劉天驕，何守寶，臧建彬

( 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 嘉定 201804 )

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展與科技水平的日新月異，高鐵在我們生活中出現(xiàn)的頻率越來越高，對高速列車的運(yùn)行安全性也提出了更高的要求。高速列車的設(shè)備艙(以下簡稱設(shè)備艙)作為放置各種為高速列車提供動(dòng)力的電子電器設(shè)備的重要空間，其內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生熱量能否及時(shí)高效地被排出，直接決定著高速列車的運(yùn)行安全性。

圖3 四節(jié)編組列車外形及對應(yīng)編號(hào)

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于如何改善設(shè)備內(nèi)通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行大量的研究。黃少東等[1]對CRH3型動(dòng)車組設(shè)備艙溫度分布和變化規(guī)律進(jìn)行了研究，通過模擬研究得到設(shè)備艙發(fā)熱設(shè)備周圍空氣速度相對小，設(shè)備底部溫度較高。CRH3型動(dòng)車組在牽引變流器的側(cè)部開設(shè)了大面積的通風(fēng)格柵，利用空氣特性有效的達(dá)到了散熱的效果。董煥彬等[2]通過搭建牽引系統(tǒng)熱容量試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了CRH3型高速列車的牽引變流器冷卻系統(tǒng)的可靠性，并通過實(shí)車測試進(jìn)行驗(yàn)證。張壘[3]使用數(shù)值分析與實(shí)車實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了高寒列車設(shè)備艙溫度場特性，得到了設(shè)備艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的溫度分布、車身表面的壓力分布，同時(shí)數(shù)值分析方法在列車設(shè)備艙散熱方面應(yīng)用的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。章國平等[4-5]通過數(shù)值方法研究了高速列車不同運(yùn)行工況時(shí)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。梁習(xí)鋒、何沖[6，7]等對高速列車的牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究，獲得冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算方法，并結(jié)合試驗(yàn)對其計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。賈瓊等[8-9]采用CFD方法對時(shí)速250km/h明線運(yùn)行的高速動(dòng)車組設(shè)備艙進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了設(shè)備艙內(nèi)外速度場和溫度場。陳羽等[10]研究了底部結(jié)構(gòu)對高速列車流場及氣動(dòng)優(yōu)化規(guī)律的影響。夏超等[11]研究了風(fēng)洞地面效應(yīng)對高速列車空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響。上述學(xué)者對于設(shè)備艙通風(fēng)特性的研究主要是針對裙板風(fēng)口進(jìn)行的，并未考慮底部風(fēng)口對設(shè)備艙通風(fēng)散熱特性的影響進(jìn)行分析研究，因此，本文將對底部風(fēng)口對設(shè)備艙散熱性能的影響進(jìn)行研究。

1 研究方法

1.1 研究對象

列車在研究設(shè)備艙散熱時(shí)均不考慮頂部受電弓和車輛連接處間隙。底部風(fēng)口位于設(shè)備艙底板風(fēng)口，考慮到轉(zhuǎn)向架對于設(shè)備底部流動(dòng)的影響，底部保留裙板、轉(zhuǎn)向架及其兩側(cè)擋板。模型采用參數(shù)化建模的方法，依據(jù)某標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組實(shí)際尺寸1:1建立。因?yàn)椴煌熊嚿习惭b設(shè)備不同，故選用四節(jié)連掛式列車，兩端頭車長度為28米，中間車長25米，四節(jié)編組總長106米，列車間連接處密封處理，設(shè)備艙分別在裙板處以及底板處開設(shè)通風(fēng)口。計(jì)算域尺寸、設(shè)備艙模型及艙內(nèi)設(shè)備布置、列車模型如圖1、2、3所示，計(jì)算域尺寸中L為四節(jié)編組總長。

為了研究設(shè)備艙底板開設(shè)風(fēng)口對設(shè)備艙通風(fēng)特性的影響，分別建立了只開設(shè)裙板風(fēng)口(記為QFK)、只開設(shè)底板風(fēng)口(DFK)以及同時(shí)開設(shè)裙板和底板風(fēng)口(QDFK)三個(gè)列車模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并以TC01車為例進(jìn)行分析。

圖1 計(jì)算域尺寸

圖2 TC01車設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備布置

1.2 研究方法

本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行幾何空間離散，在車體表面生成第一層厚度為6mm的邊界層網(wǎng)格，通過計(jì)算得到模型車體表面的Y+(第一層網(wǎng)格尺寸的無量綱參數(shù))平均數(shù)為60，滿足非平衡壁面函數(shù)要求，忽略了車輛上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如受電弓、門把手、窗戶等，網(wǎng)格數(shù)量為1600萬。

