高速列車車下設(shè)備艙溫度場分析＊

章國平，范樂天，王廣明，楊志勇，李文娟

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

目前國內(nèi)已開通的京津、武廣、鄭西和滬寧等多條客運專線，高速列車運營速度多數(shù)在300km／h以上，高速列車要持續(xù)高速運營上千公里，如何有效地利用空氣動力學(xué)特性變得愈來愈重要［1］。車下設(shè)備作為嚴(yán)格工作溫度需求的部位，對設(shè)備艙溫度流場的要求也越來越高，針對某型高速列車的設(shè)備艙內(nèi)溫度場進行數(shù)值計算，研究多種環(huán)境溫度時設(shè)備艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備表面的溫度變化規(guī)律，為車下設(shè)備的合理布局提供依據(jù)。

1 仿真分析

1.1 分析原理

為減少空氣阻力，保護和檢修車下設(shè)備，確保高速動車組的安全運行，高速動車組的車下通常都已經(jīng)設(shè)計和安裝了車下設(shè)備艙。高速運行的列車設(shè)備艙的溫度場與空氣動力學(xué)的關(guān)系是分析的重點。

研究高速列車明線運行的空氣動力特性，其實質(zhì)是流體流動問題。而流體運動是最復(fù)雜的物理現(xiàn)象之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問題相比，其建模與數(shù)值模擬要困難得多。根據(jù)流場特點，描述列車周圍空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、Reynolds時均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS）以及湍流模型方程［2-5］。

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

此方程組是非線性二階偏微分方程組，對大多數(shù)工程問題，無法獲得精確解析解，只能用CFD數(shù)值模擬的方法求解。計算湍流運動時，還需要附加湍流方程，在此應(yīng)用RNGκ-ε雙方程模型。

湍動能κ方程

湍動能耗散率ε方程

有效黏性系數(shù)

1.2 建立計算模型

計算模型過于復(fù)雜，需針對主要研究對象對部分結(jié)構(gòu)進行簡化，具體簡化措施為：

簡化轉(zhuǎn)向架及車底設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備。

計算模型取5車編組，即頭車+中間車（3輛）+尾車（同頭車），如圖1。

圖1 列車計算模型

圖2是頭車設(shè)備艙計算模型，設(shè)備艙中包含有司機室冷凝器、牽引變流器及其冷卻單元、制動控制單元、廢排單元和牽引電機通風(fēng)機。

圖2 頭車設(shè)備艙計算模型

計算區(qū)域長為3 000m，寬150m，高150m，。由于模型復(fù)雜，使用hypermesh對幾何模型進行處理，將模型導(dǎo)入cradle軟件中的sc-tetra進行幾何修復(fù)，劃分網(wǎng)格，在sc-solver中進行仿真計算。

對整個計算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格原則，對車體近壁層區(qū)域的網(wǎng)格細化，主要采用四面體網(wǎng)格；遠離車體的網(wǎng)格采用稀疏的六面體網(wǎng)格，以減少計算量和加快收斂速度。對于一些局部關(guān)心的地方，對網(wǎng)格進行了再次加密，如通風(fēng)格柵、縫隙、車頭等部位。如圖3所示。

圖3 車頭附近網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)熱量守恒定律，Q=C×m×Δt（式中Q為單位時間內(nèi)的發(fā)熱量，C為空氣的比熱，m為單位時間內(nèi)設(shè)備的通風(fēng)量，Δt為溫升），可以計算出不同發(fā)熱量下冷卻空氣的溫升。計算參數(shù)如表1所示。列車運行速度350km／h，環(huán)境溫度分別為40，20，10，0，-25，-40℃。

表1 計算參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 列車明線運行車體表面壓力分布

模擬計算得到350km／h列車在明線運行的車體表面壓力分布，如圖4所示。

圖4 車體表面壓力分布云圖

列車運行時，由于車頭的擠壓，使周圍流場呈正壓狀態(tài)。最大壓力發(fā)生在車體鼻尖部位，模擬計算所得車頭鼻端的最大壓力為5 770Pa，壓力系數(shù)是1.013，而壓力系數(shù)的理論值是1，計算值和理論值之間的誤差為1.3%。

