高速检测车明线运行辅助变流器进排风口表面压力数值分析

王东屏，赵强，兆文忠

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连116028)

0 引言

随着列车速度不断提高，列车与空气的相互作用变得十分强烈，如何有效地利用空气动力学特性降低空气阻力等问题的研究变得愈来愈重要［1-4］.

明线列车空气动力学研究的是高速列车在开阔地面上运行和通过桥梁时所诱发的空气动力学问题，其中，列车绕流特性的研究是设计列车外形，确定客车空调，辅助变流器通风设备送，排风口位置的基础［5］.列车明线高速运行时车体表面会产生负压，负压不利于通风设备的进风，尽量避免在负压区内设置通风设备进风口是及其必要的.

辅助变流器位于列车车厢内，起着给列车辅助设备变流的重要作用，其通风的进风口开在列车的上部，排风口置于车厢底板即设备舱顶面上.辅助变流器通风是否合理顺畅是其散热好坏的关键，而散热直接影响着辅助变流器的工作性能，因此对辅助变流器通风的设计就显得十分重要.目前，国内对高速列车明线运行辅助变流器通风数值模拟还不是很多，然而辅助变流器进风口和排风口的压力数值是通风设计的主要参数，通过模拟出的进排风口压力数据和压差，可以判断进排风口的位置设计是否合理，对实际辅助变流器通风设计有很强的指导意义.本文对350 km/h高速检测车明线运行空气动力特性进行数值分析研究，模拟了辅助变流器不工作情况下和工作情况下(通风方向由上至下)进风口和排风口的压力分布情况，为辅助变流器通风设计提供必需的压力数据，从而为通风设计改进提供依据.

1 计算模型

在计算流体动力学研究领域，可以抓住主要矛盾对列车某些结构尤其是车体底部进行简化建模.

本次计算模型具体简化措施为:

(1)简化转向架及车底设备舱内设备;

(2)检测车计算模型取三车编组，即:头车+中车+尾车.

数值模拟边界条件如表1所示:

表1 边界条件设置

网格的划分采用非结构化网格，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，远离车体的网格采用稀疏网格，以减少计算量和加快收敛速度.列车表面划分三角形网格，插入边界层.空间采用四面体和五面体六面体混合网格，空间体单元约为1 000万.

目前对具有复杂几何特征的实车模型进行明线运行气动特性分析时一般采用稳态计算.本文应用大型计算软件SC/Tetra(日本CRADLE软件公司开发的计算流体力学软件)，基于三维、定常、不可压缩的粘性流场，对高速检测车在350 km/h明线运行工况下的外流场进行了数值模拟.数值计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE(Semi－Implicit Method for Pressure－Linked Equations)压力连接方程的半隐式求解离散方程组.其中在离散方程中，对流项及湍流模型RNG k-ε方程采用二阶迎风格式［5-6］.基于本次模拟明线流场三维模型的复杂性较高，在网格数量很大的情况下，需要进行并行计算.本次并行计算采用16个CPU，分为辅助变流器不工作和工作两种工况进行模拟，每个工况计算耗时约16 h.

2 计算结果分析

2.1 列车明线运行车体表面压力分布情况

检测车以350 km/h速度明线运行，计算区域长为190 m，宽30 m，高25 m.通过模拟计算得到车体表面压力系数如图1所示.

列车运行时，由于车头的挤压，使周围流场呈正压状态.当气流绕过迎风面到达整流罩上方，随着空气绕流列车速度的增加，压力逐渐降低，并在接近列车最大的横截面处出现第一个负压峰值，列车中部表面压力变化较平缓，承受负压状态，压力系数在0附近变化，而对于车尾，在导流罩与车顶的过渡处，侧墙向车顶过渡处，负压值达到最大.从上图可知，最大压力发生在车体鼻尖部位，模拟计算所得的最大压力系数是0.99，而理论值应该是1.计算值和理论值之间的误差为1%，在允许误差之内.可见计算所得到的趋势是正确的，计算结果有可信度［7-10］.

图1 车体表面压力系数分布云图

2.2 列车明线运行辅助变流器不工作时进风口和排风口的压力分布情况

为了模拟辅助变流器进风口，排风口的压力分布，必须考虑空调机组和冷凝风机的影响.本检测车共有三个辅助变流器，既有3个辅变进风口，3个辅变排风口;3个空调机组，既有3个新风口，3个冷凝风机进风口，3个冷凝风机排风口.按照列车运行的方向分别编号为1，2，3号，具体如图2、3 所示.

