高速列车设备舱通风散热影响因素分析

白刚

（中车大连机车研究所有限公司，辽宁大连116021）

高速列车设备舱通风散热影响因素分析

白刚

（中车大连机车研究所有限公司，辽宁大连116021）

0 引言

随着社会经济、科技的发展，高速铁路应时而生，其具有运行速度高、安全性高、能耗低、运能大、舒适度高等特点[1]，逐渐成为人们出行首选，高速列车的运行安全问题也愈发受到人们重视。磁悬浮列车、“和谐号”动车组都曾因设备舱内设备过热引发故障，故研究高速列车设备舱通风散热问题具有重要的意义。

高速列车设备舱内安装有牵引变流器、变压器、辅助变流器、蓄电池等设备，为了防止外界雨水、灰尘等对设备的侵蚀，减小列车运行气动阻力[2]，高速列车设备舱采用的是模块化半封闭设计，设备舱两侧安装裙板，裙板上开数个通风口。列车运行时设备会产生大量热量，依靠从裙板通风口进入的冷却空气将热量带走，热量能否及时排出设备舱直接影响到列车的运行安全。目前学者对列车设备舱散热问题进行了一定的研究。韩运动等[3]探究了明线会车工况下设备舱的进、排风口压力及流量的演变规律；黄少东[4]、章国平等[5]研究了不同环境温度变化对高速列车设备舱发热设备表面温度的影响；胡文锦[6]使用CFD软件研究了明线运行有无横风、隧道运行工况下，设备舱通风散热性能的变化及裙板底板的气动载荷变化；王叶峰等[7]通过实验研究了对牵引变流器中的IGBT的散热问题；梁习锋等[8-9]实车测试和数值模拟方法研究了高速列车牵引电机冷却风机流量变化及车身表面压力分布问题。本文则采用CFD数值模拟方法，研究分析列车运行速度、通风口纵向位置不同对设备舱通风散热特性的影响。

1 计算方法

1.1 几何模型

采用某高速列车三维图纸，使用三维软件1：1建立高速列车模型。高速列车的真实外形结构极为复杂，车身上安装有车窗、车门、门把手、车灯等相对较小凸起物，每节列车顶部安装有空调机组、动力车厢顶部安装有受电弓、列车车下安装有转向架等结构，考虑到计算机的计算性能及工作量，进行几何建模时对车体结构进行适当简化。本章节研究的是车下设备舱的问题，因而不考虑车顶空调机组、受电弓、车灯等结构的影响，车身简化为光滑曲面，为保证网格质量，对转向架进行适当简化，忽略复杂的细小结构，保留主要几何特征，尽可能的保留高速列车的真实车身结构[10]。如图1所示，本文列车采用4节编组，即头车+MP02车+MP07车+尾车，图2为MP02车设备舱内设备布置图，MP07车设备舱内安装的设备、设备布置及设备舱通风口的位置均与MP02车相同。

1.2 计算域和网格划分

在进行稳态运行列车的流场计算建模时，计算域的确定应是不对高速列车设备舱周围流场产生影响，因而在保证获取完整列车流场空气流动特性信息及消除边界对计算结果影响的前提下，尽可能的减小了计算区域，减少网格数量，从而提高模拟计算的速度，减少计算时间。本章节在确定计算域时车头距离入口边界应大于车头的反射流场的影响区域，列车尾部空间大于25倍车宽，计算域的基本结构如图3所示。

网格划分采用非结构网格，对不同区域采用不同网格尺寸进行划分，重点关注车体及设备舱区域，同时对流体参数变化比较剧烈、尺寸较小的面进行了加密处理。网格总数为1900万，质量大于0.32，网格细节如图4所示。

1.3 计算设置及边界条件

标准k-ε湍流模型在工程应用上的准确性已经得到了大量的试验验证，精度可靠，且相对于大涡模拟等，计算量要小很多。因而本文采用标准k-ε湍流模型，利用SIMPLE算法求解方程，对流项的离散采用二阶迎风差分格式。