本文采用商用軟件Fluent對數(shù)值模型進(jìn)行求解，模擬運(yùn)行時(shí)速在350公里的高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱性能。高鐵運(yùn)行速度達(dá)到350km/h時(shí)，其表面雷諾數(shù)已經(jīng)達(dá)到105以上的數(shù)量級(jí)，車體周圍流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，因而黏性模型采用湍流模型。文中采用工程應(yīng)用成功案例較多的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，同時(shí)采用SIMPLE算法來求解湍流方程組。在邊界條件處理上，對地面進(jìn)行滑移壁面處理，移動(dòng)方向與來流方向一致，這樣可以最大限度的減少地面效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，除進(jìn)、出口的其他計(jì)算域面設(shè)為無反射壁面。計(jì)算域入口采用速度入口，來流速度取97.22m/s，來流溫度取35℃，出口邊界取壓力出口，邊界溫度也為35℃，設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量為相關(guān)設(shè)備廠家提供發(fā)熱量。

1.3 研究方法檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，本文研究了張斌和梁習(xí)鋒對于準(zhǔn)高鐵實(shí)車測試文獻(xiàn)，并將本文模擬結(jié)果與張斌和梁習(xí)鋒的實(shí)車測試結(jié)果進(jìn)行對比。車體表面壓力取頭車車寬度方向的中心線上的壓力分布。如圖4所示，圖中所取位置與文獻(xiàn)中基本相同。

圖4 測試壓力系數(shù)位置

為了便于分析比較，定義無量綱系數(shù)即列車表面壓力系數(shù)Cp如下式(1)：

(1)

式中，p為取值監(jiān)測點(diǎn)壓力，取絕對壓力；p∞為大氣壓力，環(huán)境溫度為35℃時(shí)取p∞=101325Pa；ρ為來流密度，模擬中來流馬赫數(shù)小于0.3，因此取ρ為1.225kg·m3；ν∞為來流速度。壓力系數(shù)與列車運(yùn)行速度無關(guān)，可以表示壓力分布的一般性規(guī)律。

車頂中心線與車頂邊緣線上壓力系數(shù)分布的測試結(jié)果與模擬試驗(yàn)結(jié)果分別如圖所示。由圖5可得，CFD模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)車測試結(jié)果在趨勢上基本保持一致，其中大多數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果也能大致吻合，由此可見，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法具有相當(dāng)?shù)目煽啃?。值得一提的是，靠近列車頭部位置壓力系數(shù)的模擬值與測試結(jié)果存在一定的差異，究其原因，在于列車頭型存在差異。

圖5 頭車車頂中心線表面壓力系數(shù)對比

2 結(jié)果分析

底部風(fēng)口對高速列車設(shè)備艙通風(fēng)特性的影響體現(xiàn)在設(shè)備艙內(nèi)通風(fēng)量、速度場分布、溫度場分布以及壓力場分布。由于篇幅限制，這里僅給出TC01車的三種模型的對比分析，相應(yīng)的設(shè)備艙內(nèi)截圖位置如圖6所示，截圖選取車寬和車高兩個(gè)方向，截圖位置均為二分之一處。

圖6 設(shè)備艙截圖位置

圖7 TC01底板壓力分布及風(fēng)口位置

圖8 不同工況模型風(fēng)量對比

2.1 設(shè)備艙底部壓力分布分析

通過對四節(jié)編組列車進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)模擬，得

到高速列車相應(yīng)車段設(shè)備艙底部壓力分布，如圖7所示分別TC01車底部壓力分布云圖。通過對云圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備艙底部壓力分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即沿著列車運(yùn)行的方向壓力出現(xiàn)一定的梯度，并逐漸衰減，靠近列車前端轉(zhuǎn)向架處壓力較大，靠近后端轉(zhuǎn)向架處壓力較低，中間出現(xiàn)明顯的壓力梯度。依據(jù)此規(guī)律，同時(shí)為了避開轉(zhuǎn)向架電機(jī)散熱進(jìn)入設(shè)備艙，對設(shè)備艙散熱性能產(chǎn)生不利影響，因此，將設(shè)備艙底板風(fēng)口的開設(shè)位置在距離一端轉(zhuǎn)向架四分之一距離處，即兩端風(fēng)口分別位于不同壓力梯度分布區(qū)域，開設(shè)風(fēng)口尺寸為2200×2200(mm)。

圖9 QDFK模型中裙板風(fēng)口與底板風(fēng)口風(fēng)量占比

圖10 TC01車QFK溫度場云圖(單位：K)

2.2 底部風(fēng)口與裙板風(fēng)口風(fēng)量對比分析

圖8對QFK、DFK以及QDFK三個(gè)模型中風(fēng)口面積進(jìn)行了對比，通過對比可知，底板風(fēng)口面積約為裙板風(fēng)口面積的2.4倍。對三種模型中設(shè)備艙的通風(fēng)量進(jìn)行分析，由圖9可知，QFK模型的設(shè)備艙進(jìn)風(fēng)量最小，DFK和QDFK模型的進(jìn)風(fēng)量較大，且后兩者進(jìn)風(fēng)量基本相同，即在同時(shí)開設(shè)裙板風(fēng)口和底板風(fēng)口的模型中，設(shè)備艙的總通風(fēng)量基本與單獨(dú)開設(shè)底板風(fēng)口時(shí)設(shè)備艙的通風(fēng)量相同。在QDFK工況下，由圖9可知裙板風(fēng)口進(jìn)出風(fēng)量在總風(fēng)量中的占比約為56%，大于底板風(fēng)口。按照風(fēng)量來計(jì)算，QDFK中裙板風(fēng)口的風(fēng)量要小于QFK模型中的裙板風(fēng)口風(fēng)量，底板風(fēng)口的風(fēng)量同樣也小于DFK中的底板風(fēng)口風(fēng)量。由于同時(shí)開設(shè)裙底風(fēng)口設(shè)備艙內(nèi)通風(fēng)情況變得復(fù)雜，設(shè)備艙總通風(fēng)量相對于只開設(shè)裙板風(fēng)口時(shí)有明顯改善，但是相對于底板風(fēng)口卻通風(fēng)量未有顯著提升。