图2 车体上部设备开口位

图3 辅助变流器进风口排风口位置

为了验证通风的设计方向是否便于辅助变流器通风，需要分析辅变进风口和排风口的压力分布.本检测车中车有3个辅助变流器，按照列车运行的方向(X轴正方向)分别编号为1，2，3号辅助变流器.在辅助变流器不工作的情况下，对检测车明线运行外流场进行了数值分析.图4为1号辅助变流器进风口和排风口的压力分布.图5是2号辅助变流器进风口和排风口的压力分布.图6为3号辅助变流器进风口和排风口的压力分布云图.

从图4～图6中可以看出，3个辅助变流器进风口的压力分布趋势是相同的.最大进风口压力出现在进风口左侧，最小进风口压力出现在进风口右侧，进风口平均压力相差不大.由于辅助变流器排风口位于车厢底板上，车下设备舱内设备放置比较复杂，3个辅助变流器排风口压力分布趋势是不相同的，且排风口平均压力成递减趋势.

图4 1号辅助变流器进风口和排风口的压力分布(不工作)

图5 2号辅助变流器进风口和排风口的压力分布(不工作)

图6 3号辅助变流器进风口和排风口的压力分布(不工作)

在辅助变流器不工作的情况下，辅助变流器1，2，3进风口排风口的最大压力，最小压力，平均压力和辅助变流器进排风口压差见表2及表3.

表2 辅变不工作时进风口排风口最大压力，最小压力，平均压力 Pa

表3 辅变不工作时进风口排风口平均压力和进排风口相同时刻的压差 Pa

由表2及表3可知，辅助变流器不工作的情况下进风口的平均压力随列车运行方向变化不大，且都为正值;排风口1的平均压力为正，排风口2，3的平均压力为负值，且排风口1的压力明显大于2和3.进排风口的压差都为正.

2.3 列车明线运行辅助变流器工作时进风口和排风口的压力分布情况

在辅助变流器正常工作既按现有的通风情况下(从上至下)，对检测车明线运行的空气流场进行了数值分析.图7为1号辅助变流器进风口和排风口的压力分布.图8是2号辅助变流器进风口和排风口的压力分布.图9为3号辅助变流器进风口和排风口的压力分布云图.

图7 1号辅助变流器工作时进风口和排风口的压力分布

图8 2号辅助变流器工作时进风口和排风口的压力分布

图9 3号辅助变流器工作时进风口和排风口的压力分布

从图7～图9中可以看出，3个辅助变流器进风口的压力分布趋势是相同的.最大进风口压力出现在进风口左侧，最小进风口压力出现在进风口右侧.3个辅助变流器排风口压力分布趋势是不太相同的，但是最大压力都出现在排风口右侧.

在辅助变流器正常工作的情况下，辅助变流器1，2，3进风口排风口的最大压力，最小压力，平均压力和辅助变流器进排风口压差见表4及表5.

表4 辅变正常工作时进风口排风口最大压力，最小压力，平均压力 Pa

表5 辅变正常工作进风口排风口平均压力和进排风口相同时刻的压差 Pa

与辅助变流器不工作时相比，进排风口的压力变化规律相同，但进风口平均压力减小，1号排风口压力增加，所以进排风的压差为负压.2号进风口平均压力降低，排风口负压值增大，所以进排风口的压差减少.3号进风口平均压力降低，进排风口压差减少.计算结果表明，1号辅助变流器排风口的压力偏高，进排风口的压差为负值，不利于辅助变流器由上至下通风，所以此位置不适合设置排风口.

4 结论

本文对350 km/h检测车明线运行时外流场进行了数值分析，详细获得辅助变流器在不工作情况下和正常工作情况下进风口和排风口的压力分布情况，得到有意义的结论如下:

(1)通过数值模拟仿真得到的压力系数数值与理论值误差是1%，在允许范围之内，计算模型可靠，计算结果可信;

(2)辅助变流器不工作时，列车明线运行辅变进风口和排风口的压差为:1号辅变进排风口压差1.84 Pa;2号辅变进排风口压差128.95 Pa;3号辅变进排风口压差184.45 Pa.由3个辅助变流器的不工作时进排风口的压差可得:1，2，3号辅助变流器通风方向按由上至下设计较为合理;

(3)辅助变流器正常工作(通风方向从上至下)时，列车明线运行辅变进风口和排风口的压差为:1号辅变进排风口压差－81.43 Pa;2号辅变进排风口压差78.87 Pa;3号辅变进排风口压差89.55 Pa.由3个辅助变流器的进排风口的压差可得:1号辅助变流器现有通风方向设计不合理，建议通风方向为由下至上或者改变辅助变流器排风口位置;2，3号辅助变流器按现有通风方向保持不变.

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