基于ANSYS的高速客车车顶稳态传热温度场分析

臧国群，何忠韬，丁立利

（兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

高速列车车厢内的热流密度和温度分布状况与车厢体围护结构的热特性有着密切的关系，因此车室内空气的速度场、温度场分布情况直接受车厢体热工特性的影响。车厢体的传热是通过车顶、车底、侧墙、端墙4个部分进行的。因此结合高速客车的具体设计特点，对车顶进行传热分析，是进行客车车体隔热壁热工性能研究的根本环节，在分析出车顶传热特性的基础上，设计采用有效防护措施来提高客车的保温隔热性能，降低通过高速客车车厢体的能量耗散损失，并为准确计算车室内冷热负荷提供依据。

1 ANSYS热分析的基本理论

1.1 ANSYS热分析的基本原理

ANSYS进行热分析的基本原理是：首先将对象划分为有限个单元（包括若干个节点），然后运用能量守恒原理求解在一定初始条件和边界条件下的每一个节点处的热平衡方程，根据求解平衡方程得出的各节点温度，进一步求解出其他相关量。

对于一个没有质量的流入或流出的封闭系统，根据能量守恒定律有：

其中：Q为热量；W 为做功；ΔU为系统内能；ΔKE为系统动能；ΔPE为系统势能。对于大多数工程的传热问题ΔKE＋ΔPE＝0，当不考虑做功，即W＝0时，Q＝ΔU。在稳态热分析情况下Q＝ΔU＝0，即流入和流出系统的热量相等。

1.2 稳态传热原理

凡是物体中各点温度不随时间改变的传热过程均称为稳态传热，即当系统的净热流率为0时，系统就处于热稳态。稳态热分析的能量平衡方程为：

其中：［K］为传导矩阵，包含对流系数、导热系数及辐射率和形状参数；｛T｝为节点温度向量；｛Q｝为节点热流向量，包含热生成。ANSYS综合运用所建模型的参数、添加材料的热性能参数以及各类边界条件，生成参数［K］、｛T｝和｛Q｝。

2 CRH5车顶传热分析

2.1 车顶结构

CRH5车顶由端顶、车顶型材、盖板、车顶焊接件组成。其中，车顶型材由纵向放置的4种共7块挤压型材对称排列、组焊而成。车顶断面图如图1所示。

图1 车顶断面图

2.2 进行分析的假设条件

本文采用高级有限元软件ANSYS进行模拟，为简化问题，列出以下几点假设条件：①车顶内部各种材料相互密接，且接触部分的温度相同；②铝合金车体、隔热材料及内板为各向同性，并具有单一的导热系数；③对于车顶内侧和外两侧对流的放热系数，在运算过程中取某一特定状态下的值，不考虑列车行驶过程中对放热系数的影响；④不考虑隔热壁内、外两侧的小金属零件对传热系数的影响；⑤不考虑辐射换热边界条件对分析产生的影响；⑥不考虑车顶与侧墙连接部分对传热系数的影响。

2.3 边界条件

依据假设条件，车顶传热分析可归纳为基本的热量传递方式：热传导和对流换热。

2.3.1 热传导

车顶内部的热量流动主要是通过材料的导热性能完成的，热传导过程遵循傅立叶导热定律：

其中：q为热流密度，W／m2；λ为导热系数，W／（m·K）；t为温度，K；x为在导热面上的坐标，m；负号表示传热方向与温度梯度方向相反。

2.3.2 对流换热

列车隔热壁内表面与车内空气、外表面与外界空气均存在着对流换热现象，车顶内侧和外侧之间的对流换热系数在计算过程中取一特定状态下的值，不考虑运行对换热系数的影响。

3 建立有限元模型

3.1 CRH5车顶建模分析

本文的研究重点是车顶的传热效果，因此在建模计算的过程中仅考虑起到车内外热传导作用的结构，影响较小的车顶的其他结构予以忽略。简化后的车顶示意图如图2所示。

图2 简化后的车顶示意图

3.2 CRH5车顶热分析物理性能参数的确定

温度场模拟需要定义的材料热物理性能参数主要有导热系数、定压比热容和密度等，本文在利用ANSYS定义材料属性时只需要定义车顶各组成材料的导热系数。

车顶铝合金在夏季温度35℃时的导热系数为152 W／（m·K）。保温材料由厚度为70 mm的高性能保温纤维棉和厚度为20 mm的用于排除冷凝水的通风膜组成，其综合导热系数为0.004 59 W／（m·K）。内板为厚度10 mm的铝蜂窝复合板，导热系数为0.130 W／（m·K）。

3.3 网格划分

ANSYS主要有自由划分和映射划分两种网格划分方法。本文设计模型采用自由网格划分的方法，划分后得到四边形和三角形两种单元，共79 095个单元，311 198个节点，如图3所示。

图3 划分网格后的车顶有限元模型

3.4 施加载荷约束并求解

在该模型的热分析过程中需要加载的热载荷和边界条件主要包括温度和对流条件。取夏季室外温度为35℃，室内温度为25℃来施加并求解。

对流是一种面载荷，施加在实体表面。根据高速铝合金车体隔热壁设计原理及相关文献查得外表面对流换热系数为16.268 W／（m2·K），车内空气与内板对流换热系数为9.296 W／（m2·K）。

4 数值模拟结果与分析

4.1 模拟结果

根据前面建立的有限元模型和确定的边界条件，利用ANSYS14.0对车顶进行稳态热分析，得到了车顶的温度场分布，如图4所示。

图4 车顶温度场分布等值线图

由图4可以看出，从车顶铝合金（温度最高）到内板温度逐渐降低，而在靠近铝合金一侧区域温度基本保持不变，这是由于铝合金的导热系数较大，导热性能好，中间隔热材料的导热系数较小，隔热效果好，温度发生了变化。进一步分析可以得到热流密度分布图和热流密度矢量图，如图5、图6所示。

图5 热流密度分布图

图6 热流密度矢量图

图5、图6显示车体铝合金部分由于其导热系数较大，且存在外界空气与其表面的对流换热，致使热流密度变化明显。

4.2 提高质量

利用ANSYS可以插入一个基于热通量的误差结果，帮助确定高误差的区域，如图7所示。通过这些区域显示，模型通过在吸震材料上以及隔热材料内板之间部分进行加密网格，可以提高结果的质量。

图7 误差结果分布示意图

5 结论

本文将ANSYS软件运用于车顶稳态传热温度场分析，通过对车顶施加导热、对流边界条件能够模拟出符合实际情况的车顶温度变化规律，得出热量在传递过程中由于车顶隔热材料的导热系数较小，在车内外温差与传热面积相同的情况下，通过的热量越小，隔热效果越好。故对高速客车车顶稳态传热温度场的深入研究，是进行客车车体隔热壁热工性能研究的根本环节，能为提高高速客车隔热保温性能提供参考数据和设计依据。

［1］ 张宝霞，何忠韬.铁道车辆制冷与空气调节［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］ 张曙光.中国高速铁路技术丛书和谐号CRH动车组技术系列之CRH5型动车组［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［3］ 罗继华，庞会文.基于ANSYS的客车车体传热系数的研究［J］.铁道车辆，2010（9）：10－13.

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