高速列车车体传热系数数值计算分析

宋 纯 程 刚 臧建彬

（同济大学机械与能源工程学院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

高速列车车体传热系数数值计算分析

宋 纯 程 刚 臧建彬

（同济大学机械与能源工程学院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

车体隔热性能是高速列车车体重要性能之一。利用CFD（计算流体动力学）数值模拟方法，分别采用二维截面法和三维部件法对某高速列车车体围护结构传热进行模拟，得到二维典型截面和三维典型部件的传热系数，经加权平均获得整车的车体传热系数。两种计算方法得到的车体传热系数相对误差仅为2.5%，在目前无法实现整车车体k值模拟计算的情况下，二维截面法和三维部件法都可以满足工程计算要求。与二维截面法相比，三维部件法建模速度快，更贴近实际车型，能更好地反映车体围护结构的薄弱环节。

高速列车；车体传热系数；二维截面法；三维部件法

Author＇s address College of Mechanical Engineering， Tongji University，201804，Shanghai，Chinna

高速列车车体传热系数是衡量车体隔热性能的重要参数，是影响乘客舒适度的重要因素，同时也是空调、供暖等车载设备选型和车体优化设计的重要指标。车体传热系数与行车速度、车体几何结构、车体材料导热系数，以及车体内外温差和车体内、外表面积等因素有关。根据传热学原理，降低车体传热系数能有效降低车体传送热量、减小车辆空调负荷［1］。车体传热系数如通过试验方法确定，则时间长、代价大；如采用数值模拟方法确定，则时间短、成本低的。文献［2］采用理论计算方法对单轨列车车体隔热壁传热系数进行了计算；文献［3］理论计算了铝合金车体的传热系数，并通过试验验证其计算结果的正确性；文献［4］采用分区域法计算某新型高速动车组的车体传热系数，由于实际产生热流比分区热量大，计算结果比实际偏小；文献［5］使用二维建模法和三维建模法计算了多孔材料的导热系数，并探讨了两种方法结果间的联系。

本文采用CFD数值模拟，以TB/T 1674—1993《铁道客车隔热性能试验方法》为依据，分别用二维截面法和三维部件法建立模型，考虑导热、对流、辐射三种传热方式，计算车体传热系数，并比较这两种计算方法对传热系数的影响。

1　计算原理

1.1车体传热系数计算方法

热量从车体一侧的空气中传递到另一侧的空气中，其传热过程可以分为三个阶段：①表面传热——热量从一侧的空气中传至车体的该侧表面；②车体内部传热——热量从车体一侧表面传递给车体另一侧表面；③表面传热——热量从车体另一侧表面传递到该侧空气。

这些传热过程包括了以热传导为主体的车体内部的导热、以对流及辐射为主的车体以及车内外环境之间的传热。车辆的隔热性能可由车体的传热系数K来表征。

K是指当车体内、外两侧空气温度相差1 K时，车体隔热壁每m2所传递的热流。K是衡量车辆热工性能的重要指标［6］，由式（1）确定。

Q=K·A·ΔT（1）

式中：

K——传热系数；

Q——车内加热功率；

A——试验空间车体的总传热面积；

ΔT——车体内、外两侧平均空气温度差。

1.2CFD数值计算原理

计算流体动力学（Computational Fluent Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。使用CFD方法模拟流体传热问题，需要求解流动的连续性方程、动量方程及能量方程［7］。

连续性方程为

式中：

ρ——流体密度；

U——流体速度矢量；

t——时间。

动量方程为

式中：

u——流体速度x方向分量；

v——流体速度y方向分量；

w——流体速度z方向分量；

px——流体微元体上的压力在x方向的分量；

py——流体微元体上的压力在y方向的分量；

pz——流体微元体上的压力在z方向的分量；

fx——单位质量流体x方向受到的质量力；

fy——单位质量流体y方向受到的质量力；

fz——单位质量流体z方向受到的质量力。

能量方程为

式中：

cp——比热容；

k——流体的传热系数；

ST——粘性耗散项；

T——温度。

本次仿真计算利用稳定传热原理，即车体中的温度分布和传热量始终是常数，不随时间变化。计算收敛后，得到传热量Q、温差ΔT等数据，利用式（1）计算得到各典型截面或部件的K值。

