基于數值模擬計算的A型動車組圍護結構傳熱系數優化計算*

曹先偉 王常宇 夏春晶

（中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//第一作者，工程師）

基于數值模擬計算的A型動車組圍護結構傳熱系數優化計算*

曹先偉 王常宇 夏春晶

（中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//第一作者，工程師）

運用數值模擬的方法對A型動車組各典型斷面進行傳熱分析，并計算了車體圍護結構的傳熱系數及各斷面的權重。由計算結果可知，空調車廂有窗斷面的權重傳熱系數最大，空調車廂有門斷面及受電弓處有門斷面的權重傳熱系數較大。分析了權重傳熱系數大的原因，提出采用熱導率較小的玻璃、并適當增大雙層玻璃中空氣層厚度等措施來提高窗戶處的保溫性，提出車門框架采用熱導率更小的材料來改善車門處的保溫性，并提出增大受電弓處的車廂頂部保溫層厚度來增強保溫效果。

A型動車組；圍護結構；傳熱系數；數值模擬計算

TK123∶U266.2

高速列車圍護結構的隔熱性能嚴重影響著客室內空調的冷熱負荷及熱舒適性。如何提高高速列車隔熱性能、降低空調能耗、提高熱舒適性已成為當前高速列車空調研究的重點問題。

為滿足功能、美觀及軸重等各方面的要求，車體在不同位置采用了不同的材料。這給車體的隔熱性能帶來一定的影響。冷橋是由于某種材料的熱導率遠遠大于其周圍材料的熱導率而產生的。列車容易產生冷橋的部位往往是存在螺栓、螺釘、防寒釘、門窗及其固定件和貫通道金屬結構等部位［1］。冷橋不僅增加了車體局部傳熱量，還惡化了圍護結構內表面的溫度環境。冷橋處在冬季易產生結露現象［2］，當水蒸氣凝結情況嚴重時，凝結水還會滲入到隔熱材料中，使其隔熱效果變差，降低整個車體的保溫性，降低列車隔熱層的平均熱阻。傳熱在濕工況下進行，也會影響車廂內的環境衛生［3］。

車體傳熱系數K是客室內空調負荷計算的主要依據。在設計階段得到動車組隔熱壁的K，可為準確計算動車組客室內冷熱負荷及列車空調系統設計提供計算依據，也可為進一步優化圍護結構提供理論基礎。傳統的列車外圍護K值主要依靠試驗測定和理論計算來獲取。采用試驗測定的手段測量列車K值，只能在整車制造完成之后進行，無法在設計初期對列車隔熱層的性能作出準確的判斷，具有一定的局限性；理論計算通常將列車隔熱層按照一維模型加以簡化，忽略了冷橋及不同車體結構對其隔熱效果的影響，只能作為粗略估算，無法得到較為準確的結果［4］。隨著計算流體力學（CFD）及計算機技術的發展，CFD數值計算方法被越來越多地應用到了熱工和流體特性等問題的分析中。關于冷橋計算的國際標準中指出，判斷冷橋處額外的熱量損失，以及該部位是否有結露的可能，需要借助于模擬結果對該部位進行分析［5-6］。采用數值模擬的方法，不僅可以在設計初期準確計算出列車K值，還可以直觀地分析引起熱阻下降的具體原因，方便設計者有針對性地加以優化，降低列車冷熱負荷，提高維護結構的保溫效果［7］。

本文以A型動車組的Mc車（帶司機室的動車）及Tp車（帶受電弓的拖車）為例，通過數值分析的方法，對車體K值進行精確計算。

1 車體主要材料的物理參數及熱工性能計算方法

1.1 車體主要材料的物理參數

A型動車組列車圍護結構隔熱層由多種材料組成，并嵌有螺栓、螺釘等金屬結構。不同材料的結構及物理參數將直接影響K值。本文研究的A型動車組車體主要組成材料的物理參數如表1所示。

