格柵對高速列車設(shè)備艙散熱性能的影響

張亮　孔繁冰　張繼業(yè)　張衛(wèi)華

摘要：為研究在裙板不同位置增加格柵對高速列車設(shè)備艙散熱的影響，建立3種不同設(shè)備艙的高速列車空氣動力學(xué)模型，分別包括原始設(shè)備艙、裙板中間增加格柵的設(shè)備艙和裙板兩端增加格柵的設(shè)備艙.基于三維不可壓縮N-S方程和k-ε兩方程湍流模型，利用FLUENT對250 km/h高速列車設(shè)備艙的溫度場和流場進(jìn)行模擬.對列車上行和下行時設(shè)備艙的流場與溫度場進(jìn)行分析，比較在不同位置增加格柵時設(shè)備艙內(nèi)溫度的變化.結(jié)果表明：在裙板不同位置增加格柵對設(shè)備艙內(nèi)的溫度場影響較大，在裙板中間增加格柵對頭車和中間車設(shè)備艙的散熱不利，建議在裙板兩端增加格柵以更有利于設(shè)備艙散熱.

關(guān)鍵詞：高速列車； 設(shè)備艙； 裙板； 溫度場； 空氣動力學(xué)； 傳熱

中圖分類號： U441.5； U444.18； TB115

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：To study the effect on heat dissipation of high-speed train equipment compartment by adding grille in different locations of skirt plate， three aerodynamics models of high-speed train with different equipment compartments are built， which separately include the original equipment compartment， the equipment compartment with grille added in the middle of skirt plate， the equipment compartment with grille added at two ends of skirt plate. Based on the 3D uncompressible N-S equation and the turbulent model of k-ε two equations， the temperature field and flow field of high-speed train equipment compartment at the speed of 250 km/h are simulated by FLUENT. The flow field and temperature field of equipment compartment are analyzed when train is in up direction and down direction， and the change of temperature in equipment compartment with grille added in different locations is compared. The result shows that， it has great effect on temperature field of equipment compartment by adding grille in different locations of skirt plate； it is bad for heat dissipation of equipment compartment of head car and middle car by adding grille in the middle of skirt plate； it is suggested that the grille should be added at two ends of skirt plate to get better heat dissipation performance for equipment compartment.

Key words：high-speed train； equipment compartment； skirt plate； temperature field； aerodynamics； heat transfer

0引言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，空氣與車體之間的相互作用越來越劇烈，許多空氣動力學(xué)問題隨之而來，如空氣阻力、會車壓力波、隧道壓力波和側(cè)風(fēng)安全等.[1-6]我國高速鐵路網(wǎng)南北跨度大，列車運(yùn)行區(qū)域溫差較大，如哈爾濱—上海的高鐵，夏季最高溫度和冬季最低溫度相差可達(dá)80 ℃以上.列車底部動力設(shè)備性能直接影響列車運(yùn)行性能和安全，而設(shè)備艙通風(fēng)散熱性能的好壞直接影響車底設(shè)備正常工作和設(shè)備壽命，因此對設(shè)備艙的散熱性能研究非常必要.

