地鐵列車設備艙通風冷卻設備布置優化

蔣 奎 吳楠楠 何守寶 陸心怡

(1.河北軌道運輸職業技術學院鐵道車輛系，050021,石家莊；2.同濟大學機械與能源工程學院，201804,上海//第一作者,副教授)

隨著我國高速列車的飛速發展，列車運行的安全性和穩定性也越來越受到關注。地鐵車輛的車下設備主要包括牽引變流器、變壓器、制動設備和牽引電機等大功率用電設備。這些設備在運行過程中會產生大量的熱量,若不能將這些熱量及時排出，會導致設備超溫，從而影響列車的正常運行，因此有必要對地鐵列車設備艙熱環境進行研究。

目前,世界各國對高速列車主要的研究方法有數值模擬方法和實驗方法[1]。文獻[2-3]最早利用一維假設建立了隧道壓力波一維流動理論和特征線求解方法。文獻[4-6]采用非對稱滑移網格方法對列車-隧道耦合空氣動力學的諸多問題進行了研究。文獻[7]采用CFD(計算流體動力學)數值模擬方法,通過速度場、通風量和設備溫度研究了不同列車運行速度和設備艙通風口縱向位置差異對設備艙通風散熱的影響。文獻[8]利用CFD數值模擬方法研究了列車高速運行于明線無橫風環境和明線橫風環境,以及隧道通過等工況下的設備艙通風散熱性能及設備艙裙板與底板單元結構響應。

本文旨在通過CFD數值模擬方法來研究地鐵列車在隧道運行、明線運行、高架運行及隧道停站工況下，列車設備艙內外部的壓力分布及溫度分布。其結論可為設備艙通風設備的布置與設計提供參考。

1 地鐵列車設備艙內氣流特征和熱環境

以地鐵列車在隧道運行工況為例，采用數值模擬方法對地鐵列車設備艙內的氣流特征和熱環境進行分析。

1.1 計算模型、區域和網格

采用CFD數值分析軟件進行幾何模型的建立及網格的劃分。列車共計8節車廂，總長度約200 m，各節車廂長約23 m，列車寬約3.1 m，列車高約3.95 m。

本文采用的隧道為截面積約28 m2的線隧道，在進行穩態運行列車的流場計算建模時，取長度大于25倍車寬的列車頭部及尾部空間作為計算區域。

網格劃分采用非結構網格。上游隧道區域和下游隧道區域最大網格尺寸為0.6 m，近隧道區域最大網格尺寸為0.2 m，近車體區域最大網格尺寸為0.1 m。設備艙內設備均進行加密處理，網格總數為4 761萬，網格質量大于0.28。

1.2 邊界條件設置

1.2.1 入口、出口邊界設置

模擬計算采用非穩態方法，計算區域入口采用速度入口邊界條件，入口空氣溫度為40 ℃。外流場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 其它邊界設置

設備艙其他設備表面、設備艙頂面、車體、地面和計算區域邊界均為絕熱，裙板為耦合面。

1.2.3 模型設置

采用單精度的分離隱式算法器進行計算，壓力與速度的耦合運用SIMPLE算法，壓力離散格式為standard格式，3個坐標方向的速度方程和k、ε方程的對流項離散采用二階迎風差分?？諝饷芏炔捎美硐氩豢蓧嚎s氣體。除壓力的松弛因子取0.3、動量松弛因子取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

計算收斂判據如下:①連續性方程、動量方程、湍流動能方程和耗散率方程殘差小于1程殘差小于10-6；②計算區域的質量和能量均守恒；③壓力場和溫度場的計算結果合理。

1.4 設備艙熱環境計算分析

采用CFD數值分析軟件對地鐵列車設備艙進行了計算仿真，并對其結果進行了后處理和分析。圖1所示為地鐵列車設備艙截而位置選取示意圖。

注：Z截面距設備艙頂板距離為0.55 m；Y截面為車體中間截面

1.4.1 列車設備艙氣流特征分析

列車設備艙速度場分布如圖2所示。由圖2可知,列車運行過程中，由于受到轉向架、變壓器和牽引變流器等的阻擋，艙內空氣速度沿著車身方向逐漸減小;一位端轉向架附近空氣流速變化較大，空氣流經變壓器后速度場分布較為均勻;裙板將外界和設備艙分隔開，其兩側速度場的變化極為明顯。