2　计算方法

2.1二维截面法建模

轨道列车车体传热系数的CFD模拟计算是一个三维的问题。由于实际上常用计算机内存容量的限制，可将其简化为二维的方法进行处理。首先，在车长方向选取具有代表性的典型截面，如无门无窗截面、门截面等。之后，根据列车的二维图纸，使用数学分析方法对各典型截面进行加权平均得到截面的权重系数。然后，再通过CFD建模计算得到所有典型截面的传热系数。建模时应充分考虑风道、内饰等处的热桥。最后，根据各典型截面的权重系数、传热系数得到整车的车体传热系数。

2.2三维部件法建模

由于对整车三维计算需要极大的工作量，并且对计算机的配置要求较高，故可通过选取典型部件建立三维模型进行模拟计算。三维部件法中，首先，选取车体的典型部件，如车窗、侧墙、底板等；然后，根据列车三维图纸，将各个部件占整车表面积的百分比进行加权平均得到权重系数，再通过CFD模拟计算得到所有典型部件的传热系数；最后，根据权重系数和传热系数，得到整车的车体传热系数。

3　计算流程

车体传热系数计算流程如图1所示，其计算过程适用于二维截面法和三维部件法。

文献［6］要求车内各测点平均空气温度与车外各测点平均空气温度差为（25±1）K，故在计算中应对内外侧平均温差ΔT进行判断。此外，在使用CFD软件求解前，应先假设K值，依照式（1）得到加热器功率及热流密度，并以此为边界条件迭代求解得到K的计算值。理论上，当24℃≤ΔT≤26℃时，计算得到的车体传热系数K2与假设的车体传热系数K1（K1在假设温差为25℃条件下得到）的相对误差应小于5%。即

图1　车体传热系数计算流程图

如K2不满足式（5），则说明物性参数、边界条件等的设置错误，或建模出现问题，应予修改。

4　计算案例

模拟计算对象是某高速列车MC车（带司机的动车），为A型车，车顶无受电弓，考虑司机室和端墙对车体换热系数的影响。

4.1计算建模

（1）二维截面法建模。将MC车划分为7个典型截面，车体各截面位置示意图见图2。车体典型截面网格图见图3～图8。端墙因位置特殊，故采用三维部件法计算（见图9）。MC车各典型截面的权重系数及网格数见表1。其中，有窗截面、有门截面、无门无窗截面所占权重系数最大。

（2）三维部件法建模。选取窗、车门、端墙、侧墙、顶板、底板6个典型部件。车体典型部件网格图见图9～图14。MC车各典型部件的权重系数及网格数见表2。其中，侧墙、顶板和底板所占权重系数最大。

图2　车体截面位置示意图

图3　典型截面A网格图

图4　典型截面B网格图

图5　典型截面C网格图

图6　典型截面D网格图

图7　典型截面E网格图

图8　典型截面F网格图

图9　端墙网格图

图10　车门网格图

图11　车窗网格图

图12　底板网格图

图13　顶板网格图

图14　侧墙网格图

表1　二维截面法模拟计算各截面参数

表2　三维部件法模拟计算各部件参数

4.2计算模型的设定

（1）湍流方程确定：二维截面法和三维部件法均采用层流模型。考虑到车内空气流动为重力起作用的有限空间自然对流，故采用Boussinesq假设进行计算，辐射换热选用DO模型，y方向的重力加速度为-9.8 m/s2。

（2）材料属性：车体围护结构的材料属性见表3。

（3）边界条件的确定：①车体外部计算域边界采用定壁温285 K的第一类边界条件。②电加热器的表面采用恒热流密度的第二类边界条件。计算热流密度q时，先用式（1）计算总传热量Q，再用下式（6）确定车体总传热面积A，则q=Q/A。

式中：

Al——单位长度方向上车体内表面面积；

表3　车体材料物性参数表

Ae——单位长度方向上车体外表面面积。

假设K为2.0 W/（m2·K），则根据标准要求车内外环境温差应为（25±1）℃。本模型选取温差为25℃，计算得到总传热量为280 W。已知发热器的截面尺寸为70 mm×70 mm，可得发热器表面的热流密度为1 000 W/m2。③车体围护结构包括车体框架、风道、保温层、底板等，均应按照各部分所属材料的物性参数进行定义。