2.2 設(shè)備艙溫度場分布

仿真工況為列車運行速度350km／h，環(huán)境溫度分別為-40，-25，0，10，20，30，35，40℃。分析數(shù)據(jù)龐大，本文僅就頭車設(shè)備艙的兩個極限環(huán)境溫度進行數(shù)據(jù)分析。頭車設(shè)備艙內(nèi)主要耗熱設(shè)備僅有牽引變流器，設(shè)計時為優(yōu)化設(shè)備艙的通風(fēng)散熱能力，耗熱設(shè)備處側(cè)裙板和底板上設(shè)計有格柵便于通風(fēng)。

2.2.1 頭車設(shè)備艙內(nèi)溫度分布（40℃）

在環(huán)境溫度40℃情況下，對設(shè)備艙內(nèi)溫度場進行數(shù)值分析，得出各設(shè)備表面的溫度分布，設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面總散熱量為20kW。

圖5為頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布圖（距設(shè)備艙底面500mm）。在該平面上，由于散熱作用，牽引變流器的周圍溫度較高，為47℃左右。廢排單元出口的溫度為25℃，因此廢排單元出口處溫度較低，設(shè)備艙內(nèi)其他部分溫度基本保持在40℃左右。

圖5 頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布圖

圖6是頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布云圖。列車沿x正方向運行。變流器表面大部分溫度為41.2～45.5℃，前側(cè)面和右側(cè)面溫度相對較高，在前側(cè)面接近地面部分最高溫度為52.5℃。

圖7是頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器周圍距底面0.5m平面速度分布。從圖中看出，變流器前側(cè)面和右側(cè)面的速度較小，在前側(cè)面處，速度約為1.47m／s，右側(cè)面處有局部區(qū)域速度為0.4m／s，所以導(dǎo)致變流器前側(cè)面和右側(cè)面靠近底板處有局部高溫區(qū)域。

圖6 頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布圖

圖7 牽引變流器周圍速度分布

圖8為牽引變流器冷卻單元縱截面的局部放大圖。從圖中看出，設(shè)備艙內(nèi)溫度為40℃左右，在牽引變流器周圍溫度略高，為41.5℃左右，冷卻單元出風(fēng)口溫度為51.0℃，所以在設(shè)備艙下方，沿來流方向溫度逐漸減小。

圖8 牽引變流器冷卻單元縱向截面溫度分布圖

2.2.2 頭車設(shè)備艙內(nèi)溫度分布（-40℃）

在環(huán)境溫度-40℃情況下，對設(shè)備艙內(nèi)溫度場進行數(shù)值分析，得出各設(shè)備表面的溫度分布。

圖9為頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布云圖（距設(shè)備艙底面0.4m）。牽引變流器的周圍溫度為-33.3℃左右，設(shè)備艙內(nèi)其他部分溫度基本保持在-38℃左右。

圖9 頭車設(shè)備艙內(nèi)水平截面溫度分布圖

圖10是頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布云圖。從圖中可以看出，變流器表面大部分溫度為-37.3℃左右，側(cè)面溫度相對較高，變流器前側(cè)面最高溫度達到-26.0℃。

圖10 頭車設(shè)備艙內(nèi)牽引變流器表面溫度分布圖

2.3 高溫設(shè)備的表面溫度對比

由以上分析可得，車下設(shè)備艙中表面溫度比較高的設(shè)備頭車的牽引變流器高溫部分主要集中在這些設(shè)備的某個側(cè)面上，并主要在與接近設(shè)備艙底板部位。針對不同的環(huán)境溫度，將這些側(cè)面的溫度分布情況進行了對比，頭車牽引變流器的前側(cè)面有局部高溫區(qū)域，圖11為頭車牽引變流器前側(cè)面（迎著列車來流方向）的溫度分布對比。

圖11 頭車牽引變流器的前側(cè)面溫度分布對比

可以看出，在不同的環(huán)境溫度下，變流器的這個側(cè)面溫度分布規(guī)律一致，整個表面溫度比較均勻，只是在左下角局部區(qū)域溫度較高。表2是設(shè)備表面溫度隨環(huán)境溫度變化情況。

表2 設(shè)備表面溫度隨環(huán)境溫度變化數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