高速列車設(shè)備艙內(nèi)的設(shè)備包括牽引電機(jī)、功率單元、制動控制單元、車載電源箱和污水箱等.在列車高速運(yùn)行過程中，設(shè)備會產(chǎn)生大量熱能，導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)溫度明顯升高.王東屏等[7]對高速列車明線運(yùn)行輔助變流器進(jìn)排風(fēng)口表面壓力進(jìn)行數(shù)值分析，但未對整個設(shè)備艙內(nèi)溫度和流場分布進(jìn)行分析；孔璞等[8]進(jìn)行高速列車設(shè)備艙通風(fēng)測試研究，對不同速度等級的牽引變流器出風(fēng)口通風(fēng)量隨速度的變化關(guān)系進(jìn)行分析，比較列車在明線和隧道運(yùn)行時牽引變流器的通風(fēng)量，同樣沒有對設(shè)備艙內(nèi)溫度場和流場進(jìn)行分析；WANG等[9]和章國平等[10]對350 km/h動車組明線運(yùn)行時設(shè)備艙溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，但考慮的設(shè)備都是簡單的塊體，與實(shí)際模型相差較遠(yuǎn)，未能真實(shí)反映車內(nèi)空氣的流動情況；胡文錦等[11]研究格柵通風(fēng)口位置和格柵類型對設(shè)備艙通風(fēng)散熱性能的影響，但考慮的列車編組長度為3節(jié)車編組，沒有考慮中間車設(shè)備艙的散熱，也沒有考慮增加格柵通風(fēng)口對設(shè)備艙內(nèi)流場和溫度場的影響，以及發(fā)熱設(shè)備散熱器進(jìn)出風(fēng)對流場的影響.

本文在考慮發(fā)熱設(shè)備艙進(jìn)出風(fēng)的情況下，對在不同位置增加格柵的8節(jié)車編組高速列車明線運(yùn)行時的設(shè)備艙內(nèi)外流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析設(shè)備艙裙板中部和兩端增加格柵對設(shè)備艙內(nèi)流場與溫度場的影響.

1計(jì)算模型

1.1數(shù)學(xué)模型

列車在高速運(yùn)行時，其周圍流場為三維黏性非定常的湍流流場.當(dāng)列車運(yùn)行速度為250 km/h，對應(yīng)的馬赫數(shù)小于0.3，列車周圍的流場可處理為不可壓縮流場，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其控制方程的運(yùn)輸方程[6]形式為

1.2數(shù)值模型

由于主要對列車底部設(shè)備艙散熱進(jìn)行研究，因此考慮計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時間的要求，將列車模型和設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備部件簡化.忽略受電弓、車體間連接處等的影響，列車模型包括頭車、6節(jié)中間車和尾車，頭車和第1節(jié)中間車有設(shè)備艙、艙內(nèi)部件和格柵等，每節(jié)車車底都安裝有轉(zhuǎn)向架.簡化后的列車模型見圖1，頭車、中間車設(shè)備艙的發(fā)熱部件分別為頭車功率單元和中間車變流器，見圖2.

設(shè)備艙模型共有3種：模型1為原始設(shè)備艙模型；模型2為在原始模型基礎(chǔ)上設(shè)備艙裙板中間增加格柵；模型3為在原始模型基礎(chǔ)上設(shè)備艙裙板兩端增加格柵.每種模型都考慮列車上行和下行2種工況，原始格柵和模型2新加格柵的位置見圖3，原始格柵和模型3新加格柵的位置見圖4.設(shè)備艙底部通風(fēng)口模型見圖5.

1.3計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

流體計(jì)算區(qū)域見圖6.

計(jì)算中給定的入口邊界為速度入口，大小為列車運(yùn)行速度250 km/h，出口邊界為壓力出口，頂面和側(cè)面采用對稱面邊界條件，地面給定滑移地面，滑移速度與列車運(yùn)行速度相同，車體表面為無滑移壁面.

主要考慮的發(fā)熱設(shè)備為頭車設(shè)備艙內(nèi)功率單元和第一節(jié)中間車設(shè)備艙內(nèi)變流器，其中，功率單元散熱器及其風(fēng)扇排風(fēng)溫度為50 ℃，牽引變流器散熱器及其風(fēng)扇排風(fēng)溫度為70 ℃，環(huán)境溫度為40 ℃.功率單元和牽引變壓器的進(jìn)出風(fēng)口見圖7.

因設(shè)備艙內(nèi)部件、格柵和轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對格柵、設(shè)備部件和支架等細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密.車體表面網(wǎng)格最大尺寸為100 mm，格柵最大網(wǎng)格尺寸為6 mm，設(shè)備最大網(wǎng)格尺寸為20 mm.3種模型劃分后的網(wǎng)格單元總數(shù)分別為5 100萬，5 600 萬和5 800萬個.列車頭部網(wǎng)格見圖8，頭車設(shè)備艙和中間車設(shè)備艙網(wǎng)格見圖9.