圖2 截面列車設備艙速度矢量分布云圖

1.4.2 列車設備艙熱環境計算結果分析

1.4.2.1 列車設備艙壓力場

列車設備艙壓力分布如圖3所示。由圖3可知,列車在高速運行中，設備艙內壓力整體呈沿車長方向逐漸減小的趨勢。一位端轉向架的前部壓力較高，且壓力分布較均勻;由于受到設備艙內轉向架的阻擋，壓力場發生巨大變化，空氣流動經過變壓器后，壓力場相對穩定。

1.4.2.2 列車設備艙溫度場

列車設備艙溫度場分布如圖4所示。由圖4可知，設備艙內溫度分布變化較為明顯?？諝膺M入設備艙后，受到轉向架電機、變壓器和牽引變流器等主要設備熱源的影響，溫度逐漸升高。設備艙中部區域散熱量較大的牽引變流器和變壓器周圍空氣溫度較高。

圖3 截面列車設備艙全壓分布云圖

圖4 截面列車設備艙溫度分布云圖

2 不同運行工況下設備艙內的環境差異

分別對隧道運行、明線運行、高架運行和隧道停站等工況下的地鐵列車設備艙進行數值模擬研究，并對比不同運行工況下地鐵列車設備艙內的環境差異。

2.1 速度場計算結果分析

在速度場中，由于受到轉向架、變壓器、牽引變流器和其他設備的阻擋，在明線運行和高架運行工況下，艙內空氣速度均沿著車身方向逐漸減小。一位端轉向架附近空氣流速變化較大，空氣流經變壓器后速度場分布變得較為均勻。裙板將外界和設備艙分隔開，其兩側速度場的變化極為明顯。在隧道停站工況下，列車處于靜止狀態，隧道內空氣的流通依靠排熱系統的風機提供動力。因為冷卻風機的存在，空氣受迫流動，使得風機附近空氣流速較大，但其周圍空氣流速卻較小。

2.2 壓力場計算結果分析

列車在明線運行和高架運行工況下，設備艙內壓力變化整體呈沿車長方向逐漸減小的趨勢。一位端轉向架前部壓力較高，且分布較均勻;由于受到設備艙內轉向架的阻擋，壓力場發生巨大變化，空氣流動經過變壓器后，壓力場變得相對穩定。列車在停站工況下，全壓壓力場分布相比隧道運行和明線運行工況的變化更小和更穩定。設備艙內全壓壓力場分布受到牽引變流器冷卻風機和變壓器冷卻單元風機的影響，靠近變壓器冷卻風入口處的壓力要比周圍環境壓力小，同時排熱系統軌底風口向隧道內送風，使得靠近屏蔽門側的壓力偏小。

2.3 溫度場計算結果分析

列車在明線運行和高架運行工況下，設備艙內溫度變化較為明顯。空氣進入設備艙后，受到轉向架電機、變壓器、牽引變流器等主要設備熱源的影響，溫度逐漸升高，且溫度最高位置出現在設備艙中部區域。在隧道停站工況下，設備艙內空氣溫度分布與熱源有關，靠近熱源的地方溫度較高，遠離熱源的地方溫度較低。由于列車裙板的阻擋，軌底風口送風未起到最大作用，設備艙內未將更多的熱量送走。

3 設備艙通風冷卻設備布置優化建議

結合本次計算結果，對于列車設備艙的通風冷卻設備布置,提出如下建議：

(1) 通過在裙板兩側開通風口，加大進入設備艙的冷卻風量來進行散熱。將軌底風口與設備艙裙板風口布置一一對應，可增大停站時進入設備艙冷空氣的流量，從而達到帶走熱量和冷卻設備的目的。

(2) 將發熱量較大的設備布置于設備艙的兩端。設備艙中部區域空氣流動相對穩定，兩端空氣流速較大，這樣使得空氣擾動性增強，從而利于設備進行散熱。

4 結語

本文通過CFD數值模擬仿真對地鐵列車車型設備艙的壓力場和溫度場進行了計算。因為夏季溫度最高，對列車設備運行最為不利，因此本文選取夏季(隧道及明線空氣溫度40 ℃)、明線和高架運行工況,以及考慮太陽輻射等條件來進行計算。通過仿真計算得到隧道運行、明線運行、高架運行及隧道停站4種工況下列車設備艙內部空氣溫度分布和壓力分布情況。

結合理論與模擬結果，對地鐵列車設備艙內溫度場的優化提出以下建議：一是通過在裙板兩側開通風口加大進入設備艙的冷卻風量來進行散熱,二是將發熱量較大的設備布置于設備艙的兩端。