列车地板热桥结构分析及优化

马远钊

(上海市政工程设计研究总院集团第七设计院有限公司,山东青岛 266000)

列车地板热桥结构分析及优化

马远钊

(上海市政工程设计研究总院集团第七设计院有限公司,山东青岛 266000)

利用计算机仿真技术分析车体地板的热工性能,进行K值计算,并根据模拟结果分析地板结构、判断热桥对车体热工性能的影响,进而更好的指导车体的优化设计,为解决热桥问题,降低空调负荷提供技术指导。

地板 隔热 热桥 仿真

近年来，随着列车车体性能的不断提高，车体结构和材料也随之有了一系列的改变，这些变化对列车车体隔热性能会产生一定的影响。隔热性能是影响车体传热的主要因素，研究不同车体结构对隔热性能的影响，特别是热桥结构对隔热性能的影响，对于分析列车运行能耗、确定其空调负荷、避免恶劣工况(内壁结露、局部温度过高)的出现、以及维持车内舒适的热环境均有着重要的意义[1]。热桥是由于某种材料的导热系数远远大于它周围材料的导热系数而产生的。热桥的存在会导致车体传热系数的增加，影响情况与热桥影响面积及热桥区域的K值有关[2]。本文综合采用理论分析、数值模拟等方法，通过对列车地板典型热桥结构隔热性能的计算、分析和优化，减少热桥结构对隔热性能的影响，降低整车的K值，为新一代高速列车的隔热性能设计提供理论上的指导。

1 列车车体传热负荷计算

按照TB1957-9《1空调客车热工计算方法》，车体的隔热保温研究主要针对减少车体传热负荷来进行。

传热负荷：

式中：Φ——通过车体隔热壁损失的热量(传热负荷)，W；

K——车体传热系数，W/(m2·K)；

A——车体表面积， m2；

Δt ——车体内外侧空气温差， ℃。

车体表面积和内外温差为定值，由(1)式可以看出车体传热负荷的计算关键是K值的确定，而对车体进行隔热保温的目的就是减小K值。

准确地确定各部分的K值对于车体传热负荷的计算及其隔热保温的设计具有重要影响。

图1 列车地板剖面图

图2 高地板槽钢和螺栓模型

2 热桥传热理论分析

2.1 列车地板热桥结构特点

列车地板一般由车体型材、防寒材、地板、内饰件等组成。图1为列车地板剖面图。

2.2 热桥影响面积的确定方法

以冬季工况对热桥进行仿真计算，热桥中心的温度最低，热流密度最大，由热桥中心向周围温度逐渐趋向正常温度，热流密度亦逐渐趋向正常热流密度。当到达某点时温度与正常温度相差3%以内，热流密度与正常热流密度相差3%以内，即把该点作为分界点，根据对称性，以从热桥中心到这点的距离作为半径的圆的面积即热桥的影响面积[3]。

2.3 热桥数学模型的建立

本研究中用有限单元法对地板热桥结构进行划分，并通过加载第三类边界条件，利用计算仿真软件对车体热桥的热工性能进行计算仿真。

对于无内热源稳态温度场的各向同性物体导热微分方程三维问题[4]，方程的形式为：

第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度Tf和换热系数α为已知。用公式表示为：

α与Tf可以是常数，也可以是某种随时间和位置而变化的函数。如果α与Tf不是常数，则在数值计算中经常分段取其平均值作为常数。根据以上计算公式，利用计算机对网格进行自动划分，来进行热流密度场的计算。

3 地板热桥传热模型和优化模型的仿真计算

根据热桥结构以及做仿真模拟计算的温度，在热桥的仿真模拟当中采用以下边界条件：

(1)车室内计算温度：20 ℃；(2)车室外计算温度：-25 ℃；(按动车组实际运行过程中，最不利状况选取)；(3)外表面对流换热系数：142.9W（/m·K）；(4)内表面对流换热系数：8W（/m·K）。

4 地板槽钢和螺栓传热模型和优化模型的仿真计算

图3 高地板槽钢和螺栓优化模型

图4 低地板槽钢和螺栓模型

图5 低地板槽钢和螺栓优化模型

4.1 建立模型

由图2和4可知槽钢和螺栓直接联通车体内外，形成了一个传递热量的通道。而槽钢是焊接在车体型材铝合金上没法进行隔断，所以在上方一个螺栓处加局部隔热材1mm厚PVC垫板，此处加PVC垫板后可能会导致地板松动，再加一个不锈钢螺帽使地板固定。优化模型如图3和5所示。对模型进行仿真计算，热流密度场的分布情况(如图6至9)。

图7 高地板槽钢和螺栓优化模型热流密度分布

图8 低地板槽钢和螺栓模型热流密度分布

图9 低地板槽钢和螺栓优化模型热流密度分布

4.2 热流密度分布

由图6至9仿真结果可得下表1所示结果。

表1 热桥模型模拟结果

5 地板热桥结构优化的计算结果及对整车K值的影响

为便于结果分析，将热桥模拟结果汇总如表2：

表2 模拟结果汇总

表2中K·A值为传热系数K与影响面积A的乘积。

由于车体内外温差为定值，车体传热负荷由整个车体的K·A值确定，有效减小车体局部热桥区域的K·A值，即减小了整个车体的K·A值，可以减少车体的传热负荷。

由表2可知地板2个热桥模型优化后车体局部的K·A值分别减少了11.1和4.44W/K，共减少15.55W/K。

以现有250公里动车组为例，未考虑以上热桥结构优化的影响时，车体K值为1.1W/(m2·K)，车体总面积为259.38m2。

考虑以上热桥结构优化的影响后，车体K·A值共减少了15.55W/K，此时车体的K值为1.04W/(m2·K)，比优化前减小5%，有利于降低空调负荷。

由于以上热桥结构的优化，只是对个别螺栓位置加1mm厚PVC垫板，对列车的地板局部构造强度、生产工艺和生产成本没有影响，所以该优化措施是可行的。

[1]吴俊云,王刚,刘训海,等．空调客车厢体结构传热数值分析[J].上海理工大学学报,2005,27(4):287-290.

[2]赵淑敏.济南地区建筑热桥能耗分析与研究[J].西安:西安建筑科技大学,2004．