4.3模拟结果与对比

利用CFD软件模拟计算得出的各典型截面的温度云图和典型部件的温度云图见图15～图26，传热系数见表4和表5。结合表1、表2进行加权平均计算，则采用二维截面法可得K为2.34 W/（m2· K），采用三维部件法可得K为2.40 W/（m2·K）。二者的相对误差为2.5%。

图15　截面A温度云图

图16　截面B温度云图

图17　截面C温度云图

图18　截面D温度云图

图19　截面E温度云图

图20　截面F温度云图

图21　侧墙温度云图

图22　车门温度云图

图23　车窗温度云图

图24　底板温度云图

图25　顶板温度云图

图26　端墙温度云图

表4　二维截面法模拟计算结果

表5　三维部件法模拟计算结果

从二维截面法的计算（见表1、表4）中可见，由于D截面有窗，且E截面有门，对整车的车体传热系数有很大影响，故可通过改善D、E两个截面的传热系数来有效降低整车的车体传热系数。又由于车体每个截面包含的车体结构较为复杂，如D截面包含顶板、侧墙、玻璃窗及底板等车体结构，故无法准确的判断提高哪一车体结构的隔热性能，若要全部提高则会大幅度增加成本。根据三维部件法计算结果（见表2、表5），MC车底板、玻璃窗、车门的K值对整车的车体K值起决定作用，且三个部件的K值均大于整车平均K值。因而设计人员可重点优化这三个部件，改善其传热性能，从而以较低的成本达到降低整车车体K值的目的。

5　结论

文献［8］采用二维截面法进行车体传热系数计算，并与列车试验值进行对比，得到了二维截面法能够准确、可靠模拟计算车体传热系数的结论。本文对二维截面法和三维部件法进行对比，计算得到的车体传热系数相对误差仅为2.5%。因此，在目前无法完美实现整车车体K值模拟计算的情况下，三维部件法可满足工程计要求。与二维截面法相比，三维部件法具有以下优势：

（1）二维截面法模型的处理相对简化较多，三维部件法模型更贴近列车原型，可以在列车三维设计模型的基础上快速建模，节省时间。

（2）使用三维部件法计算车体传热系数，可以准确得到每个部件的K值，反映车体围护结构的薄弱环节，从而为车辆围护结构设计和优化提供参考。

［1］ 张宝霞.铁道车辆制冷与空气调节［M］.北京：中国铁道出版社，2005：33.

［2］ 杜子学，尉迟志鹏，刘建勋.单轨列车车体隔热壁传热系数计算［J］.城市轨道交通研究，2011，14（4）：26.

［3］ 刘长远，武彤.铝合金车体隔热壁设计原理［J］.城市轨道交通研究，2008，11（5）：39.

［4］ 苏慈，武双虎，欧阳立芝，等.高速动车组车体传热系数模拟计算研究［J］.装备制造技术，2013（5）：33.

［5］ BAKKER K.Using the finite element method to compute the influence of complex porosity and inclusion structures on the thermal and electrical conductivity［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40（15）：3503.

［6］ 中华人民共和国铁道部.铁道客车隔热性能试验方法：TB/T 1674-1993［S］.北京：中国铁道出版社.

［7］ 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［8］ 徐峻，蔡明伟，刘叶弟，等.高速列车车体传热系数模拟计算［J］.铁道车辆，2012，49（12）：29.

Analysis of Numerical Calculation for Heat Transfer Coefficient of High-speed Train Carbody

Song Chun，Cheng Gang，Zang Jianbin

The carbody insulation property（K value in computational fluid dynamics）is one of the most important properties of high-speed train.In this paper，2D section method and 3D component method are used separately to simulate the heat transfer of a high speed train carbody via CFD numerical calculation method，the typical sections and components heat transfer coefficients are obtained and used to calculate the weighted average heat transfer coefficient of the whole train carbody.The relative error of carbody heat transfer coefficients by both methods is only 2.5%，in the condition that the carbody K value of the whole train could not be simulated，both methods can meet the engineering calculation requirements.But compared with 2D section method，3D component method can model faster and closer to the actual train，also reflect better the weak parts in carbody structures.

high-speed train；heat transfer coefficient of carbody；2D section method；3D component method

U 270.38+4；U 238

10.16037/j.1007-869x.2016.03.016

（2014-12-23）