蔣 奎 吳楠楠 何守寶 陸心怡

(1.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道車(chē)輛系，050021,石家莊；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，201804,上海//第一作者,副教授)

隨著我國(guó)高速列車(chē)的飛速發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性也越來(lái)越受到關(guān)注。地鐵車(chē)輛的車(chē)下設(shè)備主要包括牽引變流器、變壓器、制動(dòng)設(shè)備和牽引電機(jī)等大功率用電設(shè)備。這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,若不能將這些熱量及時(shí)排出，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備超溫，從而影響列車(chē)的正常運(yùn)行，因此有必要對(duì)地鐵列車(chē)設(shè)備艙熱環(huán)境進(jìn)行研究。

目前,世界各國(guó)對(duì)高速列車(chē)主要的研究方法有數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)方法[1]。文獻(xiàn)[2-3]最早利用一維假設(shè)建立了隧道壓力波一維流動(dòng)理論和特征線求解方法。文獻(xiàn)[4-6]采用非對(duì)稱(chēng)滑移網(wǎng)格方法對(duì)列車(chē)-隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)的諸多問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]采用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))數(shù)值模擬方法,通過(guò)速度場(chǎng)、通風(fēng)量和設(shè)備溫度研究了不同列車(chē)運(yùn)行速度和設(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。文獻(xiàn)[8]利用CFD數(shù)值模擬方法研究了列車(chē)高速運(yùn)行于明線無(wú)橫風(fēng)環(huán)境和明線橫風(fēng)環(huán)境,以及隧道通過(guò)等工況下的設(shè)備艙通風(fēng)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(guò)CFD數(shù)值模擬方法來(lái)研究地鐵列車(chē)在隧道運(yùn)行、明線運(yùn)行、高架運(yùn)行及隧道停站工況下，列車(chē)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(fēng)設(shè)備的布置與設(shè)計(jì)提供參考。

1 地鐵列車(chē)設(shè)備艙內(nèi)氣流特征和熱環(huán)境

以地鐵列車(chē)在隧道運(yùn)行工況為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)地鐵列車(chē)設(shè)備艙內(nèi)的氣流特征和熱環(huán)境進(jìn)行分析。

1.1 計(jì)算模型、區(qū)域和網(wǎng)格

采用CFD數(shù)值分析軟件進(jìn)行幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分。列車(chē)共計(jì)8節(jié)車(chē)廂，總長(zhǎng)度約200 m，各節(jié)車(chē)廂長(zhǎng)約23 m，列車(chē)寬約3.1 m，列車(chē)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行列車(chē)的流場(chǎng)計(jì)算建模時(shí)，取長(zhǎng)度大于25倍車(chē)寬的列車(chē)頭部及尾部空間作為計(jì)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(chē)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(jìn)行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為4 761萬(wàn)，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(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)方法，計(jì)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(chǎng)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(chē)體、地面和計(jì)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(jìn)行計(jì)算，壓力與速度的耦合運(yùn)用SIMPLE算法，壓力離散格式為standard格式，3個(gè)坐標(biāo)方向的速度方程和k、ε方程的對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)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(dòng)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(jì)算收斂判據(jù)如下:①連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程和耗散率方程殘差小于1程殘差小于10-6；②計(jì)算區(qū)域的質(zhì)量和能量均守恒；③壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果合理。

1.4 設(shè)備艙熱環(huán)境計(jì)算分析

采用CFD數(shù)值分析軟件對(duì)地鐵列車(chē)設(shè)備艙進(jìn)行了計(jì)算仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了后處理和分析。圖1所示為地鐵列車(chē)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(chē)體中間截面

1.4.1 列車(chē)設(shè)備艙氣流特征分析

列車(chē)設(shè)備艙速度場(chǎng)分布如圖2所示。由圖2可知,列車(chē)運(yùn)行過(guò)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(chē)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(chǎng)分布較為均勻;裙板將外界和設(shè)備艙分隔開(kāi)，其兩側(cè)速度場(chǎng)的變化極為明顯。

圖2 截面列車(chē)設(shè)備艙速度矢量分布云圖

1.4.2 列車(chē)設(shè)備艙熱環(huán)境計(jì)算結(jié)果分析

1.4.2.1 列車(chē)設(shè)備艙壓力場(chǎng)

