng)得到了大量的試驗驗證，精度可靠，且相對于大渦模擬等，計算量要小很多。因而本文采用標準k-ε湍流模型，利用SIMPLE算法求解方程，對流項的離散采用二階迎風差分格式。

在高速列車設(shè)備艙散熱的模擬計算邊界條件的處理上，入口設(shè)置為速度入口，風速設(shè)置為250km/h、300km/h和350km/h，來流溫度為35℃。出口設(shè)置為壓力出口，一般默認為0Pa，操作壓力為標準大氣壓。列車表面設(shè)置為非滑移壁面。設(shè)備艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備采用面熱源邊界條件，熱流密度根據(jù)設(shè)備發(fā)熱量和散熱面積計算得到。

2 計算結(jié)果分析

仿真計算很好地模擬了高速列車運行時設(shè)備艙內(nèi)空氣的流動及設(shè)備散熱狀況，本節(jié)對不同運行工況下的速度場、通風量、設(shè)備溫度等結(jié)果進行對比分析，選取的設(shè)備艙截面如圖5所示。

2.1 運行速度影響

本節(jié)通過列車運行速度為250km/h、300km/h和350km/h三個工況計算結(jié)果分析運行速度對設(shè)備艙通風散熱的影響。

對設(shè)備艙內(nèi)速度場方面影響，不同運行速度下設(shè)備艙內(nèi)的速度場分布具有大致相同的趨勢，如圖6和圖7所示，列車從左向右運行，運行時空氣從兩側(cè)裙板通風口進入設(shè)備艙，沿著裙板向設(shè)備艙后部流動，受到端板阻擋后，空氣流向發(fā)生改變，設(shè)備艙中部區(qū)域空氣從各個設(shè)備的間隙中由后部向前部流動。

隨著列車運行速度提高，設(shè)備艙內(nèi)空氣平均流速增大，見表1，運行速度為300km/h和350km/h工況設(shè)備艙內(nèi)空氣平均流速比250km/h分別大35.83%和58.70%。熱傳遞[11]有三種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射，設(shè)備艙的設(shè)備散熱主要依靠空氣與設(shè)備間的對流換熱作用，空氣速度的增大會增強設(shè)備對流換熱量，在假設(shè)設(shè)備散熱量相同的情況下，列車運動速度越大則越有利于設(shè)備散熱。

表1 設(shè)備艙空氣平均流速

在設(shè)備艙通風量分布方面，設(shè)備艙兩側(cè)裙板分別安裝10個通風口，通風口編號如圖8所示。圖9為設(shè)備艙N側(cè)通風口風量分布，其中正值表示進風，負值表示出風。從數(shù)據(jù)圖中可以看到高速列車分別以250km/h、300km/h和350km/h的速度運行時，各個通風口的通風量分布變化上具有相同的趨勢，且進風、出風狀態(tài)相同。設(shè)備艙N側(cè)裙板上通風口兩端進風，中部出風，S側(cè)通風口進出風狀態(tài)與N側(cè)相反。

表2是運行速度為250km/h、300km/h和350km/h工況下設(shè)備艙的進、出風量數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以得到列車運行是N側(cè)進風量大于出風量，而S側(cè)進風量小于出風量是3個工況具有的相同點。不同之處是隨著列車運行速度的增大，進入設(shè)備艙的通風量也隨之增加，與運行速度為250km/h工況相比，300km/h和350km/h工況設(shè)備艙的總進風量分別增大17.28%和38.42%。

在溫度分布方面，列車運行速度不同導致設(shè)備艙內(nèi)的通風量、速度、壓力等參數(shù)發(fā)生變化，這些因素直接影響到了設(shè)備艙發(fā)熱設(shè)備的散熱。MP02車設(shè)備艙的主要發(fā)熱設(shè)備是牽引變流器，其發(fā)熱量一部分通過自身殼體散熱，另一部分熱量通過冷卻單元排到外界環(huán)境。見表3，假設(shè)250km/h、300km/h和350km/h運行速度下，設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱量相同，設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備表面平均溫度及空氣平均溫度均隨速度增大而降低。

2.2 縱向（車輛前進方向）位置影響

本節(jié)選取的運行速度為300km/h，通過MP07車和MP02車計算結(jié)果對比分析了通風口縱向位置不同對設(shè)備艙通風散熱的影響。

在速度場分布方面，設(shè)備艙內(nèi)速度場分布具有大致相同的趨勢，空氣在設(shè)備艙的流動狀態(tài)見2.1小節(jié)。兩節(jié)車在縱向位置上的具有差異，見表4，MP02車靠近頭車，MP07車靠近尾車，設(shè)備艙空氣平均流速沿車頭到車尾方向減小，與MP02車相比，MP07車設(shè)備艙空氣平均速度減小13.41%。

表2 設(shè)備艙進、出風量數(shù)據(jù)

表3 平均溫度數(shù)據(jù)

