白剛

（中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連116021）

高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱影響因素分析

白剛

（中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連116021）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展，高速鐵路應(yīng)時(shí)而生，其具有運(yùn)行速度高、安全性高、能耗低、運(yùn)能大、舒適度高等特點(diǎn)[1]，逐漸成為人們出行首選，高速列車的運(yùn)行安全問(wèn)題也愈發(fā)受到人們重視。磁懸浮列車、“和諧號(hào)”動(dòng)車組都曾因設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備過(guò)熱引發(fā)故障，故研究高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱問(wèn)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(duì)設(shè)備的侵蝕，減小列車運(yùn)行氣動(dòng)阻力[2]，高速列車設(shè)備艙采用的是模塊化半封閉設(shè)計(jì)，設(shè)備艙兩側(cè)安裝裙板，裙板上開(kāi)數(shù)個(gè)通風(fēng)口。列車運(yùn)行時(shí)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量熱量，依靠從裙板通風(fēng)口進(jìn)入的冷卻空氣將熱量帶走，熱量能否及時(shí)排出設(shè)備艙直接影響到列車的運(yùn)行安全。目前學(xué)者對(duì)列車設(shè)備艙散熱問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究。韓運(yùn)動(dòng)等[3]探究了明線會(huì)車工況下設(shè)備艙的進(jìn)、排風(fēng)口壓力及流量的演變規(guī)律；黃少東[4]、章國(guó)平等[5]研究了不同環(huán)境溫度變化對(duì)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(yùn)行有無(wú)橫風(fēng)、隧道運(yùn)行工況下，設(shè)備艙通風(fēng)散熱性能的變化及裙板底板的氣動(dòng)載荷變化；王葉峰等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了對(duì)牽引變流器中的IGBT的散熱問(wèn)題；梁習(xí)鋒等[8-9]實(shí)車測(cè)試和數(shù)值模擬方法研究了高速列車牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)流量變化及車身表面壓力分布問(wèn)題。本文則采用CFD數(shù)值模擬方法，研究分析列車運(yùn)行速度、通風(fēng)口縱向位置不同對(duì)設(shè)備艙通風(fēng)散熱特性的影響。

1 計(jì)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(shí)外形結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，車身上安裝有車窗、車門、門把手、車燈等相對(duì)較小凸起物，每節(jié)列車頂部安裝有空調(diào)機(jī)組、動(dòng)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(jì)算機(jī)的計(jì)算性能及工作量，進(jìn)行幾何建模時(shí)對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。本章節(jié)研究的是車下設(shè)備艙的問(wèn)題，因而不考慮車頂空調(diào)機(jī)組、受電弓、車燈等結(jié)構(gòu)的影響，車身簡(jiǎn)化為光滑曲面，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略復(fù)雜的細(xì)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(shí)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(fēng)口的位置均與MP02車相同。

1.2 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行列車的流場(chǎng)計(jì)算建模時(shí)，計(jì)算域的確定應(yīng)是不對(duì)高速列車設(shè)備艙周圍流場(chǎng)產(chǎn)生影響，因而在保證獲取完整列車流場(chǎng)空氣流動(dòng)特性信息及消除邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的前提下，盡可能的減小了計(jì)算區(qū)域，減少網(wǎng)格數(shù)量，從而提高模擬計(jì)算的速度，減少計(jì)算時(shí)間。本章節(jié)在確定計(jì)算域時(shí)車頭距離入口邊界應(yīng)大于車頭的反射流場(chǎng)的影響區(qū)域，列車尾部空間大于25倍車寬，計(jì)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(duì)不同區(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，重點(diǎn)關(guān)注車體及設(shè)備艙區(qū)域，同時(shí)對(duì)流體參數(shù)變化比較劇烈、尺寸較小的面進(jìn)行了加密處理。網(wǎng)格總數(shù)為1900萬(wàn)，質(zhì)量大于0.32，網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖4所示。

1.3 計(jì)算設(shè)置及邊界條件

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在工程應(yīng)用上的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，精度可靠，且相對(duì)于大渦模擬等，計(jì)算量要小很多。因而本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，利用SIMPLE算法求解方程，對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)差分格式。

在高速列車設(shè)備艙散熱的模擬計(jì)算邊界條件的處理上，入口設(shè)置為速度入口，風(fēng)速設(shè)置為250km/h、300km/h和350km/h，來(lái)流溫度為35℃。出口設(shè)置為壓力出口，一般默認(rèn)為0Pa，操作壓力為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算得到。

2 計(jì)算結(jié)果分析

仿真計(jì)算很好地模擬了高速列車運(yùn)行時(shí)設(shè)備艙內(nèi)空氣的流動(dòng)及設(shè)備散熱狀況，本節(jié)對(duì)不同運(yùn)行工況下的速度場(chǎng)、通風(fēng)量、設(shè)備溫度等結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選取的設(shè)備艙截面如圖5所示。