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1設(shè)備艙流場分析

列車上行和下行時頭車設(shè)備艙流場見圖10和11.由此可知：相同模型的列車上行和下行時，頭車設(shè)備艙內(nèi)空氣的流動情況基本一致；模型1進(jìn)入頭車設(shè)備艙的空氣大部分流經(jīng)功率單元后流向一位端，由一位端格柵出口流出，剩余空氣受功率單元的阻擋向二位端流動，在制動控制單元處形成較大旋渦，最后由中間格柵和底部通風(fēng)口流出；模型2的制動控制單元處的旋渦消失，空氣主要由靠近功率單元進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的格柵進(jìn)入，由設(shè)備艙另一側(cè)裙板的格柵流出，剩余空氣經(jīng)一位端格柵和底部通風(fēng)口流出；模型3的空氣主要由設(shè)備艙中部格柵和二位端格柵進(jìn)入，由底部通風(fēng)口和一位端格柵流出.

由此可知：相同模型的列車上行和下行運(yùn)行時，中間車設(shè)備艙內(nèi)空氣的流動情況基本一致；模型1設(shè)備艙空氣由格柵通風(fēng)口流入，大部分空氣進(jìn)入變流器并通過散熱器排出設(shè)備艙，另一部分空氣流入設(shè)備艙內(nèi)，再由格柵通風(fēng)口流出；模型2的空氣主要由靠近變流器入口一側(cè)格柵進(jìn)入設(shè)備艙，向設(shè)備艙兩端流動，在設(shè)備艙內(nèi)形成較多旋渦，最終由設(shè)備艙中部兩側(cè)格柵流出；模型3的空氣由靠近變流器入口一側(cè)格柵流入，向設(shè)備艙兩端流動，大部分空氣由設(shè)備艙兩端格柵流出.

2.2設(shè)備艙溫度場分析

為顯示設(shè)備艙內(nèi)溫度的分布，沿列車高度方向取4個截面，高度y分別為0.3，0.6，0.8和1.1 m，其中設(shè)備艙底板高度為0.28 m.上行時3種列車模型的頭車設(shè)備艙截面的溫度云圖見圖14.由此可知：頭車設(shè)備艙內(nèi)最高溫度可達(dá)到功率單元發(fā)熱溫度50 ℃；模型1設(shè)備艙內(nèi)高溫區(qū)域最多，大部分區(qū)域溫度在48 ℃以上；模型2的功率單元和二位端設(shè)備附近溫度較模型1有明顯升高；模型3的高溫區(qū)域較模型1明顯減少，高溫區(qū)域主要集中在功率單元散熱器進(jìn)口一側(cè)和一位端，而二位端設(shè)備附近溫度無明顯升高.綜上所述，在列車上行時，模型3即在原始模型基礎(chǔ)上設(shè)備艙裙板兩端增加格柵的頭車設(shè)備艙散熱性能更好.

3種列車模型下行時頭車設(shè)備艙內(nèi)不同截面的溫度云圖見圖15.

由圖15可知：模型1設(shè)備艙內(nèi)高溫區(qū)域最多，主要分布在功率單元附近和一位端；模型2設(shè)備艙一位端高溫區(qū)域較模型1有所減少，但功率單元和二位端設(shè)備附近溫度較模型1有所升高；模型3設(shè)備艙一、二位端溫度較原始模型都有明顯降低，功率單元附近溫度較原始模型也有所降低.綜上所述，在列車下行時，模型3即在原始模型基礎(chǔ)上設(shè)備艙裙板兩端增加格柵的頭車設(shè)備艙散熱性能更好.

3種列車模型上、下行時中間車設(shè)備艙不同截面溫度云圖分別見圖16和17.

