列车提速对空调机组性能的影响

姚俊豪， 马 龙， 徐君瑜， 余 敏

（1.上海法维莱交通车辆设备有限公司 技术部，上海 201906；2.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

我国高速铁路虽起步晚，但起点高发展快，许多 相关技术需要进一步检验.随着我国空调列车向高速化发展，乘客对车厢内空气品质也提出了更高的要求.由于受到车体结构的限制，空调机组采用顶置单元式结构.列车车速提高，气流经过列车表面的流速增大，使得机组表面压力发生变化.由于客室内空气循环相对封闭，因此对列车内部影响不大，但是空调机组的冷凝器为风冷式，需通过风机吸入外界空气进行散热，车速提高势必会对列车空调机组产生一定影响［1］.本文分别模拟了列车在不同车速下的气流组织，得到列车表面压力场，从而定量地分析提速对列车空调机组性能参数的影响.

1 高速列车外表面流场的数值模拟

1.1 数学模型

由于高速列车运行速度相对较低（马赫数Ma＜0.3），其外部流体可视作不可压缩定常流体，且符合Bossinesq假设，即流体的密度变化仅对浮升力产生影响，故列车表面空气流动性质为黏性、不可压缩、定常.目前在列车表面气流组织的模拟中，主要采用k－ε两方程三维湍流模型［2］，并取得了较好的结果，本文亦选用该模型对该问题进行模拟求解.其微分控制方程为

连续性方程

式中，ui为u方向的速度分量；xi为x轴坐标分量.

运动方程

式中，uj为v方向上的速度分量；xj为y轴坐标分量；p为压力；ρ为空气密度；μ为空气动力黏度；t为时间.

式中，Cμ为湍流常数，一般取0.09；k为湍流动能；ε为湍流耗散率.

k方程

式中，σk为经验常数.

ε方程

式中，μl为层流黏性系数；C1、C2、σε为经验常数.

1.2 列车模型

目前，我国最高时速的列车均采用CRH3型高速列车，以目前计算机的硬件条件对空调客车外流场进行模拟计算，尚不能完全模拟列车的真实情况，诸如由于门的把手、车灯、窗户等凸出物外形非常复杂，若不对其进行简化，势必会使计算网格数急剧增加，给计算带来困难.因此，需对列车外表面进行简化.

由于距车头一定距离后，车身流场结构基本稳定，缩短的列车模型和完整模型相比，其流场基本特征变化不大.故本文采用三节车模型进行模拟，即整个模型由一节头车、一节中间车和一节尾车组成，头车和尾车具有相同的外形，如图1所示.此类模型简化方式也是目前国内外处理相同问题最常用的手段.

图1 高速列车物理模型Fig.1 Physical model of high－speed train

1.3 计算域及网格

从理论上讲，高速列车车身的绕流对空气来流的影响是无穷的，但由于计算条件受到计算机容量等限制，只能取有限远代替无穷远.列车的流场相对车身中央平面左右对称，本文只计算半车身的流场，

从而减少计算量.经研究设定计算域大小为150m×12m×10m，计算流域见图2.

图2 列车模型计算域Fig.2 Calculated domain of the model

据大量前期研究，对具有复杂几何外形的实车模型，混合网格方案兼顾了计算精度和计算速度，是最高效的网格方案.故采用混合网格方案，使用三棱柱、四面体单元.为能捕捉到车体壁面附面层的流动，对列车近壁层采用棱柱单元进行细化，对尾流区域网格进行了加密.图3为列车车身处网格.

图3 列车车身网格Fig.3 Grid of the train body

1.4 边界条件

入口边界条件为气流速度，用于定义在流动进口处的流动速度及相关其它标量型条件；出口边界条件为压力，其数值上与大气压相同；列车对称面两侧气流流场相同.

2 数值计算结果及列车表面压力分析

图4为高速列车车速为350km／h时，列车外表面压力分布图.经计算发现，其中车头迎风面处表面压力均为正压，且最高可达5 907Pa，车头与车身过渡处压力为负压，此处负压值最大，可达－2 903Pa.车身处压力较为均匀，冷凝风机处压力为－1 168Pa.

图4 列车外部气流压力分布图Fig.4 Pressure distribution of the external airflow

经过模拟高速列车不同运行工况，得出列车表面压力p随列车车顶位置H的变化情况.由图5可见，随着列车速度不断提高，列车上表面压力呈有规律变化，车头为正压且随着车速增大压力值呈上升趋势，车头与车身过渡处负压达到最大值，车身均为负压，且车速越高负压越大.