表4 設(shè)備艙空氣平均流速

在通風量分布方面，MP02車和MP07車通風口風量變化具有相同趨勢，N側(cè)通風口大體呈現(xiàn)兩端進風，中間出風狀態(tài)，S側(cè)與之相反。列車運行時，靠近車頭的設(shè)備艙進風量大于尾部列車設(shè)備艙進風量，通過表5中數(shù)據(jù)得到MP07車設(shè)備艙的總進風量比MP02車少約33.31%?？紤]到設(shè)備艙設(shè)備的散熱量由冷卻空氣帶走，因而MP02車設(shè)備艙的散熱狀況應好于MP07車。

表5 設(shè)備艙進、出風量數(shù)據(jù)

在溫度分布方面，MP02車和MP07車設(shè)備布置及通風口布置均相同，在縱向位置存在差異情況下，MP02車設(shè)備艙空氣流動性及通風量均好于MP07車，見表6，MP02車設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備表面平均溫度及空氣平均溫度均低于MP07車。

表6 平均溫度數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析得到運行速度、通風口縱向位置差異均對高速列車設(shè)備艙通風散熱有一定影響：

（1）運行速度不同對同一車型設(shè)備艙內(nèi)空氣流動趨勢、裙板通風口進、出風狀態(tài)基本沒有影響，但隨著列車運行速度提高，設(shè)備艙內(nèi)空氣流動性更好，通風量增大，通風散熱性能更好。

（2）通過縱向位置不同的同一車型的兩節(jié)車對比得到沿車頭到車尾方向設(shè)備艙的通風散熱性能呈現(xiàn)下降趨勢。

[1]李世珷.世界高速鐵路發(fā)展的動向[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2007，35（1）：35-37.

[2]楊志剛，高喆，陳羽，等.裙板安裝對高速列車氣動性能影響的數(shù)值分析[J].計算機輔助工程，2010，（3）：16-21.

[3]韓運動，陳大偉，林鵬，等.動車組明線會車工況下的設(shè)備艙氣流組織仿真研究[J].鐵道機車車輛，2013，33：22-26.

[4]黃少東，范樂天，李福祿，等.CRH3型動車組設(shè)備艙溫度分布和變化規(guī)律[J].大連交通大學學報，2013，（5）：54-57.

[5]章國平，范樂天，王廣明，等.高速列車車下設(shè)備艙溫度場分析[J].鐵道機車車輛，2012，32：5-8.

[6]胡文錦.高速列車設(shè)備艙通風散熱及氣動響應研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[7]王業(yè)峰，白軍，梁雪.牽引變流器中IGBT的水冷實驗研究[J].甘肅科技，2011，27（23）：:51-53.

[8]梁習鋒，武傳田.高速列車牽引電機冷卻風機流量實車試驗研究[J].鐵道學報，2004，26（2）：38-41.

[9]梁習鋒，劉國偉.控制車體表面壓力分布試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2003，21（1）：88-92.

[10]許喬奇.動車組外流場空氣動力特性數(shù)值仿真[D].大連：大連交通大學，2009.

[11]王厚華.傳熱學[M].重慶：重慶大學出版社，2006.

Analysis of the Factors on the Ventilation and Heat Dissipation of High-speed Train Equipment Cabin

研究了高速列車設(shè)備艙的通風散熱問題。采用CFD數(shù)值模擬方法，通過速度場、通風量和設(shè)備溫度研究了列車運行速度不同和設(shè)備艙通風口縱向位置差異對設(shè)備艙通風散熱的影響。通過250km/h、300km/h和350km/h三個工況的計算結(jié)果對比分析得到，列車運行速度的提高有利于提高設(shè)備艙內(nèi)空氣流動性，增大設(shè)備艙通風量，提高通風散熱性能。通過設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備及通風口布置完全相同的兩節(jié)車計算結(jié)果對比得到縱向位置差異的影響，沿車頭到車尾方向設(shè)備艙的通風散熱性能呈現(xiàn)下降趨勢。

高速列車；設(shè)備艙；通風散熱；影響因素

BAI Gang
（CRRC Dalian Insititute Co.,Ltd，Dalian 116021，China）

This paper studies the ventilation and heat dissipation of high-speed train equipment cabin.By adopting the method of CFD numerical simulation on the velocity field,temperature field,air volume and equipment temperature，the effect on ventilation and heat dissipation is studied by the different running speed of train and the vents positions along running direction of the train.Compared with the calculation results of the 250km/h、300km/h and 350km/h three conditions,the increase of train running speed can improve the air flow and ventilation of equipment cabin so as to improve the ventilation and heat dissipation performance.Compared with the calculation results of two carriages in different position along the running direction of the train with the same equipments and vents position,the ventilation and heat dissipation performance shows a decline from the head to the tail of the high-speed train.

high-speed train；equipment cabin；ventilation and heat dissipation；factor

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.021

U270.383

B

2095-3429（2016）04-0086-05

2016-05-31

修回日期：2016-07-15

白剛（1978-），男，天津人，學士，工程師，主要從事軌道車輛空調(diào)與通風設(shè)計工作。