铁路客车的车内热响应的数值研究*

许建柳，刘卫华

(南京航空航天大学宇航学院，江苏 南京 210016)

在夏、冬季，空调客车在行驶之前，都要进行预冷(热)，以便乘客一进入车厢就有一个舒适的环境。车厢内预热时间的直接影响到空调节能，为了减少预热时间，有必要对铁路客车的车厢内的热响应特性进行研究。以往研究都是集中于对铁路客车的空调负荷进行计算，对铁路客车尤其是高速铁路客车的车厢内热响应研究，国内外还没有报道过。本文对空调铁路客车的车厢内热响应进行研究，并与普通铁路客车进行对比。

1 高铁的车体围护结构分析

高铁车体一般采用轻量化材料，动车铝合金车体围护结构由抗振阻尼浆、防震油漆、挤压铝型材、热声学绝缘夹层(由多种隔热材料复合而成)、蜂窝板。隔热壁材料的化学成分有醋酸纤维薄膜、聚酯纤维［4］组成。中空挤压铝型材虽然有空气夹层，但由于2张铝板之间有很多肋连接，存在很大的热桥现象，传热性能接近加厚单层均质铝板，本文中，为了简化模型，把中空挤压铝型材作为加厚单层均质材料处理，这样，高铁车体就可以看成是由多层均质材料组成的复合结构。玻璃窗采用中空夹层玻璃。

普通铁路客车车体围护结构从外到内依次是铁皮、胶合板、隔热材料、塑料等多层结构。

2 数学模型

(1)对车体围护结构建立非稳态导热方程［5］:

当τ=0时，Ti=0=Tw(初始条件)

式中:ρ为空气密度，kg/m3;c为空气比热容，kJ/(kg·k);λ为车体导热系数，W/(m·K);Tn为车内空气温度，℃;Tw为车外温度，℃;Tcn为车体内表面温度，℃;Tcw为车体外表面温度，℃。hn为车体内表面对流换热系数，W/(m2·K);hw为车体外表面对流换热系数，W/(m2·K)。

(2)对车体建立热量平衡方程［6］:

式中:Q1为空调制冷量，W;Q2为车箱围护结构传热量，W;Q3为照明、设备等散热量，W。由于车体围护结构主要包括车窗和车实体结构，所以，

式中:Qwall为通过车实体的传热量，W;Qwindow为通过车窗的传热量，W;Fwall为车实体传热面积，m2;λwall为车实体导热系数，W/(m·K);kwall为车窗传热系数，W/(m2·K);Fwindow为车窗传热面积，m2。

3 计算条件

对铝 合 金［7］:ρ =2820 kg/m3，c=857 J/(kg·K)，λ =138 W/(m·K)。

对聚酯纤维［7］:ρ=1380 kg/m3，c=1360 J/(kg·K)，λ =0.05 W/(m·K)。

对薄 钢 板［7］:ρ =7833 kg/m3，c=465 J/(kg·K)，λ =54 W/(m·K)。

对聚氨酯塑料［7］:ρ=30 kg/m3，c=2000 J/(kg·K)，λ =0.018 W/(m·K)。

对胶 合 板［7］:ρ =600 kg/m3，c=2500 J/(kg·K)，λ =0.17 W/(m·K)。

每节车厢的空调制冷量取55 kW，制热量取30 kW。

夏季，列车空调制冷前，为了与实验条件一致，假设车内、外起始温度为33℃;冬季，列车空调制热前，假设车内、外起始温度为0℃。

4 车厢内空气温度的计算方法

为了计算开始开空调后车厢内的温降情况，需要联立求解关于车体围护结构热传导的偏微分方程(1)和关于空气温度的常微分方程(2)。

关于空气温度的常微分方程，可采用隐式的欧拉方法或四阶龙格－库塔方法来求解。关于围护结构热传导的偏微分方程，采用控制容积有限差分方法求解。

车体结构包括车窗和车体2个部分，它们可以分别具有不同的边界条件和初始条件。这意味着要求解2个初边值条件不同的偏微分方程。

列车制冷量可以按照空调设备的实际制冷功率来计算。

在计算车窗的传热量时没有考虑它的热惯性，它的传热系数可从供热工程设计方面的手册中得到。

计算中涉及的其他有关数据均从有关的设计规范或手册中获得。计算步骤如下:

