格栅对高速列车设备舱散热性能的影响

张亮　孔繁冰　张继业　张卫华

摘要：为研究在裙板不同位置增加格栅对高速列车设备舱散热的影响，建立3种不同设备舱的高速列车空气动力学模型，分别包括原始设备舱、裙板中间增加格栅的设备舱和裙板两端增加格栅的设备舱.基于三维不可压缩N-S方程和k-ε两方程湍流模型，利用FLUENT对250 km/h高速列车设备舱的温度场和流场进行模拟.对列车上行和下行时设备舱的流场与温度场进行分析，比较在不同位置增加格栅时设备舱内温度的变化.结果表明：在裙板不同位置增加格栅对设备舱内的温度场影响较大，在裙板中间增加格栅对头车和中间车设备舱的散热不利，建议在裙板两端增加格栅以更有利于设备舱散热.

关键词：高速列车； 设备舱； 裙板； 温度场； 空气动力学； 传热

中图分类号： U441.5； U444.18； TB115

文献标志码：B

Abstract：To study the effect on heat dissipation of high-speed train equipment compartment by adding grille in different locations of skirt plate， three aerodynamics models of high-speed train with different equipment compartments are built， which separately include the original equipment compartment， the equipment compartment with grille added in the middle of skirt plate， the equipment compartment with grille added at two ends of skirt plate. Based on the 3D uncompressible N-S equation and the turbulent model of k-ε two equations， the temperature field and flow field of high-speed train equipment compartment at the speed of 250 km/h are simulated by FLUENT. The flow field and temperature field of equipment compartment are analyzed when train is in up direction and down direction， and the change of temperature in equipment compartment with grille added in different locations is compared. The result shows that， it has great effect on temperature field of equipment compartment by adding grille in different locations of skirt plate； it is bad for heat dissipation of equipment compartment of head car and middle car by adding grille in the middle of skirt plate； it is suggested that the grille should be added at two ends of skirt plate to get better heat dissipation performance for equipment compartment.

Key words：high-speed train； equipment compartment； skirt plate； temperature field； aerodynamics； heat transfer

0引言

随着列车运行速度的提高，空气与车体之间的相互作用越来越剧烈，许多空气动力学问题随之而来，如空气阻力、会车压力波、隧道压力波和侧风安全等.[1-6]我国高速铁路网南北跨度大，列车运行区域温差较大，如哈尔滨—上海的高铁，夏季最高温度和冬季最低温度相差可达80 ℃以上.列车底部动力设备性能直接影响列车运行性能和安全，而设备舱通风散热性能的好坏直接影响车底设备正常工作和设备寿命，因此对设备舱的散热性能研究非常必要.

高速列车设备舱内的设备包括牵引电机、功率单元、制动控制单元、车载电源箱和污水箱等.在列车高速运行过程中，设备会产生大量热能，导致设备舱内温度明显升高.王东屏等[7]对高速列车明线运行辅助变流器进排风口表面压力进行数值分析，但未对整个设备舱内温度和流场分布进行分析；孔璞等[8]进行高速列车设备舱通风测试研究，对不同速度等级的牵引变流器出风口通风量随速度的变化关系进行分析，比较列车在明线和隧道运行时牵引变流器的通风量，同样没有对设备舱内温度场和流场进行分析；WANG等[9]和章国平等[10]对350 km/h动车组明线运行时设备舱温度场进行数值模拟，但考虑的设备都是简单的块体，与实际模型相差较远，未能真实反映车内空气的流动情况；胡文锦等[11]研究格栅通风口位置和格栅类型对设备舱通风散热性能的影响，但考虑的列车编组长度为3节车编组，没有考虑中间车设备舱的散热，也没有考虑增加格栅通风口对设备舱内流场和温度场的影响，以及发热设备散热器进出风对流场的影响.

本文在考虑发热设备舱进出风的情况下，对在不同位置增加格栅的8节车编组高速列车明线运行时的设备舱内外流场和温度场进行数值模拟，分析设备舱裙板中部和两端增加格栅对设备舱内流场与温度场的影响.