由圖16可知：模型1中間車設(shè)備艙內(nèi)高溫區(qū)域較少且主要集中在變流器進(jìn)口和設(shè)備艙底部通風(fēng)口附近，一位端設(shè)備附近溫度較低，都在45 ℃以下；模型2中間車設(shè)備艙高溫區(qū)域最多，二位端溫度較模型1有所升高，高溫區(qū)域主要分布在變流器進(jìn)口附近，其他設(shè)備附近溫度在58 ℃左右，設(shè)備艙頂部截面最高溫度較模型1升高約3 ℃；模型3中間車設(shè)備艙高溫區(qū)域最少，二位端溫度無明顯升高，設(shè)備附近大部分溫度在55 ℃以下，設(shè)備艙頂部截面最高溫度較模型1下降約6 ℃.綜上所述，列車上行時，模型3即在原始模型基礎(chǔ)上設(shè)備艙裙板兩端增加格柵的中間車設(shè)備艙散熱性能更好.

由圖17可知：模型1中間車設(shè)備附近溫度較高，為62 ℃左右，溫度最高的區(qū)域位于變流器進(jìn)口和設(shè)備艙底部通風(fēng)口附近；模型2中間車設(shè)備艙一位端設(shè)備附近較模型1明顯升高，溫度為67 ℃以上，二位端溫度較原始模型也有所升高，設(shè)備艙頂部截面溫度較原始模型升高約3 ℃；模型3中間車設(shè)備艙一位端設(shè)備附近溫度無明顯升高，溫度最高的區(qū)域位于變流器進(jìn)口和設(shè)備艙底部通風(fēng)口附近，設(shè)備艙頂部截面的最高溫度較原始模型下降約14 ℃.綜上所述，列車下行時，模型3即在原始模型基礎(chǔ)上設(shè)備艙裙板兩端增加格柵的中間車設(shè)備艙散熱性能更好.

為比較不同位置增加格柵的設(shè)備艙溫度較原始模型的變化，取頭車和中間車設(shè)備艙頂部截面最高溫度對比，見表1.

頭車設(shè)備艙頂部截面最高溫度都達(dá)到設(shè)備發(fā)熱溫度；與模型1相比，模型3中間車設(shè)備艙頂部截面最高溫度明顯降低，模型2

中間車設(shè)備艙頂部截面最高溫度有所升高，說明模型3的散熱性能最好，模型2的散熱性能最差.

由以上分析可知，在設(shè)備艙裙板上增加格柵通風(fēng)口對設(shè)備艙內(nèi)的空氣流動和溫度分布影響較大，設(shè)備艙裙板兩端增加格柵通風(fēng)口對頭車和中間車設(shè)備艙的散熱都更有利.

3結(jié)論

通過對不同位置增加格柵的8節(jié)車編組的高速列車設(shè)備艙內(nèi)外流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到以下結(jié)論.

1）在列車上行時，原始模型和裙板中間增加格柵的頭車設(shè)備艙內(nèi)大部分區(qū)域溫度達(dá)到設(shè)備發(fā)熱溫度，裙板兩端增加格柵的頭車設(shè)備艙內(nèi)溫度降低明顯，大部分區(qū)域在45 ℃以下.

2）在列車下行時，裙板兩端增加格柵的頭車設(shè)備艙一位端溫度較原始模型和裙板中間增加格柵的有明顯降低，二位端溫度也有一定降低.

3）在列車上行時，裙板中間增加格柵的中間車設(shè)備艙高溫區(qū)域較原始模型有所增多，設(shè)備艙頂部截面最高溫度升高約3 ℃，裙板兩端增加格柵的中間車設(shè)備艙高溫區(qū)域較原始模型有明顯減少，設(shè)備艙頂部截面最高溫度降低約6 ℃.