表1 A型動車組車體材料物理參數

1.2 熱工性能計算方法

目前，車體K主要有三種計算方法。第一種是熱工試驗法，即按照TB/T 1674《鐵道客車隔熱性能試驗方法》規定的方法進行鐵道車輛隔熱壁K試驗測定。第二種是傳統傳熱計算方法：先分析車體內部導熱和邊界上的對流和輻射換熱的特點，進行傳熱計算，然后求解出車體的K。第三種是CFD（流體力學）數值模擬計算方法，隨著科技的快速發展，CFD數值模擬法被越來越多地應用到傳熱分析中。

使用CFD方法模擬流動問題需求解流動的連續性方程、動量方程及能量方程。由于實際的流動情況多為湍流流動，所以需采用湍流模型來封閉雷諾時均的Navier-Stocks方程。本模擬計算采用Realizable k-ε模型。經過大量的試驗驗證，該模型不僅精度可靠，而且在工程應用中具有良好的準確性。

Realizable k-ε模型的控制方程為：

式中：

ρ——流體密度；

t——時間；

U——速度矢量；

φ——方程屬性變量；當φ取不同值時，式(1)可分別表示質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程；

Гφ——φ的擴散系數；

Sφ——φ的源項。

2 數值計算結果分析

2.1 典型斷面模擬計算結果

A型動車組車體K的CFD模擬計算是一個三維傳熱問題。為了提高計算精度，將整個車體結構按照典型斷面分類，并簡化成若干二維結構。通過CFD模擬計算得到所有典型斷面的K后，再根據每個典型斷面在車長方向的加權平均長度，得到整車的車體K。這樣即可在允許的范圍內，保證了計算的準確性。

本次計算中A型動車組的車體被分為9個典型斷面，分別為：司機室無窗（A）斷面、司機室有窗（B）斷面、空調車廂有門（C）斷面、空調車廂無門無窗（D）斷面、空調車廂有窗（E）斷面、受電弓下無門無窗（G）斷面、受電弓下有窗（H）斷面、受電弓下有門（I）斷面、端墻部分（F）斷面。經模擬計算，B斷面的模擬計算結果如表2所示。

表2 B斷面的模擬計算結果

2.2 模擬計算結果

A型動車組的典型車廂為Mc車和Tp車，其典型斷面劃分情況分別如圖1和圖2所示。根據不同的典型斷面所占面積計算出不同典型斷面在K值計算中所占的權重大小，如圖3所示。根據各斷面在車長方向的長度權重，可計算出各斷面的權重K。最后可算得 Mc車的 K 是 1.000 6 W/（m2·K），Tp 車的 K 為 0.948 6 W/（m2·K）。

圖1 A型動車組Mc車典型斷面的選取

圖2 A型動車組Tp車典型斷面的選取

圖3 各典型斷面占車廂表面積權重

各個典型斷面的K計算結果如圖4所示，可以看出，K最大的幾個斷面分別為B斷面、C斷面、I斷面和E斷面。其中K最大的位置為B斷面，其K達1.28 W/（m2·K）。K較大的典型斷面均位于有門或有窗的位置，這些位置由于結構有所改變，會存在更多的金屬部件，形成冷橋，減弱保溫效果；另一方面，門和窗體的材料K較大，一定程度上也將使得該界面整體K增大，不利于圍護結構保溫。

圖4 典型斷面K的柱狀圖

權重K值等于斷面的K值與此斷面所占比例的乘積，圖5和圖6即為Mc車廂和Tp車廂各個典型斷面權重K值所占的比例分布情況。可見，用斷面法計算A型動車組，可得E斷面和D斷面的權重值K最大，對列車整體圍護結構K有著較大的影響。這主要是由于這二者權重在所有計算典型斷面中最大，同時E斷面的斷面K在所有典型斷面中也相對較高，在兩類車廂中權重值K的最大值均出現在該處，幾乎占據整車的一半。在改進車體K時應首先考慮E斷面和D斷面處的優化方案。