1计算模型

1.1数学模型

列车在高速运行时，其周围流场为三维黏性非定常的湍流流场.当列车运行速度为250 km/h，对应的马赫数小于0.3，列车周围的流场可处理为不可压缩流场，湍流模型采用标准k-ε模型，其控制方程的运输方程[6]形式为

1.2数值模型

由于主要对列车底部设备舱散热进行研究，因此考虑计算机性能和计算时间的要求，将列车模型和设备舱内设备部件简化.忽略受电弓、车体间连接处等的影响，列车模型包括头车、6节中间车和尾车，头车和第1节中间车有设备舱、舱内部件和格栅等，每节车车底都安装有转向架.简化后的列车模型见图1，头车、中间车设备舱的发热部件分别为头车功率单元和中间车变流器，见图2.

设备舱模型共有3种：模型1为原始设备舱模型；模型2为在原始模型基础上设备舱裙板中间增加格栅；模型3为在原始模型基础上设备舱裙板两端增加格栅.每种模型都考虑列车上行和下行2种工况，原始格栅和模型2新加格栅的位置见图3，原始格栅和模型3新加格栅的位置见图4.设备舱底部通风口模型见图5.

1.3计算区域、网格划分和边界条件设置

流体计算区域见图6.

计算中给定的入口边界为速度入口，大小为列车运行速度250 km/h，出口边界为压力出口，顶面和侧面采用对称面边界条件，地面给定滑移地面，滑移速度与列车运行速度相同，车体表面为无滑移壁面.

主要考虑的发热设备为头车设备舱内功率单元和第一节中间车设备舱内变流器，其中，功率单元散热器及其风扇排风温度为50 ℃，牵引变流器散热器及其风扇排风温度为70 ℃，环境温度为40 ℃.功率单元和牵引变压器的进出风口见图7.

因设备舱内部件、格栅和转向架等结构较复杂，故采用非结构化网格进行网格划分，并对格栅、设备部件和支架等细部结构进行网格加密.车体表面网格最大尺寸为100 mm，格栅最大网格尺寸为6 mm，设备最大网格尺寸为20 mm.3种模型划分后的网格单元总数分别为5 100万，5 600 万和5 800万个.列车头部网格见图8，头车设备舱和中间车设备舱网格见图9.

2计算结果分析

2.1设备舱流场分析

列车上行和下行时头车设备舱流场见图10和11.由此可知：相同模型的列车上行和下行时，头车设备舱内空气的流动情况基本一致；模型1进入头车设备舱的空气大部分流经功率单元后流向一位端，由一位端格栅出口流出，剩余空气受功率单元的阻挡向二位端流动，在制动控制单元处形成较大旋涡，最后由中间格栅和底部通风口流出；模型2的制动控制单元处的旋涡消失，空气主要由靠近功率单元进风口一侧的格栅进入，由设备舱另一侧裙板的格栅流出，剩余空气经一位端格栅和底部通风口流出；模型3的空气主要由设备舱中部格栅和二位端格栅进入，由底部通风口和一位端格栅流出.

由此可知：相同模型的列车上行和下行运行时，中间车设备舱内空气的流动情况基本一致；模型1设备舱空气由格栅通风口流入，大部分空气进入变流器并通过散热器排出设备舱，另一部分空气流入设备舱内，再由格栅通风口流出；模型2的空气主要由靠近变流器入口一侧格栅进入设备舱，向设备舱两端流动，在设备舱内形成较多旋涡，最终由设备舱中部两侧格栅流出；模型3的空气由靠近变流器入口一侧格栅流入，向设备舱两端流动，大部分空气由设备舱两端格栅流出.

2.2设备舱温度场分析

为显示设备舱内温度的分布，沿列车高度方向取4个截面，高度y分别为0.3，0.6，0.8和1.1 m，其中设备舱底板高度为0.28 m.上行时3种列车模型的头车设备舱截面的温度云图见图14.由此可知：头车设备舱内最高温度可达到功率单元发热温度50 ℃；模型1设备舱内高温区域最多，大部分区域温度在48 ℃以上；模型2的功率单元和二位端设备附近温度较模型1有明显升高；模型3的高温区域较模型1明显减少，高温区域主要集中在功率单元散热器进口一侧和一位端，而二位端设备附近温度无明显升高.综上所述，在列车上行时，模型3即在原始模型基础上设备舱裙板两端增加格栅的头车设备舱散热性能更好.

