动车组明线运行速度提高对空调工作的影响

王东屏 王凯 苏慈 郭昊

摘要：为研究列车运行速度提高对空调工作的影响，采用三维定常不可压缩k ε湍流模型，对不同运行速度下4辆编组的某新型动车组明线运行的空气动力学特性进行仿真，分析在不同运行速度下客室和司机室的

空调冷凝器进、出口表面压力变化规律，预测冷凝风机通风量随列车运行速度提高的变化规律。计算结果表明：随着运行速度的提高，动车组车体表面和冷凝器进出口表面压力逐渐降低，冷凝器进、出口压差基本呈降低趋势，头车司机室和客室的前通风机通风量逐渐降低，尾车司机室和客室的后通风机压差为负且绝对值逐渐增大，说明通风机通风量逐渐提高。

关键词：

明线运行; 高速运行; 速度等级; 动车组; 冷凝器

中图分类号：TP391.99; U270.383

文献标志码：B

Influence of speed increase on air conditioning at

open line operation ofEMU

WANG Dongping1， WANG Kai1， SU Ci2， GUO Hao1

（1.College of Mechanical Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China;

2.P&T Research Center， CRRC Tangshan Co.， Ltd.， Tangshan 063035， Hebei， China）

Abstract：

To study the influence of train speed increase on air conditioning working， the aerodynamic characteristics of the open line operation of a new EMU with four cars at different speeds are simulated using three dimensional steady incompressible k ε turbulence model.

The surface pressure change regularity of air conditioning condenser inlet and outlet in passenger compartment and cab under different operating speeds is analyzed， and then the change regularity of condensing fan ventilation along with the increase of train speed is predicted. The calculation results show that： on the increase of EMU operation speed， the pressure on the train body surface and the inlet and outlet surfaces of the condenser decreases gradually; the pressure difference between the inlet and the outlet of the condenser decreases basically also; the ventilation of condensing fan in front of the leading car cab and passenger compartment are reduced gradually; the pressure difference between the rear ventilator of the tail cab and the passenger compartment is negative， and its absolute value increases gradually. It shows that the ventilation of condensing fanis improved gradually.

Key words：

open line operation; high speed operation; speed grade; EMU; condenser

0 引 言

空調系统的正常运行对动车组的安全运行和乘客的舒适性有很重要的影响，冷凝器是动车组空调系统的重要组成部分。随着列车运行速度的提高，列车表面的负压增加[1]，对冷凝风机的性能影响很大[2]。因此，研究冷凝器通风效果随速度的变化规律有十分重要的意义。

数值计算是空调机组流场分析和性能研究的重要辅助手段。刘军朴等[3]对客车内的流场和温度场进行模拟，并与试验数据进行对比。于凤娇等[4]利用仿真软件分析空调风道的送风量，进而提高送风均匀性。钱珊珊等[5]对地铁A型车厢空调系统内部流场进行温度和速度模拟。刘彦麟[6]对汽车前冷凝器分区进行计算，认为冷凝器表面风速分布规律与车体的运行速度密切相关。张登春等[7]对铁路空调硬卧车内空气进行三维流场计算，结果与试验结果较吻合。肖云华等[8]分析8辆编组动车组在明线运行时车顶空调的表面压力分布规律。武双虎等[9]证明空调导流块有利于车体空调冷凝风机进出风。刘楠等[10]

分析明线动车组外流场，比较3种冷凝器进出口设计方案，证明两侧进风、中间出风的方案较好。王东屏等[11]研究

横风工况下高速列车的空调表面压力变化。但是，对在不同速度等级下高速动车组冷凝风机通风量的研究较少，因此本文计算某新型动车组明线运行的外流场，进而分析在不同运行速度下冷凝风机通风量的变化规律。

1 计算模型

1.1 算法原理

采用FLUENT软件进行工程仿真计算，研究动车组明线运行的空气动力学特性。动车组明线运行的空气流动是三维定常不可压缩流动，因此计算采用的控制方程包括连续性方程、N S方程和RNG k ε湍流模型。采用有限体积法中的SIMPLE算法

求解离散方程，对流项采用二阶迎风格式离散方程，黏性项采用二阶中心差分格式。

1.2 车体建模

列车计算模型取4车编组，分别命名为头车、中车1、中车2和尾车，两车之间以风挡连接。某新型动车组车体模型见图1。每节车厢和头尾车司机室均设有冷凝器进出风口。

1.3 计算区域设置

为充分考虑气体绕流对计算区域的影响，计算区域的外边界曲面到模型的距离应大于模型高度的7～10倍。本次计算选择的计算区域长、宽和高分别为345.61、65.00和30.05 m;沿车体运行方向，计算区域入口距车头前80.00 m，出口距车尾后160.00 m，宽度方向距车体中面32.50 m，高度方向距车顶26.00 m，下方轨面高度距车顶4.05 m。

1.4 网格划分

对几何模型进行处理，车体近壁层区域进行

网格细化，远离车体的区域采用较稀疏的网格，以减少计算量和加快收敛速度。列车表面划分为三角形网格，车体周围采用四面体网格以适应复杂的曲面结构，远离车体表面的空间采用网格拉伸的方法减少网格的数量。

