新型動車組車下設備艙的散熱性能研究

田占偉 田慶濤

摘 要：本文對新型時速250km動車組車下設備艙的內流場和溫度場進行了數值建模，對其通風散熱性能進行了分析，并以牽引動車為例，研究在高溫區域的設備上增加合理的通風裝置，能夠有效提升設備艙通風的散熱性能。

關鍵詞：城際動車組；設備艙；通風散熱

0 引言

隨著我國高速動車組的迅速發展，城際動車組的研制也越來越受到關注。城際動車組以其行程短、短距離內提速快的特點，對設備的性能和可靠性要求也越來越高，特別是車下設備艙內的牽引變流器、牽引變壓器等大功率設備對列車的提速和安全起到關鍵的作用。

250km城際動車組采用動力集中式的設計理念，牽引部件采用將牽引變流器、輔助變流器以及冷卻裝置集于一體的動力包結構。由于250km城際動車組采用密封等級高的設備艙結構，加之功率單元裝置體積大的特點，導致設備艙空間相對封閉且狹小。功率單元為大功率發熱元件，極易引起設備艙內溫度過高。研究表明：高溫是電子設備損壞的主要原因；溫度過高容易導致設備的性能和穩定性降低。因此，開展對高速列車設備艙通風散熱性能的研究是非常必要的。

本文采用Ansys數值模擬軟件，結合設備艙內的流動特性對設備艙整體的通風散熱性能進行分析研究，并對未施加通風裝置的設備艙原結構和加裝通風裝置的優化結構的通風散熱性能進行對比分析。

1 原結構數值建模

以250km城際動車組車下布置動力包設備的車型（代號：MC車）為例進行研究分析：

1.1 數學模型

列車附近的流場可近似處理為三維粘性非定常不可壓縮流場，湍流模型采用標準k-ε兩方程模型，其控制方程的輸運方程形式為：

其中t為時間；ρ為空氣密度；u=（u，v，w）為流場速度矢量；ut=（ut，0，0）為列車運動速度矢量；φ為流場通量；S為源項；Γ為擴散系數。

能量守恒方程包含熱交換流動系統必須滿足的基本定律，表述為微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。由此可得，以溫度T為變量的能量守恒方程，其矢量形式為：

式中CP為比熱容，T為溫度，λ為流體導熱系數，ST為粘性耗散項，即流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

1.2 計算區域、邊界條件

圖1為明線運行時的計算區域與邊界條件，計算區域的長、寬、高分別為505m、60m、60m，其中頭車鼻尖距離入口150m，尾車鼻尖距離出口200m，其中A為速度入口，B為壓力出口，F為移動地面，C、D、E為對稱面。

1.3 網格劃分

對動車組車體進行非結構化網格劃分。在劃分網格時，對設備艙格柵、艙內設備、支架等細部結構進行網格加密，其中車體表面網格最大尺寸為80mm，格柵最大網格尺寸為3mm，設備最大網格尺寸為20mm。整個計算區域均采用非結構化網格劃分，共劃分為8600萬四面體網格。

2 設備艙設計結構分析

2.1 流場分析

動車組列車以速度250km/h上行運行時，上行運行由裙板格柵通風口進入設備艙內部的空氣量多于下行運行，牽引動車流場分析如圖2所示。設備艙中空氣由二位端格柵通風口流入，其中大部分進入動力包散熱器，動力包散熱器排出的空氣一部分流入設備艙內，一部分由底部出風口流出，設備艙內的空氣大部分由一位端格柵通風口流出。

2.2 溫度場分析

對設備艙內的溫度場分布進行分析，分別取動力包下部、中部和上部4個截面進行溫度分析，分別為Y=0.3m、Y=0.6m、Y=0.8m 、Y=1.1m。

通過對圖3設備艙截面溫度分布云圖的分析可知，設備艙內溫度主要受動力包散熱器排風影響，溫度相對較高，不利于設備的保養和正常運行。

3 對設備艙的結構進行優化設計

3.1 原結構分析

針對以上分析，溫度高的區域主要集中在動力包設備周圍，動力包設備本身出風口的設計采用通風格柵結構。動力包的發熱量通過設備本身的冷卻風機將熱流通風出風口處排出，根據設備艙內的負壓作用，大部分熱流會通過車體底板上的開孔流出設備艙外部，但也會有一小部分熱流積聚在設備艙內，在列車長時間運行條件下對設備本身造成熱損傷。

3.2 結構改進設計

為了有效地將設備風機出口處的熱流全部轉到車體外，考慮在動力包冷卻風機出口處增加導風裝置，導風裝置上部與設備通過螺栓連接，下部與車體艙底板通過加厚海綿形成接觸性軟連接，避免車體艙底板振動對設備產生的影響

4 優化結構數值建模與結果分析

4.1 流場分析

對施加導風裝置改進后的結構進行建模分析，分析方法采用與原結構相同的方法得出結果，如圖4所示。

4.2 溫度場分析

對施加導風裝置的改進后結構進行建模分析，分析方法采用與原結構相同方法得出結果，如圖5所示。

5 結論

對于車體底架設備艙內發熱量大的設備，通過增設導風裝置，及時有效地將部件的熱流導出至車體艙外，能夠有效改善設備艙內流動、提升設備艙的通風散熱性能。

參考文獻

[1]徐連萍.基于光纖光柵傳感技術的高速動車組設備艙溫度測試研究[J].中國鐵路，2013，（9）：54-57.

（作者單位：中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心）