高速列车车下设备舱温度场分析＊

章国平，范乐天，王广明，杨志勇，李文娟

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

目前国内已开通的京津、武广、郑西和沪宁等多条客运专线，高速列车运营速度多数在300km／h以上，高速列车要持续高速运营上千公里，如何有效地利用空气动力学特性变得愈来愈重要［1］。车下设备作为严格工作温度需求的部位，对设备舱温度流场的要求也越来越高，针对某型高速列车的设备舱内温度场进行数值计算，研究多种环境温度时设备舱内发热设备表面的温度变化规律，为车下设备的合理布局提供依据。

1 仿真分析

1.1 分析原理

为减少空气阻力，保护和检修车下设备，确保高速动车组的安全运行，高速动车组的车下通常都已经设计和安装了车下设备舱。高速运行的列车设备舱的温度场与空气动力学的关系是分析的重点。

研究高速列车明线运行的空气动力特性，其实质是流体流动问题。而流体运动是最复杂的物理现象之一，与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟要困难得多。根据流场特点，描述列车周围空气流动的控制方程包括连续性方程、Reynolds时均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS）以及湍流模型方程［2-5］。

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

此方程组是非线性二阶偏微分方程组，对大多数工程问题，无法获得精确解析解，只能用CFD数值模拟的方法求解。计算湍流运动时，还需要附加湍流方程，在此应用RNGκ-ε双方程模型。

湍动能κ方程

湍动能耗散率ε方程

有效黏性系数

1.2 建立计算模型

计算模型过于复杂，需针对主要研究对象对部分结构进行简化，具体简化措施为：

简化转向架及车底设备舱内设备。

计算模型取5车编组，即头车+中间车（3辆）+尾车（同头车），如图1。

图1 列车计算模型

图2是头车设备舱计算模型，设备舱中包含有司机室冷凝器、牵引变流器及其冷却单元、制动控制单元、废排单元和牵引电机通风机。

图2 头车设备舱计算模型

计算区域长为3 000m，宽150m，高150m，。由于模型复杂，使用hypermesh对几何模型进行处理，将模型导入cradle软件中的sc-tetra进行几何修复，划分网格，在sc-solver中进行仿真计算。

对整个计算区域采用分块划分网格原则，对车体近壁层区域的网格细化，主要采用四面体网格；远离车体的网格采用稀疏的六面体网格，以减少计算量和加快收敛速度。对于一些局部关心的地方，对网格进行了再次加密，如通风格栅、缝隙、车头等部位。如图3所示。

图3 车头附近网格划分图

根据热量守恒定律，Q=C×m×Δt（式中Q为单位时间内的发热量，C为空气的比热，m为单位时间内设备的通风量，Δt为温升），可以计算出不同发热量下冷却空气的温升。计算参数如表1所示。列车运行速度350km／h，环境温度分别为40，20，10，0，-25，-40℃。

表1 计算参数

2 结果分析

2.1 列车明线运行车体表面压力分布

模拟计算得到350km／h列车在明线运行的车体表面压力分布，如图4所示。

图4 车体表面压力分布云图

列车运行时，由于车头的挤压，使周围流场呈正压状态。最大压力发生在车体鼻尖部位，模拟计算所得车头鼻端的最大压力为5 770Pa，压力系数是1.013，而压力系数的理论值是1，计算值和理论值之间的误差为1.3%。

2.2 设备舱温度场分布

仿真工况为列车运行速度350km／h，环境温度分别为-40，-25，0，10，20，30，35，40℃。分析数据庞大，本文仅就头车设备舱的两个极限环境温度进行数据分析。头车设备舱内主要耗热设备仅有牵引变流器，设计时为优化设备舱的通风散热能力，耗热设备处侧裙板和底板上设计有格栅便于通风。

2.2.1 头车设备舱内温度分布（40℃）

在环境温度40℃情况下，对设备舱内温度场进行数值分析，得出各设备表面的温度分布，设备舱内牵引变流器表面总散热量为20kW。

图5为头车设备舱内水平截面温度分布图（距设备舱底面500mm）。在该平面上，由于散热作用，牵引变流器的周围温度较高，为47℃左右。废排单元出口的温度为25℃，因此废排单元出口处温度较低，设备舱内其他部分温度基本保持在40℃左右。

图5 头车设备舱内水平截面温度分布图

图6是头车设备舱内牵引变流器表面温度分布云图。列车沿x正方向运行。变流器表面大部分温度为41.2～45.5℃，前侧面和右侧面温度相对较高，在前侧面接近地面部分最高温度为52.5℃。

图7是头车设备舱内牵引变流器周围距底面0.5m平面速度分布。从图中看出，变流器前侧面和右侧面的速度较小，在前侧面处，速度约为1.47m／s，右侧面处有局部区域速度为0.4m／s，所以导致变流器前侧面和右侧面靠近底板处有局部高温区域。