计算模型的最终网格数量约为1 388万个，体网格的最大扭曲度小于0.95，网格质量良好。

2 计算结果分析

在250、300、350和400 km/h的列车运行速度下，

分析4辆编组动车组明线运行的空气动力学性能，不同位置进、出风口的风量和风速设置见表1。

动车组客室空调冷凝器进、出风口位置示意见图2a：两侧各3个方形口为进风口，中间2个圆形口为出风口，出风口外侧有2个扰流罩。动车组司机室空调冷凝器的进、出风口位置见图2b：一侧为2个方形进风口，另一侧为1个圆形出风口，出风口外侧有2个扰流罩。

2.1 列车明线运行压力因数计算结果与试验结果对比

为验证计算方法对动车组明线运行计算的可行性，将动车组的明线运行压力因数计算结果与风洞试验数据进行对比。列车风洞试验所选动车组编组为头车+中车+尾车的3车编组，风速为60 m/s，将其头车车体表面部分监测点压力因数与数值计算结果进行对比，见图3。

风洞试验的监测点压力因数与计算结果基本吻合，验证数值计算方法的可行性。

2.2 300 km/h运行速度下列车空气动力学流场

冷凝器进、出风口压差是评价冷凝器风量的重要指标，头车司机室冷凝器进、出风口压力分布见图4。2个进风口均为方形，出风口为圆形。前进风口表面压力从-883.91 Pa升高到-17.13 Pa，后进风口表面压力从-489.92 Pa升高到219.27 Pa。冷凝器出风口压力先升高后降低，压力变化范围为-411.12～61.67 Pa。

中车2客室冷凝器进、出风口压力分布见图5。两侧方形口为冷凝器进风口，压力范围为-691.01～73.64 Pa;中间的圆形出风口压力逐渐降低，变化范围为-621.50～143.15 Pa。

4辆车体的空调冷凝器进、出风口表面平均压力见表2。由此可以看出，动车组空调冷凝器进、出风口表面平均压力均为负压，除尾车司机室外的冷凝器进风口的表面平均压力比出风口低8.94～43.88 Pa外，进、出风口压差基本为正值，尾车司机室冷凝器进、出风口压差为-46.42 Pa。

2.3 动车组车体表面压力对比

车体表面平均压力与运行速度的关系见图6。由此可以看出，列车运行时

除头、尾车的鼻端和冷凝器安装位置处车体表面压力明显变化外，其余车体表面压力基本一致。在相同运行速度下，头车和尾车车体表面平均压力远低于2辆中车，中车1和中车2车体表面平均压力较为接近。车体表面压力随列车运行速度提高而降低，头车和尾车表面压力降低较大：速度每提高50 km/h，头车和尾车表面平均压力约降低61.55～98.75 Pa;运行速度从350 km/h提高到400 km/h，头车表面压力降低最大，约为98.75 Pa;速度每提高50 km/h，2辆中车表面平均压力降低较平缓，约为16.51～23.27 Pa。

2.4 司机室空调冷凝器进、出风口压力对比

在不同运行速度下，尾车司机室空调冷凝器进风口压力分布见图7。运行速度从250 km/h提高到400 km/h，进风口表面压力依次降低：速度为250 km/h时平均压力为-351.73Pa，速度为300 km/h时平均压力为-473.10Pa，速度為350 km/h时平均压力为-615.65Pa，速度为400 km/h时平均压力为-794.98 Pa。

在不同运行速度下，头车和尾车司机室空调冷凝器进、出风口平均压力分布见表3。运行速度从250 km/h提高到350 km/h时，头车司机室冷凝器的进、出风口压差逐渐减小，运行速度每提高50 km/h，压差约

减小10.83～36.20 Pa，变化范围为-1.9～45.13

Pa;当运行速度为400 km/h时，头车司机室冷凝器进、出风口压差为37.83 Pa，由于马赫数超过0.3，对动车组头车附近的空气压缩性产生一定影响。运行速度从250 km/h提高到400 km/h时，尾车司机室冷凝器的进、出风口压差逐渐减小，运行速度每提高50 km/h，压差减小39.39～82.28 Pa，压差范围为-168.10～3.34 Pa。

2.5 客室空调冷凝器进、出风口压力对比分析

中车1空调冷凝器出风口的压力分布见图8。中车1出风口压力沿气流方向从上游到下游呈先升高后降低的变化趋势，最大压力分布在前出风口面两侧，最小压力在后出风口面末端。运行速度从250 km/h逐渐提高到400 km/h，冷凝器出风口的平均压力分别为-84.24、-120.21、-178.88和-273.22 Pa，压力依次降低。

客室空调冷凝器进、出风口压差与运行速度的关系见图9。头车、中车2和尾车客室冷凝器进、出风口压差随速度提高逐渐减小，运行速度每提高50 km/h，压差约减小0.64～17.29 Pa，压差变化范围为-4.04～30.31 Pa。由于中车1与头车客室空调相距较近，其冷凝器周围空气流动可能会受到头车客室冷凝器出风的干扰。中车1客室冷凝器进、出风口压差随速度提高而逐渐增大，运行速度每提高50 km/h，压差约增大-0.87～13.63 Pa，压差变化范围为30.24～49.02 Pa。

