横风条件下高速列车车下设备舱温度场分析

马思群，秦伟,张志鹏，于佳田，石洪基，袁冰

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028； 2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 检修服务事业部,山东 青岛 266111)*

0 引言

随着高速列车运行速度的不断提高，动力性能成为决定列车速度的关键，而大功率牵引传动系统是实现高速的原动力，其安装在车下设备舱中.为了避免外界环境对其造成不良影响，车下设备舱通常被设计成带有通风格栅的全封闭式.列车高速运行过程中，舱内发热设备工作，产生大量的热量，如果设备舱不能及时将热量有效的排出，将会造成设备舱温度过高，从而可能导致关键设备失效.因此，对动车组关键设备进行数据监测和车下设备舱温度场仿真是极为必要的.

近年来国内许多学者对高速列车车下设备舱进行了温度场仿真，章国平[1]对高速列车车下设备舱温度场进行了分析，获得了发热设备表面温度随不同环境温度的变化规律；黄少东[2]、张垒[3]、李丽[4]、潘登[5]等进行了高寒车设备舱温度场特性研究，得到了设备舱内发热设备的表面温度变化规律；胡文锦[6]等通过列车交会试验验证模型，研究了列车高速运行于明线无横风环境、明线横风环境下以及隧道通过等工况下的设备舱通风散热性能；王一丰[7]进行了高速列车车下设备舱温度场测试及仿真分析研究；张亮[8]等研究了格栅对高速列车设备舱散热性能的影响；白刚[9]进行了高速列车设备舱通风散热影响因素分析.本文将车下设备舱温度场数值模拟结果与实验数据进行对比，获得置信度较高的数值仿真模型，在横风环境中不同环境温度下用fluent进行车下设备舱温度场仿真.

1 仿真原理

自然环境下，无风的天气较为少见，高速列车行驶时或多或少都会受到横风环境的影响.如图1所示，当列车以速度V向左行驶时，周围空气以速度-V相对列车向右移动，横风W与速度V矢量合成为合成风U[10].

图1 合成风示意图

列车高速运行时时速可达350 km/h，在风速为15 m/s(七级风)的横风环境中，合成风速可达98.37 m/s ，对应马赫数小于0.3.在其周围流场为非定常不可压缩流流场，属于湍流流动.根据流场特点，高速列车周围空气流动的控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程.湍流模型方程采用k-ε两方程湍流模型.对流项的离散采用二阶迎风格式，粘性项的离散采用二阶中心差分格式.速度仿真结果图如2所示.

图2 合成风仿真结果

能量守恒方程包含热交换流动系统必须满足的基本定律，表述为微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功.由此，得到以温度T为变量的能量守恒方程[11]，矢量形式为：

(1)

式中,cP为比定压热容；U为内能；T为温度；λ为流体导热系数；ST为黏性耗散项，流体的内热源和由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分.

2 仿真模型、区域及网格划分

2.1 仿真模型

计算模型为某高速动车组，仿真采取五车编组，即: 头车+中间车 1+中间车 2+中间车3+尾车，总长126 m.高速列车外形较为复杂，考虑到计算机性能和工作量，建模时仅提取车体外形有效部分，略了列车表面车门、车窗、受电弓、转向架等结构，仅保留主要外形轮廓， 整车计算模型如图3所示.

图3 整车模型

设备舱内的设备数目众多并且几何形状复杂， 为简化计算模型，设备舱内牵引变压器、牵引变流器、辅助变流器简化为六面体结构，如图4所示.

图4 设备舱模型

2.2 仿真区域

综合考虑计算精度和计算量，计算模型的流场区域外形尺寸为长376 m、宽60 m，高35 m，如图5所示.其中车头距离前方入口处100 m，车尾距离后方出口处150 m.计算仿真为高速列车在横风环境中运行，由于设备舱格栅设置不对称，所以左右两个方向的横风都需要考虑.设置左侧和右侧横风来流时，分别考虑环境温度为-15、25、40℃时高速列车车下设备舱的温度场分布情况，边界条件参数如表1所示.

图5 流场计算区域及边界条件

方案列车速度km/h横风速度m/s环境温度℃135015-152350152533501540

2.3 网格划分

非结构化网格可以很好的适应不规则区域，所以计算模型的网格类型采用非结构化的四面体网格.

网格大小范围为100～800 mm，对于需要进行精密计算的发热设备的网格进行加密，设定为100 mm，车体网格与空气流场网格大小为800 mm，设备舱网格如图6所示.