图6 头车设备舱内牵引变流器表面温度分布图

图7 牵引变流器周围速度分布

图8为牵引变流器冷却单元纵截面的局部放大图。从图中看出，设备舱内温度为40℃左右，在牵引变流器周围温度略高，为41.5℃左右，冷却单元出风口温度为51.0℃，所以在设备舱下方，沿来流方向温度逐渐减小。

图8 牵引变流器冷却单元纵向截面温度分布图

2.2.2 头车设备舱内温度分布（-40℃）

在环境温度-40℃情况下，对设备舱内温度场进行数值分析，得出各设备表面的温度分布。

图9为头车设备舱内水平截面温度分布云图（距设备舱底面0.4m）。牵引变流器的周围温度为-33.3℃左右，设备舱内其他部分温度基本保持在-38℃左右。

图9 头车设备舱内水平截面温度分布图

图10是头车设备舱内牵引变流器表面温度分布云图。从图中可以看出，变流器表面大部分温度为-37.3℃左右，侧面温度相对较高，变流器前侧面最高温度达到-26.0℃。

图10 头车设备舱内牵引变流器表面温度分布图

2.3 高温设备的表面温度对比

由以上分析可得，车下设备舱中表面温度比较高的设备头车的牵引变流器高温部分主要集中在这些设备的某个侧面上，并主要在与接近设备舱底板部位。针对不同的环境温度，将这些侧面的温度分布情况进行了对比，头车牵引变流器的前侧面有局部高温区域，图11为头车牵引变流器前侧面（迎着列车来流方向）的温度分布对比。

图11 头车牵引变流器的前侧面温度分布对比

可以看出，在不同的环境温度下，变流器的这个侧面温度分布规律一致，整个表面温度比较均匀，只是在左下角局部区域温度较高。表2是设备表面温度随环境温度变化情况。

表2 设备表面温度随环境温度变化数据

3 结论

3.1 结果分析

经过对350km／h高速列车外流场以及设备舱空气流场的数值分析，获得空气流场中压力、速度和温度的详细信息。研究设备舱内的速度和温度分布，得出如下结论：

（1）数值仿真得到的车头鼻端压力系数与理论值误差是1.2%，计算结果有可信度。

（2）头车设备舱内的耗热设备为散热量20kW的牵引变流器，部分耗热量通过设备表面散发，使设备周围温度升高，其余耗热量转化为冷却通风空气温度的升高，使得设备舱下方有高温区域。

（3）在40℃环境温度下的头车设备舱内，由于牵引变流器表面总散热量为20kW，所以牵引变流器周围温度较高。变流器表面大部分温度为41.2～45.5℃，前侧面和右侧面温度相对较高，在前侧面接近地面部分温度最高为52.5℃。废排单元出口的温度为25℃。除废排单元及牵引变流器外，其他设备表面温度在40℃左右。牵引变流器冷却单元出口温度为51.0℃，所以设备舱下温度沿空气流动方向递减。

（4）在不同的环境温度下，头车牵引变流器表面温度分布规律相同。由于发热设备底端周围空气速度相对小，所以设备底端温度较高，由下而上温度逐渐减小。

3.2 设备舱设计合理化建议

针对本文的分析结论，对高速列车车下设备舱设计提出以下几点建议：

（1）设备舱内的耗热设备与其他设备在布局时尽量增加相对距离，增大间隙，确保设备周围空气的流动。如果设备舱内有多个耗热设备，不能采用相邻的方式布局，应使用非耗热设备或低耗热设备隔开；

（2）必要时，设备舱内耗热设备增加专用冷却单元；

（3）设备舱内耗热设备的热源或出风口尽可能设置在靠近设备舱底板和两侧的裙板处；

（4）设备舱内耗热设备处的裙板和底板（必要时还包括与设备相邻单元的裙板和底板）需开设通风格栅，增加热源处的通风能力，必要时，整个设备舱裙板和底板可全部开设通风格栅，如图12所示。

图12 设备舱设备布置及通风格栅布置示意图

4 结束语

目前国内高速列车客运专线逐步开始进行长时间、长距离、跨纬度、跨温度带的运行，高速列车要从北方-30℃的站点持续运行到南方零上40℃的站点，温差最高超过80℃。通过有效地利用空气动力学特性，掌握对高速列车的车下设备舱内温度场的分析方法，得出设备舱设备温度变化规律，为高速列车车下设备的合理布局和设备舱结构的优化设计提供了依据。

［1］田红旗，梁习锋，许平.列车空气动力性能研究及外形、结构设计方法［J］.中国铁道科学，2002，23（5）：138-141.

［2］田红旗.列车空气动力学［M］.北京：中国铁道工业出版社，2007.

［3］武青海，周虹伟，朱勇更.高速列车湍流流场数值仿真计算探讨［J］.铁道学报.2002，24（3）：99-103.

［4］李人宪，刘应清.高速列车紊流外流场的数值模拟研究［J］.应用力学学报.2001，18（1）：6-13.

［5］王建平，计算流体力学（CFD）及其在工程中的应用［J］.机电设备，1994，（5）：39-42.