3种列车模型下行时头车设备舱内不同截面的温度云图见图15.

由图15可知：模型1设备舱内高温区域最多，主要分布在功率单元附近和一位端；模型2设备舱一位端高温区域较模型1有所减少，但功率单元和二位端设备附近温度较模型1有所升高；模型3设备舱一、二位端温度较原始模型都有明显降低，功率单元附近温度较原始模型也有所降低.综上所述，在列车下行时，模型3即在原始模型基础上设备舱裙板两端增加格栅的头车设备舱散热性能更好.

3种列车模型上、下行时中间车设备舱不同截面温度云图分别见图16和17.

由图16可知：模型1中间车设备舱内高温区域较少且主要集中在变流器进口和设备舱底部通风口附近，一位端设备附近温度较低，都在45 ℃以下；模型2中间车设备舱高温区域最多，二位端温度较模型1有所升高，高温区域主要分布在变流器进口附近，其他设备附近温度在58 ℃左右，设备舱顶部截面最高温度较模型1升高约3 ℃；模型3中间车设备舱高温区域最少，二位端温度无明显升高，设备附近大部分温度在55 ℃以下，设备舱顶部截面最高温度较模型1下降约6 ℃.综上所述，列车上行时，模型3即在原始模型基础上设备舱裙板两端增加格栅的中间车设备舱散热性能更好.

由图17可知：模型1中间车设备附近温度较高，为62 ℃左右，温度最高的区域位于变流器进口和设备舱底部通风口附近；模型2中间车设备舱一位端设备附近较模型1明显升高，温度为67 ℃以上，二位端温度较原始模型也有所升高，设备舱顶部截面温度较原始模型升高约3 ℃；模型3中间车设备舱一位端设备附近温度无明显升高，温度最高的区域位于变流器进口和设备舱底部通风口附近，设备舱顶部截面的最高温度较原始模型下降约14 ℃.综上所述，列车下行时，模型3即在原始模型基础上设备舱裙板两端增加格栅的中间车设备舱散热性能更好.

为比较不同位置增加格栅的设备舱温度较原始模型的变化，取头车和中间车设备舱顶部截面最高温度对比，见表1.

头车设备舱顶部截面最高温度都达到设备发热温度；与模型1相比，模型3中间车设备舱顶部截面最高温度明显降低，模型2

中间车设备舱顶部截面最高温度有所升高，说明模型3的散热性能最好，模型2的散热性能最差.

由以上分析可知，在设备舱裙板上增加格栅通风口对设备舱内的空气流动和温度分布影响较大，设备舱裙板两端增加格栅通风口对头车和中间车设备舱的散热都更有利.

3结论

通过对不同位置增加格栅的8节车编组的高速列车设备舱内外流场和温度场进行数值计算，得到以下结论.

1）在列车上行时，原始模型和裙板中间增加格栅的头车设备舱内大部分区域温度达到设备发热温度，裙板两端增加格栅的头车设备舱内温度降低明显，大部分区域在45 ℃以下.

2）在列车下行时，裙板两端增加格栅的头车设备舱一位端温度较原始模型和裙板中间增加格栅的有明显降低，二位端温度也有一定降低.

3）在列车上行时，裙板中间增加格栅的中间车设备舱高温区域较原始模型有所增多，设备舱顶部截面最高温度升高约3 ℃，裙板两端增加格栅的中间车设备舱高温区域较原始模型有明显减少，设备舱顶部截面最高温度降低约6 ℃.

4）在列车下行时，裙板中间增加格栅的中间车设备舱高温区域较原始模型明显增多，设备舱顶部截面最高温度升高约3 ℃，裙板两端增加格栅模型的中间车设备舱高温区域较原始模型明显减少，设备舱顶部截面最高温度降低约14 ℃.

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（编辑武晓英）