而B斷面、C斷面、I斷面等3個的斷面雖K較大，但由于其在整車表面積中所占的權重值較小，均不超過10%，故對整體的影響不明顯。

圖5 A型動車組Mc車各斷面權重K值所占比例圖

圖6 A型動車組Tp車各斷面權重K值所占比例圖

2.3 車體改進措施

根據以上數據分析，E斷面所占權重比例最大，這是影響A型動車組K值大小的主要因素。考慮到對整體K值的作用效果，應對權重較大的部位加以優化，而非K最大的斷面位置。玻璃的熱導率為1.4 W/（m·K），而空氣的熱導率為 0.024 2 W/（m·K）。因此，可適當增大雙層玻璃中空氣層的厚度，同時采用熱導率較小的玻璃，從而降低窗戶的K值。

此外C斷面和I斷面的K值也較大。這是因為在車門內側沒有保溫層；而且門使用了鋁架（鋁合金的熱導率高達202.4 W/（m·K）），鋁架中的填充材料雖然具有很好的隔熱性能，但由于其厚度較小，故保溫作用不明顯。因此，建議車門框架采用熱導率更小的材料。I斷面的K較大，除了因為門的保溫作用差外，其受電弓處的車廂頂部也比較薄，因此建議受電弓處的車廂頂部增大保溫層厚度。

3 結論

本文采用CFD數值計算的方法，計算A型動車組圍護結構的K，比較了Mc車廂及Tp車廂圍護結構各典型斷面權重K值的大小，并分析了車廂K值變大的主要原因。得到如下結論：

（1）考慮到A型動車組不同位置圍護結構的差異，以及保溫層內金屬部件處冷橋的存在，采用典型斷面加權平均的計算方法計算車廂維護結構整體K值，較傳統傳熱學計算方法精度有所提高。兩節車廂的值分別為 1.000 6 W/（m2·K） 和 0.948 6 W/（m2·K），符合設計要求。

（2）對于Mc、Tp車廂，E斷面的權重K值最大，該處保溫性能對整車的影響最為明顯。優化圍護結構保溫性能時，需首先考慮降低E斷面處K值，可適當增大雙層玻璃中空氣層的厚度，同時采用熱導率較小的玻璃，從而降低窗戶的K值。

［1］ 吳俊云，王剛，劉訓海，等.空調客車廂體結構傳熱數值分析［J］.上海理工大學學報，2005（4）：287.

［2］ 趙淑敏.濟南地區建筑熱橋能耗分析與研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2004.

［3］ 趙立華.建筑冷橋分析［D］.哈爾濱：哈爾濱建筑大學，1996.

［4］ 王潤泉.車體隔熱壁傳熱系數計算的新方法及其簡化計算［J］.鐵道學報，1988，12（2）：11.

［5 ］ ISO.Building comportments and building elements-Thermalresistance and thermal transmittance-Calculation method：ISO 6946/2—2007（E）［S］.Geneva：ISO，2007.

［6］ 杜玉峰.客車車體隔熱壁熱工性能研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［7］ 中華人民共和國鐵道部.鐵道客車隔熱性能試驗方法：TB/T 1674—1993［S］.北京：鐵道部四方車輛研究所，1994.

K-value Optimization Calculation of Type A High-speed Train Based on Numerical Simulation

CAO Xianwei，WANG Changyu，XIA Chunjing

Numerical simulation is used to analyze the heat transfer for Type A high-speed train and typical sections，the heat transfer coefficient of the train envelope structure and the weight average of each section are also calculated.The reasons of larger heat transfer coefficient for section weight are analyzed，new measures like the use of low thermal conductivity glass and good materials，increasing the thickness of top layer thermal insulation are proposed to improve the heat preservation for train windows，doors and the passenger compartment.

Type A high-speed train;envelope structure；heat transfer coefficient；numerical simulation calculation

Author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，130062，Changchun，China

10.16037/j.1007-869x.2017.12.008

*“十二五”國家科技支撐計劃項目（2013BAG24B02-04）

2016-03-24）