3.1 結(jié)果分析

經(jīng)過對350km／h高速列車外流場以及設(shè)備艙空氣流場的數(shù)值分析，獲得空氣流場中壓力、速度和溫度的詳細信息。研究設(shè)備艙內(nèi)的速度和溫度分布，得出如下結(jié)論：

（1）數(shù)值仿真得到的車頭鼻端壓力系數(shù)與理論值誤差是1.2%，計算結(jié)果有可信度。

（2）頭車設(shè)備艙內(nèi)的耗熱設(shè)備為散熱量20kW的牽引變流器，部分耗熱量通過設(shè)備表面散發(fā)，使設(shè)備周圍溫度升高，其余耗熱量轉(zhuǎn)化為冷卻通風(fēng)空氣溫度的升高，使得設(shè)備艙下方有高溫區(qū)域。

（3）在40℃環(huán)境溫度下的頭車設(shè)備艙內(nèi)，由于牽引變流器表面總散熱量為20kW，所以牽引變流器周圍溫度較高。變流器表面大部分溫度為41.2～45.5℃，前側(cè)面和右側(cè)面溫度相對較高，在前側(cè)面接近地面部分溫度最高為52.5℃。廢排單元出口的溫度為25℃。除廢排單元及牽引變流器外，其他設(shè)備表面溫度在40℃左右。牽引變流器冷卻單元出口溫度為51.0℃，所以設(shè)備艙下溫度沿空氣流動方向遞減。

（4）在不同的環(huán)境溫度下，頭車牽引變流器表面溫度分布規(guī)律相同。由于發(fā)熱設(shè)備底端周圍空氣速度相對小，所以設(shè)備底端溫度較高，由下而上溫度逐漸減小。

3.2 設(shè)備艙設(shè)計合理化建議

針對本文的分析結(jié)論，對高速列車車下設(shè)備艙設(shè)計提出以下幾點建議：

（1）設(shè)備艙內(nèi)的耗熱設(shè)備與其他設(shè)備在布局時盡量增加相對距離，增大間隙，確保設(shè)備周圍空氣的流動。如果設(shè)備艙內(nèi)有多個耗熱設(shè)備，不能采用相鄰的方式布局，應(yīng)使用非耗熱設(shè)備或低耗熱設(shè)備隔開；

（2）必要時，設(shè)備艙內(nèi)耗熱設(shè)備增加專用冷卻單元；

（3）設(shè)備艙內(nèi)耗熱設(shè)備的熱源或出風(fēng)口盡可能設(shè)置在靠近設(shè)備艙底板和兩側(cè)的裙板處；

（4）設(shè)備艙內(nèi)耗熱設(shè)備處的裙板和底板（必要時還包括與設(shè)備相鄰單元的裙板和底板）需開設(shè)通風(fēng)格柵，增加熱源處的通風(fēng)能力，必要時，整個設(shè)備艙裙板和底板可全部開設(shè)通風(fēng)格柵，如圖12所示。

圖12 設(shè)備艙設(shè)備布置及通風(fēng)格柵布置示意圖

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)高速列車客運專線逐步開始進行長時間、長距離、跨緯度、跨溫度帶的運行，高速列車要從北方-30℃的站點持續(xù)運行到南方零上40℃的站點，溫差最高超過80℃。通過有效地利用空氣動力學(xué)特性，掌握對高速列車的車下設(shè)備艙內(nèi)溫度場的分析方法，得出設(shè)備艙設(shè)備溫度變化規(guī)律，為高速列車車下設(shè)備的合理布局和設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

［1］田紅旗，梁習(xí)鋒，許平.列車空氣動力性能研究及外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，23（5）：138-141.

［2］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道工業(yè)出版社，2007.

［3］武青海，周虹偉，朱勇更.高速列車湍流流場數(shù)值仿真計算探討［J］.鐵道學(xué)報.2002，24（3）：99-103.

［4］李人憲，劉應(yīng)清.高速列車紊流外流場的數(shù)值模擬研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報.2001，18（1）：6-13.

［5］王建平，計算流體力學(xué)（CFD）及其在工程中的應(yīng)用［J］.機電設(shè)備，1994，（5）：39-42.