圖11 TC01車DFK溫度場云圖(單位：K)

圖12 QDFK底板風(fēng)口TC01車溫度場云圖(單位：K)

2.3 底部風(fēng)口對設(shè)備艙內(nèi)溫度場的影響

圖10～12為TC01車三種模型設(shè)備艙溫度分布圖。從圖10 QFK模型設(shè)備艙內(nèi)截面溫度分布來看：當(dāng)只開設(shè)裙板風(fēng)口時(shí)，設(shè)備艙內(nèi)溫度場呈現(xiàn)左側(cè)溫度分布高于右側(cè)溫度，即靠近車頭處溫度高于遠(yuǎn)離車頭處溫度，溫度梯度降低方向與車體運(yùn)行方向相一致。同時(shí)，設(shè)備艙內(nèi)溫度分布出現(xiàn)一定的不均勻性，是由于設(shè)備艙兩側(cè)同時(shí)開設(shè)風(fēng)口，設(shè)備艙內(nèi)進(jìn)出風(fēng)具有一定的隨機(jī)性所致。設(shè)備艙內(nèi)主要發(fā)熱設(shè)備輔助變流器表面溫度約為39℃左右，溫度較為合理。當(dāng)只開設(shè)底板風(fēng)口時(shí)，設(shè)備艙內(nèi)溫度分布趨勢基本與只開設(shè)裙板風(fēng)口保持一致，但是通過對比兩種工況下溫度分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，DFK工況下設(shè)備艙內(nèi)溫度分布(見圖11)較之QFK時(shí)更為均勻，且輔助變流器附近溫度也更低。

表1 輔助變流器表面溫度

2.4 設(shè)備艙內(nèi)氣流組織分布對比分析

圖13～15為TC01車三種模型設(shè)備艙內(nèi)流線圖。由圖13 QFK模型可知，風(fēng)從裙板風(fēng)口進(jìn)入設(shè)備艙內(nèi)部，由于風(fēng)口位置，設(shè)備艙底部氣流分布較為稀疏，個(gè)別設(shè)備體積較大，相應(yīng)設(shè)備周圍空氣流速較大，氣流組織分布密集，在輔助變流器右側(cè)存在一定的回流區(qū)。圖14為DFK模型，由流線圖可知相比較于QFK，輔助變流器右側(cè)底板進(jìn)風(fēng)因?yàn)槭艿捷o助變流器的阻擋而改變方向，向設(shè)備艙前段流動(dòng)，但設(shè)備艙前段氣流分布較為稀疏。從圖15 QDFK模型流線圖可以看出，由于同時(shí)開設(shè)裙板與底部風(fēng)口，設(shè)備艙內(nèi)氣流分布有了較大的提升，設(shè)備周圍氣流分布均勻，能夠較為充分地帶走設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備的散熱。

圖13 TC01車QFK設(shè)備艙內(nèi)部流線圖

圖14 TC01車DFK速度矢量圖

圖15 TC01車QDFK速度矢量圖

3 結(jié)論

通過采用計(jì)算流體力學(xué)和對比試驗(yàn)分析的方法研究了底板風(fēng)口對高速列車設(shè)備艙通風(fēng)特性的影響，具體對比分析了三種工況中車體的溫度場、通風(fēng)量、以及速度分布，得到高速列車設(shè)備艙通風(fēng)優(yōu)化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)設(shè)備艙底部壓力分布具有一定的梯度，沿列車行進(jìn)相反方向降低，并且梯度較大，可依據(jù)此規(guī)律在設(shè)備艙底板不同壓力分布區(qū)域開設(shè)格柵風(fēng)口，優(yōu)化設(shè)備艙通風(fēng)特性。靠近轉(zhuǎn)向架處壓力分布較為復(fù)雜。

(2)同時(shí)開設(shè)裙板與底板風(fēng)口時(shí)設(shè)備艙通風(fēng)量與僅開設(shè)底板風(fēng)口時(shí)大致相同，比僅開設(shè)裙板風(fēng)口時(shí)要有所提高，其中同時(shí)開設(shè)裙板與底板風(fēng)口的工況中裙板風(fēng)口的通風(fēng)量占總設(shè)備艙通風(fēng)量的56%。

(3)同時(shí)開設(shè)裙板與底板風(fēng)口時(shí)設(shè)備艙內(nèi)氣流組織、溫度場分布較單獨(dú)開設(shè)裙或底板風(fēng)口時(shí)均勻，輔助變流器表面平均溫度降低了12%，各設(shè)備散熱能夠得到較好的改善。

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