在高速列车设备舱散热的模拟计算边界条件的处理上，入口设置为速度入口，风速设置为250km/h、300km/h和350km/h，来流温度为35℃。出口设置为压力出口，一般默认为0Pa，操作压力为标准大气压。列车表面设置为非滑移壁面。设备舱内发热设备采用面热源边界条件，热流密度根据设备发热量和散热面积计算得到。

2 计算结果分析

仿真计算很好地模拟了高速列车运行时设备舱内空气的流动及设备散热状况，本节对不同运行工况下的速度场、通风量、设备温度等结果进行对比分析，选取的设备舱截面如图5所示。

2.1 运行速度影响

本节通过列车运行速度为250km/h、300km/h和350km/h三个工况计算结果分析运行速度对设备舱通风散热的影响。

对设备舱内速度场方面影响，不同运行速度下设备舱内的速度场分布具有大致相同的趋势，如图6和图7所示，列车从左向右运行，运行时空气从两侧裙板通风口进入设备舱，沿着裙板向设备舱后部流动，受到端板阻挡后，空气流向发生改变，设备舱中部区域空气从各个设备的间隙中由后部向前部流动。

随着列车运行速度提高，设备舱内空气平均流速增大，见表1，运行速度为300km/h和350km/h工况设备舱内空气平均流速比250km/h分别大35.83%和58.70%。热传递[11]有三种方式：热传导、热对流和热辐射，设备舱的设备散热主要依靠空气与设备间的对流换热作用，空气速度的增大会增强设备对流换热量，在假设设备散热量相同的情况下，列车运动速度越大则越有利于设备散热。

表1 设备舱空气平均流速

在设备舱通风量分布方面，设备舱两侧裙板分别安装10个通风口，通风口编号如图8所示。图9为设备舱N侧通风口风量分布，其中正值表示进风，负值表示出风。从数据图中可以看到高速列车分别以250km/h、300km/h和350km/h的速度运行时，各个通风口的通风量分布变化上具有相同的趋势，且进风、出风状态相同。设备舱N侧裙板上通风口两端进风，中部出风，S侧通风口进出风状态与N侧相反。

表2是运行速度为250km/h、300km/h和350km/h工况下设备舱的进、出风量数据。从表中数据可以得到列车运行是N侧进风量大于出风量，而S侧进风量小于出风量是3个工况具有的相同点。不同之处是随着列车运行速度的增大，进入设备舱的通风量也随之增加，与运行速度为250km/h工况相比，300km/h和350km/h工况设备舱的总进风量分别增大17.28%和38.42%。

在温度分布方面，列车运行速度不同导致设备舱内的通风量、速度、压力等参数发生变化，这些因素直接影响到了设备舱发热设备的散热。MP02车设备舱的主要发热设备是牵引变流器，其发热量一部分通过自身壳体散热，另一部分热量通过冷却单元排到外界环境。见表3，假设250km/h、300km/h和350km/h运行速度下，设备舱内设备的发热量相同，设备舱内设备表面平均温度及空气平均温度均随速度增大而降低。

2.2 纵向（车辆前进方向）位置影响

本节选取的运行速度为300km/h，通过MP07车和MP02车计算结果对比分析了通风口纵向位置不同对设备舱通风散热的影响。

在速度场分布方面，设备舱内速度场分布具有大致相同的趋势，空气在设备舱的流动状态见2.1小节。两节车在纵向位置上的具有差异，见表4，MP02车靠近头车，MP07车靠近尾车，设备舱空气平均流速沿车头到车尾方向减小，与MP02车相比，MP07车设备舱空气平均速度减小13.41%。

表2 设备舱进、出风量数据

表3 平均温度数据

表4 设备舱空气平均流速

在通风量分布方面，MP02车和MP07车通风口风量变化具有相同趋势，N侧通风口大体呈现两端进风，中间出风状态，S侧与之相反。列车运行时，靠近车头的设备舱进风量大于尾部列车设备舱进风量，通过表5中数据得到MP07车设备舱的总进风量比MP02车少约33.31%。考虑到设备舱设备的散热量由冷却空气带走，因而MP02车设备舱的散热状况应好于MP07车。