CHR3型列车组客室空调系统冷凝风机安装在车顶［3］，列车提速后，冷凝风机处压力p随车速v变化情况如图6所示.

随着车速的提高，列车车体表面受空气动力学影响越发明显，其外表面负压值逐渐增大.由于空调机组的新风口设置在车顶侧面，所以受车外负压的影响，其进风量也有所减少，对空调室内环境将产生不利影响.

图5 变工况下列车车顶不同位置处压力值Fig.5 Pressure of roof at different locations under variable conditions

图6 车速与冷凝风机处负压的关系曲线Fig.6 Curve of the negative pressure at condensing fan and speed

3 列车空调性能参数随车速的变化

高速列车运行速度的提高，使整个列车内外空气动力性能发生了改变，气流组织相应发生变化，从而对其空调系统的各项主要参数也产生了影响.

3.1 对风压与冷凝风量的影响

由于车速提高，引起冷凝风机处形成负压，故冷凝风机的风压p0就会变化，从而导致冷凝风量Qv发生改变.工作中的风机，即使转速相同，在不同阻力的系统中所输送的风量也可能不相同.由资料可知，CHR3型高速列车中冷凝风机性能曲线见下页图7.

根据空调设备风机性能曲线，随着风压的增大，风量逐渐减小.在列车运行时，空调机组冷凝风机吸入空气，由于产生负压，导致风压增大.车速对冷凝风机进口风量的影响情况见下页图8.

由此可知，随着高速列车车速的增加，冷凝器的运行环境逐渐恶化，风压逐渐增大，从而导致风机风量随之减少.

3.2 对冷凝温度的影响

图7 风机性能曲线Fig.7 Fan performance curve

图8 列车车速与冷凝风量的关系曲线Fig.8 Curve of condensing air volume and speed

冷凝风量减少，高速列车冷凝器的换热量必随之改变.据资料显示，高速列车空调单台机组制冷量为22kW，热负荷Q为31kW，静止状态风机风量Qv为7 500m3／h.

a.对数平均温差

式中，t1，t2为空气进出口温度；tk为冷凝温度.

b.冷凝负荷

式中，k为传热系数；A为传热面积；为空气的质量流量；cp为空气的比定压热容.经研究，随着冷凝风量的减少，冷凝器总传热系数降低，同时冷凝温度及空气出口温度均会受到影响，具体影响情况见图9.

图9 列车提速对冷凝温度的影响Fig.9 Impact of speed on the condensing temperature

由此可知，随着车速增大，冷凝温度增加，导致冷凝器的一部分热量不能排出，最终必将影响空调机组的制冷效率.

3.3 对制冷系数的影响

根据文献可知，高速列车空调的蒸发温度为2℃，冷凝压力的提高必然会导致压缩机压缩功增大，制冷量下降（见图10）.

图10 制冷循环压焓图Fig.10 Pressure－enthalpy diagram

图中，1－2－3－4－1为静止状态下列车制冷工况，1－2′－3′－4′－1为列车提速后制冷工况.取过热度、过冷度均为5℃，且假定压缩机为绝热理想压缩，忽略不可逆损失，制冷系数为

式中，q0为单位制冷量；w0为单位耗功量；h1，h2′，h4′分别为1，2′，4′点处的焓值.

经计算，在不同冷凝温度下制冷循环的制冷系数，结果见图11.

图11 列车提速对空调制冷系数的影响Fig.11 Impact of speed on COP

由图可知，随着车速的增加，制冷系数逐渐降低，若考虑不可逆因素的影响，制冷系数变化将更大.所以，在列车不断提速阶段，列车设计中必须考虑列车提速对空调性能的影响，以降低能耗同时保证旅客舒适度.

4 结束语

针对高速列车提速对空调系统的影响，建立了高速列车外部空气流场的数学、物理模型，确定了该流场的定解条件.通过模拟高速列车外部空气流场，得到列车表面压力分布云图及列车表面各点压力值.研究得出了高速列车提速对列车空调系统冷凝风量、冷凝温度、制冷系数等参数的影响情况.该结果对高速列车空调系统的优化，如采用有效方式控制提速对列车空调的影响，更好地发挥空调装置的性能，降低能耗和运行成本为旅客提供舒适的旅行环境，提供了重要依据.

［1］张吉光，杨晚生，靳谊勇.列车提速对空气调节系统的影响［C］∥全国暖通空调制冷2002年学术年会论文集，珠海，2002，6：734－737

［2］田红旗.列车空气动力学［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［3］梁习峰，曾剑明.高速列车表面压力分布的数值计算［J］.铁道车辆，1997，5（3）：12－14.