列車(chē)設(shè)備艙壓力分布如圖3所示。由圖3可知,列車(chē)在高速運(yùn)行中，設(shè)備艙內(nèi)壓力整體呈沿車(chē)長(zhǎng)方向逐漸減小的趨勢(shì)。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(chǎng)發(fā)生巨大變化，空氣流動(dòng)經(jīng)過(guò)變壓器后，壓力場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定。

1.4.2.2 列車(chē)設(shè)備艙溫度場(chǎng)

列車(chē)設(shè)備艙溫度場(chǎng)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?？諝膺M(jìn)入設(shè)備艙后，受到轉(zhuǎn)向架電機(jī)、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?chē)諝鉁囟容^高。

圖3 截面列車(chē)設(shè)備艙全壓分布云圖

圖4 截面列車(chē)設(shè)備艙溫度分布云圖

2 不同運(yùn)行工況下設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境差異

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

2.1 速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

在速度場(chǎng)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(yùn)行和高架運(yùn)行工況下，艙內(nèi)空氣速度均沿著車(chē)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(chǎng)分布變得較為均勻。裙板將外界和設(shè)備艙分隔開(kāi)，其兩側(cè)速度場(chǎng)的變化極為明顯。在隧道停站工況下，列車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)，隧道內(nèi)空氣的流通依靠排熱系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力。因?yàn)槔鋮s風(fēng)機(jī)的存在，空氣受迫流動(dòng)，使得風(fēng)機(jī)附近空氣流速較大，但其周?chē)諝饬魉賲s較小。

2.2 壓力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

列車(chē)在明線運(yùn)行和高架運(yùn)行工況下，設(shè)備艙內(nèi)壓力變化整體呈沿車(chē)長(zhǎng)方向逐漸減小的趨勢(shì)。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(chǎng)發(fā)生巨大變化，空氣流動(dòng)經(jīng)過(guò)變壓器后，壓力場(chǎng)變得相對(duì)穩(wěn)定。列車(chē)在停站工況下，全壓壓力場(chǎng)分布相比隧道運(yùn)行和明線運(yùn)行工況的變化更小和更穩(wěn)定。設(shè)備艙內(nèi)全壓壓力場(chǎng)分布受到牽引變流器冷卻風(fēng)機(jī)和變壓器冷卻單元風(fēng)機(jī)的影響，靠近變壓器冷卻風(fēng)入口處的壓力要比周?chē)h(huán)境壓力小，同時(shí)排熱系統(tǒng)軌底風(fēng)口向隧道內(nèi)送風(fēng)，使得靠近屏蔽門(mén)側(cè)的壓力偏小。

2.3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

列車(chē)在明線運(yùn)行和高架運(yùn)行工況下，設(shè)備艙內(nèi)溫度變化較為明顯。空氣進(jìn)入設(shè)備艙后，受到轉(zhuǎn)向架電機(jī)、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(yuǎn)離熱源的地方溫度較低。由于列車(chē)裙板的阻擋，軌底風(fēng)口送風(fēng)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(fēng)冷卻設(shè)備布置優(yōu)化建議

結(jié)合本次計(jì)算結(jié)果，對(duì)于列車(chē)設(shè)備艙的通風(fēng)冷卻設(shè)備布置,提出如下建議：

(1) 通過(guò)在裙板兩側(cè)開(kāi)通風(fēng)口，加大進(jìn)入設(shè)備艙的冷卻風(fēng)量來(lái)進(jìn)行散熱。將軌底風(fēng)口與設(shè)備艙裙板風(fēng)口布置一一對(duì)應(yīng)，可增大停站時(shí)進(jìn)入設(shè)備艙冷空氣的流量，從而達(dá)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(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，兩端空氣流速較大，這樣使得空氣擾動(dòng)性增強(qiáng)，從而利于設(shè)備進(jìn)行散熱。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CFD數(shù)值模擬仿真對(duì)地鐵列車(chē)車(chē)型設(shè)備艙的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。因?yàn)橄募緶囟茸罡?，?duì)列車(chē)設(shè)備運(yùn)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(yùn)行工況,以及考慮太陽(yáng)輻射等條件來(lái)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)仿真計(jì)算得到隧道運(yùn)行、明線運(yùn)行、高架運(yùn)行及隧道停站4種工況下列車(chē)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(duì)地鐵列車(chē)設(shè)備艙內(nèi)溫度場(chǎng)的優(yōu)化提出以下建議：一是通過(guò)在裙板兩側(cè)開(kāi)通風(fēng)口加大進(jìn)入設(shè)備艙的冷卻風(fēng)量來(lái)進(jìn)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。