2.6 列车空调冷凝器通风机进、出风口压差分析

客室的空调冷凝器通风机总是安装在车厢中间，即出风口的下方。已知冷凝器进、出风口平均压力，设定冷凝器的压力损失为50 Pa，可得到通风机进、出风口的压差。

在不同运行速度下，列车客室冷凝器通风机进、出风口平均压力见图10。在相同运行速度下，客室冷凝器通风机进风口压力较平稳。运行速度每提高50 km/h，客室同一位置通风机进风口压力约降低55.24～77.42 Pa。在同一运行速度下，相同客室的后冷凝器通风机比前通风机出风口压力约低207.43～391.60 Pa，客室后冷凝器通风机的压力变化范围为-338.98～-169.97 Pa。司机室冷凝器通风机进、出风口压力随速度提高逐渐降低，进风口压力范围为-374.19～-891.04 Pa，出口压力范围为-297.06～-1 136.91 Pa。

在不同运行速度下，列车客室冷凝器通风机进、出风口压差对比见图11。客室前冷凝器通风机压差为正，且随速度提高呈逐渐增大的趋势。当运行速度为250～350 km/h时，客室前冷凝器通风机压差随速度提高逐渐增大，运行速度每提高50 km/h，压差约增大5.81～55.58 Pa，当运行速度为400 km/h时压差略有减小;客室前冷凝器通风机压差范围为183.95～294.81 Pa，客室通风机额定压差为170.00 Pa;随着运行速度的提高，客室前冷凝器通风量逐渐降低。客室后通风机压差为负且其绝对值逐渐增大，压差范围为-130.27～-23.48 Pa;运行速度每提高50 km/h，压差绝对值增大18.33～37.67 Pa，通风量随运行速度提高逐渐升高。

运行速度为250～350 km/h时，头车司机室冷凝器通风机进、出风口压差逐渐减小，且运行速度每提升50 km/h，通风机压差减小10.83～36.20 Pa，压差范围为48.10～77.13 Pa;当运行速度为400 km/h时车外空气进入可压缩状态，头车司机室冷凝器通风机进、出风口压差为87.82 Pa，司机室通风机的额定压差为100.00 Pa，头车司机室冷凝器通风量随速度提高先降低后升高。尾车司机室冷凝器通风机压差随速度提高逐渐减小，运行速度每提高50 km/h，通风机压差减小39.39～82.28 Pa，压差范围为-118.10～53.34 Pa;尾车司机室的压差为负值且绝对值逐渐增大，说明尾车冷凝器通风量逐渐升高。

3 结 论

对某新型动车组列车在250、300、350和400 km/h速度下明线运行的空气动力学流场进行计算分析，得到两侧进风、中间出风、有扰流罩的空调冷凝器设计方案的气动特性如下。

（1）冷凝器进、出风口和车体表面压力随列车运行速度提高而降低，头车和尾车车体表面平均压力远小于2辆中车，且速度每提高50 km/h，2辆中车表面平均压力约降低16.51～23.27 Pa，头车和尾车表面平均压力约降低61.55～98.75 Pa，客室冷凝器进风口压力约降低

-85.08～49.60 Pa，客室冷凝器出风口压力约降低35.97～97.93 Pa。

（2）随着速度的提高，客室冷凝器进、出风口压差呈现减小趋势，头车、中车2和尾车客室冷凝器进、出风口压差随速度提高逐渐减小，运行速度每提高50 km/h，压差减小0.64～17.29 Pa，压差范围为-4.04～30.31 Pa。由于头车和中车1客室冷凝器距离较近，导致中车1客室进、出风口压差增大，范 围为30.24～49.02 Pa，运行速度每提高50 km/h，压差增大-0.87～13.63 Pa。

（3）在运行速度为250～350 km/h时，头车司机室冷凝器通风机进、出风口压差逐渐减小，运行速度每提高50 km/h，通风机压差减小10.83～36.20 Pa;当运行速度为400 km/h时车外空气进入可压缩状态，头车司机室冷凝器通风机进、出风口压差为87.82 Pa，头车司机室

冷凝器通风量随速度提高先降低后升高。尾車司机室冷凝器通风机压差随速度提高逐渐减小，压差为负值且绝对值逐渐增大，说明尾车

冷凝器通风量逐渐升高。

（4）客室前冷凝器通风机进、出风口压差随速度提高呈逐渐增大趋势，客室前冷凝器通风机压差范围为183.95～294.81 Pa;随着速度的提高，客室前冷凝器通风量逐渐降低。客室后冷凝器通风机进、出风口压差为负且绝对值逐渐增大，运行速度每提高50 km/h，压差绝对值增大18.33～37.67 Pa，后冷凝器通风量随速度提高逐渐升高。

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（编辑 武晓英）