2.1 運(yùn)行速度影響

本節(jié)通過(guò)列車運(yùn)行速度為250km/h、300km/h和350km/h三個(gè)工況計(jì)算結(jié)果分析運(yùn)行速度對(duì)設(shè)備艙通風(fēng)散熱的影響。

對(duì)設(shè)備艙內(nèi)速度場(chǎng)方面影響，不同運(yùn)行速度下設(shè)備艙內(nèi)的速度場(chǎng)分布具有大致相同的趨勢(shì)，如圖6和圖7所示，列車從左向右運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)空氣從兩側(cè)裙板通風(fēng)口進(jìn)入設(shè)備艙，沿著裙板向設(shè)備艙后部流動(dòng)，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(gè)設(shè)備的間隙中由后部向前部流動(dòng)。

隨著列車運(yùn)行速度提高，設(shè)備艙內(nèi)空氣平均流速增大，見(jiàn)表1，運(yùn)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(dǎo)、熱對(duì)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(duì)流換熱作用，空氣速度的增大會(huì)增強(qiáng)設(shè)備對(duì)流換熱量，在假設(shè)設(shè)備散熱量相同的情況下，列車運(yùn)動(dòng)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(fēng)量分布方面，設(shè)備艙兩側(cè)裙板分別安裝10個(gè)通風(fēng)口，通風(fēng)口編號(hào)如圖8所示。圖9為設(shè)備艙N側(cè)通風(fēng)口風(fēng)量分布，其中正值表示進(jìn)風(fēng)，負(fù)值表示出風(fēng)。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(yùn)行時(shí)，各個(gè)通風(fēng)口的通風(fēng)量分布變化上具有相同的趨勢(shì)，且進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)狀態(tài)相同。設(shè)備艙N側(cè)裙板上通風(fēng)口兩端進(jìn)風(fēng)，中部出風(fēng)，S側(cè)通風(fēng)口進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)與N側(cè)相反。

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

在溫度分布方面，列車運(yùn)行速度不同導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)的通風(fēng)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(guò)自身殼體散熱，另一部分熱量通過(guò)冷卻單元排到外界環(huán)境。見(jiàn)表3，假設(shè)250km/h、300km/h和350km/h運(yùn)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(jìn)方向）位置影響

本節(jié)選取的運(yùn)行速度為300km/h，通過(guò)MP07車和MP02車計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析了通風(fēng)口縱向位置不同對(duì)設(shè)備艙通風(fēng)散熱的影響。

在速度場(chǎng)分布方面，設(shè)備艙內(nèi)速度場(chǎng)分布具有大致相同的趨勢(shì)，空氣在設(shè)備艙的流動(dòng)狀態(tài)見(jiàn)2.1小節(jié)。兩節(jié)車在縱向位置上的具有差異，見(jiàn)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(jìn)、出風(fēng)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(fēng)量分布方面，MP02車和MP07車通風(fēng)口風(fēng)量變化具有相同趨勢(shì)，N側(cè)通風(fēng)口大體呈現(xiàn)兩端進(jìn)風(fēng)，中間出風(fēng)狀態(tài)，S側(cè)與之相反。列車運(yùn)行時(shí)，靠近車頭的設(shè)備艙進(jìn)風(fēng)量大于尾部列車設(shè)備艙進(jìn)風(fēng)量，通過(guò)表5中數(shù)據(jù)得到MP07車設(shè)備艙的總進(jìn)風(fēng)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(yīng)好于MP07車。

表5 設(shè)備艙進(jìn)、出風(fēng)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(fēng)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(dòng)性及通風(fēng)量均好于MP07車，見(jiàn)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析得到運(yùn)行速度、通風(fēng)口縱向位置差異均對(duì)高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱有一定影響：

（1）運(yùn)行速度不同對(duì)同一車型設(shè)備艙內(nèi)空氣流動(dòng)趨勢(shì)、裙板通風(fēng)口進(jìn)、出風(fēng)狀態(tài)基本沒(méi)有影響，但隨著列車運(yùn)行速度提高，設(shè)備艙內(nèi)空氣流動(dòng)性更好，通風(fēng)量增大，通風(fēng)散熱性能更好。

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

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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(fēng)散熱問(wèn)題。采用CFD數(shù)值模擬方法，通過(guò)速度場(chǎng)、通風(fēng)量和設(shè)備溫度研究了列車運(yùn)行速度不同和設(shè)備艙通風(fēng)口縱向位置差異對(duì)設(shè)備艙通風(fēng)散熱的影響。通過(guò)250km/h、300km/h和350km/h三個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析得到，列車運(yùn)行速度的提高有利于提高設(shè)備艙內(nèi)空氣流動(dòng)性，增大設(shè)備艙通風(fēng)量，提高通風(fēng)散熱性能。通過(guò)設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備及通風(fēng)口布置完全相同的兩節(jié)車計(jì)算結(jié)果對(duì)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(fēng)散熱性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

高速列車；設(shè)備艙；通風(fēng)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(xué)士，工程師，主要從事軌道車輛空調(diào)與通風(fēng)設(shè)計(jì)工作。