(1)首先给定空气的初始温度和其他相关的初边值条件及时间步长;

(2)估计下个时间步的空气温度;

(3)计算各部分热量，进行能量平衡;

(4)若能量基本平衡，则转入下个时间步;否则，估计新的空气温度重新返回第3步进行计算。

(5)完成每个时间步的计算并保存计算结果。

5 实验论证

按车厢热工测试要求进行实验测试，分夏季和冬季两个季节进行。在夏季工况下，车外温度为33℃，车厢内有1台单元式空调机组，开动制冷机组前，首先打开车窗和车门，将自然通风器和排废气口置“正常位”，将车内恒温器开关置“手动位”，然后，对整个车厢进行加热和加湿。当车厢内温度和湿度接近车外气象条件时，调节制热量和加湿量，使车内外温度和湿度达到均衡并维持2 h，让车体及内部设备充分吸热。2 h后，关严车门和车窗，开动制冷机组，制冷机组制冷开始，每隔100 s记录温度，在车厢的两端、中部3个断面各设3个测温点，每次温度取这3个点温度的平均值，测温仪器为热电偶温度计。在冬季工况下，车厢外温度为0℃左右，实验方法与夏季工况的相同。

6 结果及讨论

图1所示为制冷工况下的车内热响应情况，图2所示为制热工况下的车内热响应情况。

图1 制冷工况下车内热响应Fig.1 Thermal response in cooling condition

图2 制热工况下车内热响应Fig.2 Thermal response in heating condition

从图1和图2可以看出:对车厢内热响应的数值计算结果与实验结果基本吻合;在相同制冷条件下，高速铁路客车比普通铁路客车降温时间要快，高速铁路客车的车厢内温度从33℃降到24℃为1500 s左右，而普通铁路客车需要2000 s左右，慢500 s左右;在相同制热条件下，高速铁路客车比普通铁路客车升温要快，高速铁路客车的车厢内温度在制热开始2500 s左右后从0℃升到18℃，而普通铁路客车要3000 s左右。高速铁路客车的车内热响应要比普通铁路客车要快，这主要是车体材料不同所致。

本文数值模型采用简化模型，把中空挤压铝型材作为加厚单层均质材料处理，这导致车体围护结构的传热系数和蓄热性与实际值有所不同，车厢内热响应的数值模拟结果要比实验结果要迅速一点，这说明简化模型的车体围护结构的蓄热性能要低于实际值。

用本文数值模型对铁路客车的车厢热响应研究是可行的。下面对假设的2种内表面材料进行热响应模拟。在相同制冷制热情况下，对同一个普通铁路客车车厢，假设一种情况是车厢内表面材料采用聚氨酯材料，而假设的另一种情况是车厢内表面材料采用胶合板材料，热响应情况分别见图3和图4。

图3 制冷工况下车内热响应Fig.3 Thermal response in cooling condition

图4 制热工况下车内热响应Fig.4 Thermal response in heating condition

从图3和图4可以看出:车厢采用聚氨酯内表面材料与胶合板内表面材料对比，在相同制冷条件下，当制冷开始500 s后，前者比后者车厢内空气温度低3℃左右;当制冷开始1000 s后，前者比后者车厢内空气温度低2℃左右。在相同制冷条件下，当制热开始500 s后，前者比后者车厢内空气温度高5℃左右;当制热开始1000 s后，前者车厢内空气温度高3℃左右。这些说明车厢采用聚氨酯内表面材料可以提高车厢的热响应。

7 结论

用数值模型来模拟列车车厢热响应是可行的，计算结果与实验结果较符合。用数值模拟来部分代替试验，可以降低列车设计费用，从而选出一种比较好的车厢隔热材料。另外，要指出的是，本文的简化数值模型还待进一步完善，以使数值模拟结果更接近真实结果。

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