表5 设备舱进、出风量数据

在温度分布方面，MP02车和MP07车设备布置及通风口布置均相同，在纵向位置存在差异情况下，MP02车设备舱空气流动性及通风量均好于MP07车，见表6，MP02车设备舱内设备表面平均温度及空气平均温度均低于MP07车。

表6 平均温度数据

3 结语

通过对数值模拟结果的分析得到运行速度、通风口纵向位置差异均对高速列车设备舱通风散热有一定影响：

（1）运行速度不同对同一车型设备舱内空气流动趋势、裙板通风口进、出风状态基本没有影响，但随着列车运行速度提高，设备舱内空气流动性更好，通风量增大，通风散热性能更好。

（2）通过纵向位置不同的同一车型的两节车对比得到沿车头到车尾方向设备舱的通风散热性能呈现下降趋势。

[1]李世珷.世界高速铁路发展的动向[J].铁道技术监督，2007，35（1）：35-37.

[2]杨志刚，高喆，陈羽，等.裙板安装对高速列车气动性能影响的数值分析[J].计算机辅助工程，2010，（3）：16-21.

[3]韩运动，陈大伟，林鹏，等.动车组明线会车工况下的设备舱气流组织仿真研究[J].铁道机车车辆，2013，33：22-26.

[4]黄少东，范乐天，李福禄，等.CRH3型动车组设备舱温度分布和变化规律[J].大连交通大学学报，2013，（5）：54-57.

[5]章国平，范乐天，王广明，等.高速列车车下设备舱温度场分析[J].铁道机车车辆，2012，32：5-8.

[6]胡文锦.高速列车设备舱通风散热及气动响应研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[7]王业峰，白军，梁雪.牵引变流器中IGBT的水冷实验研究[J].甘肃科技，2011，27（23）：:51-53.

[8]梁习锋，武传田.高速列车牵引电机冷却风机流量实车试验研究[J].铁道学报，2004，26（2）：38-41.

[9]梁习锋，刘国伟.控制车体表面压力分布试验研究[J].铁道科学与工程学报，2003，21（1）：88-92.

[10]许乔奇.动车组外流场空气动力特性数值仿真[D].大连：大连交通大学，2009.

[11]王厚华.传热学[M].重庆：重庆大学出版社，2006.

Analysis of the Factors on the Ventilation and Heat Dissipation of High-speed Train Equipment Cabin

研究了高速列车设备舱的通风散热问题。采用CFD数值模拟方法，通过速度场、通风量和设备温度研究了列车运行速度不同和设备舱通风口纵向位置差异对设备舱通风散热的影响。通过250km/h、300km/h和350km/h三个工况的计算结果对比分析得到，列车运行速度的提高有利于提高设备舱内空气流动性，增大设备舱通风量，提高通风散热性能。通过设备舱内设备及通风口布置完全相同的两节车计算结果对比得到纵向位置差异的影响，沿车头到车尾方向设备舱的通风散热性能呈现下降趋势。

高速列车；设备舱；通风散热；影响因素

BAI Gang
（CRRC Dalian Insititute Co.,Ltd，Dalian 116021，China）

This paper studies the ventilation and heat dissipation of high-speed train equipment cabin.By adopting the method of CFD numerical simulation on the velocity field,temperature field,air volume and equipment temperature，the effect on ventilation and heat dissipation is studied by the different running speed of train and the vents positions along running direction of the train.Compared with the calculation results of the 250km/h、300km/h and 350km/h three conditions,the increase of train running speed can improve the air flow and ventilation of equipment cabin so as to improve the ventilation and heat dissipation performance.Compared with the calculation results of two carriages in different position along the running direction of the train with the same equipments and vents position,the ventilation and heat dissipation performance shows a decline from the head to the tail of the high-speed train.

high-speed train；equipment cabin；ventilation and heat dissipation；factor

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.021

U270.383

B

2095-3429（2016）04-0086-05

2016-05-31

修回日期：2016-07-15

白刚（1978-），男，天津人，学士，工程师，主要从事轨道车辆空调与通风设计工作。