4）在列車下行時，裙板中間增加格柵的中間車設(shè)備艙高溫區(qū)域較原始模型明顯增多，設(shè)備艙頂部截面最高溫度升高約3 ℃，裙板兩端增加格柵模型的中間車設(shè)備艙高溫區(qū)域較原始模型明顯減少，設(shè)備艙頂部截面最高溫度降低約14 ℃.

參考文獻(xiàn)：

[1]李雪冰， 張繼業(yè)， 張衛(wèi)華. 高速列車交會時氣流誘發(fā)振動的仿真研究[J]. 鐵道車輛， 2009， 47（12）： 9-12.

LI Xuebing， ZHANG Jiye， ZHANG Weihua. Simulation research on vibration caused by airflow while high speed trains passing each other[J]. Rolling Stock， 2009， 47（12）： 9-12.

[2]譚深根， 李雪冰， 張繼業(yè)， 等. 路堤上運(yùn)行的高速列車在側(cè)風(fēng)下的流場結(jié)構(gòu)及氣動性能[J]. 鐵道車輛， 2008， 46（8）： 4-8.

TAN Shengen， LI Xuebing， ZHANG Jiye， et al. Flow field structure and aerodynamic performance of high speed train running on embankment under cross wind[J]. Rolling Stock， 2008， 46（8）： 4-8.

[3]武青海. 列車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真研究[J]. 中國鐵道科學(xué)， 2002， 23（4）： 132-135.

WU Qinghai. A study on numerical simulation of train aerodynamics[J]. China Railway Sci， 2002， 23（4）： 132-135.

[4]田紅旗. 中國列車空氣動力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2006， 6（1）： 1-9.

TIAN Hongqi. Study evolvement of train aerodynamic in China[J]. J Traffic & Transportation Eng， 2006， 6（1）： 1-9.

[5]BAKER C J， JONES J， LOPEZ-CALLEJA F， et al. Measurements of the cross wind forces on trains[J]. J Wind Eng & Ind Aerodynamics， 2004， 92（7）： 547-563.

[6]李田， 張繼業(yè)， 張衛(wèi)華. 橫風(fēng)下高速列車通過擋風(fēng)墻動力學(xué)性能[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2012， 34（7）： 30-35.

LI Tian， ZHANG Jiye， ZHANG Weihua. Dynamic performance of high-speed train passing windbreak in crosswind[J]. J China Railway Soc， 2012， 34（7）： 30-35.

[7]王東屏， 趙強(qiáng)， 兆文忠. 高速檢測車明線運(yùn)行輔助變流器進(jìn)排風(fēng)口表面壓力數(shù)值分析[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 32（5）： 29-33.

WANG Dongping， ZHAO Qiang， ZHAO Wenzhong. Air inlet and outlet pressure analysis of auxiliary converter in high-speed test Train[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（5）： 29-33.

[8]孔璞， 陳春俊. 高速列車設(shè)備艙通風(fēng)測試研究[J]. 電子測試， 2012（8）： 1-4.

KONG Pu， CHEN Chunjun. High speed train equipment cabin ventilation test[J]. Electronic Test， 2012（8）： 1-4.

[9]WANG Dongping， XU Guangping， LIU Fen， et al. Numerical research on temperature field of equipment compartment of 350 km/h EMU running on open line[C]//Proc 1st Int Workshop High-Speed & Intercity Railways. Berlin： Springer-Verlag， 2012： 131-142.

[10]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(jī)車車輛， 2012， 32（6）： 5-8.

ZHANG Guoping， FAN Letian， WANG Guangming， et al. Temperature field analyze of high-speed train off-vehicle equipment cabin[J]. Railway Locomotive & Car， 2012， 32（6）： 5-8.

[11]胡文錦， 孔繁冰， 張繼業(yè)， 等. 高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱數(shù)值模擬[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2013， 22（5）： 1-6.

HU Wenjin， KONG Fanbing， ZHANG Jiye， et al. Numerical simulation on ventilation heat dissipation for high speed train equipment compartment[J]. Comput Aided Eng， 2013， 22（5）： 1-6.

（編輯武曉英）