图6 设备舱网格

3 模型校验和结果分析

3.1 模型校验

对某型号高速列车车下设备舱长期温度跟踪监测数据进行分析.试验时，温度传感器布置在车下设备表面，以中间车1为主要研究对象，提取环境温度为30℃时部分测点的温度数据作为参考值，通过反复仿真计算，推算出高速列车实际运行时的热源边界条件，得到中间车1主要发热设备变压器的发热功率为4 946 W/m3,辅助变流器的发热功率为1 607 W/m3，仿真结果如图7所示.

图7 环境温度30℃设备舱温度分布

表2列出了设备舱内不同设备表面实测温度值与仿真所得温度值.变压器实测温度值为70.28℃，仿真温度值为68.98℃，误差为1.85%；辅助变流器实测温度值为38.45℃，仿真温度值为37.93℃，误差为1.35%.得到高置信度仿真模型.

表2 仿真数据与试验数据

3.2 仿真结果分析

每种仿真方案都分为横风左侧来流和横风右侧来流，高速列车固定时速350 km/h .分别得到了三种方案环境温度下车下设备舱的温度场分布规律，中间车1主要发热设备为变压器和辅助变流器，提取距设备舱底部0.5 m横截面、所有设备表面进行温度场分析，由于不同环境温度下设备舱温度分布规律具有一致性，仅对环境温度为-15℃和40℃两种情况进行分析.

3.2.1 环境温度-15℃ 时设备舱温度分布

图8为环境温度-15℃时设备舱温度分布.横风右侧来流时，变压器一位端侧上部温度较高，为29.34℃，二位端侧下部散热效果较好，温度为22.69℃.辅助变流器温度分布较为均匀，为-3.94℃.横风左侧来流时，变压器一位端侧上部温度为25.56℃，二位端侧下部温度为21.29℃.辅助变流器温度为-6.47℃.变压器一位端上部温度左侧来流时比右侧来流时降低3.78℃，二位端下部温度左侧来流时比右侧来流时降低1.4℃；辅助变流器温度左侧来流时比右侧来流时降低2.53℃.

图8 -15℃设备舱温度分布云图

以上数据表明，横风左侧来流时设备舱通风散热情况优于横风右侧来流.这是由通风格栅的位置决定的，右侧格栅位于二位端，左侧格栅位于一位端.横风来流时，一位端通风格栅更利于空气进入设备舱，冷空气带出较多热量.

3.2.2 环境温度40℃时设备舱温度分布

图9为环境温度40℃时设备舱温度分布.横风右侧来流时，变压器一位端侧上部温84.97℃，二位端侧下部温度为78.14℃.辅助变流器温度分布较为均匀，为53.08℃；横风左侧来流时，变压器一位端侧上部温度为81.19℃，二位端侧下部温度为71.85℃.辅助变流器温度为48.62℃.变压器一位端上部温度左侧来流时比右侧来流时降低3.78℃，二位端下部温度左侧来流时比右侧来流时降低1.29℃；辅助变流器温度左侧来流时比右侧来流时降低4.46℃.

图9 40℃设备舱温度分布云图

环境温度40℃时辅助变流器横风左侧来流比右侧来流降低4.46，环境温度-15℃时辅助变流器横风左侧来流比右侧来流降低2.53℃.说明温度越高时，改善设备舱通风情况，散热效果改善幅度越大.

3.3 通风格栅改进及结果分析

通过对比分析横风不同方向来流时设备舱内温度的差异，可知设备舱内空气流动速度对发热设备散热有较大影响.如图10所示，着重在发热设备附近增加通风格栅数量，并使其对称分布.模拟列车以350 km/h运行在40℃环境中，设备舱温度场仿真结果如图11所示，变压器最高温度为62.17℃，比改进前降低22.8℃，散热性能得到明显改善.

图10 通风格栅布置

图11 改进后设备舱温度分布

4 结论

通过对时速为350 km/h的高速列车在不同运行环境中的数值仿真，对比分析结果得到以下结论：

(1)以试验数据为参考依据，修改数值模拟边界条件，获得的计算模型置信度高；

(2)横风左侧来流时设备舱通风散热情况优于横风右侧来流；

(3)在发热设备附近增加通风格栅数量和对称布置通风格栅更有利于车下设备舱通风散热；

(4)获得横风条件下车下设备舱温度分布规律，为车下设备的合理布局提供参考.