动车组设备舱内流场计算分析

于庆斌 邵 晴

(中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心,130062,长春//第一作者,正高级工程师)

随着我国高速铁路的快速建设，越来越多的动车组行驶在类似兰新线、哈大线等极端温度、恶劣风环境的线路上[1-3]。这些特殊环境对动车组的安全运营和列车设备舱的通风散热性能均产生很大影响[4-5]。为了减小风、沙、雨、雪对动车组设备舱内吊挂设备的影响，同时缓解因设备舱内温度过高而影响动车组正常运行的情况，动车组设备舱采用了大面积格栅加过滤网的特殊密封式结构和通风形式[6-7]，既保证设备舱与外界气流交换和散热，又能阻挡外界砂砾等杂质进入设备舱。但即使这样，仍会有细小的沙尘进入设备舱内，对设备舱和内部设备产生影响。

本文采用列车空气动力学的数值计算方法，对恶劣风环境和高温条件下动车组在明线和通过风区挡风墙[8]等工况下的设备舱内流场进行模拟研究。主要研究了动车组距离挡风墙不同位置时，设备舱内部流场的变化情况；考虑动车组在不同车速和不同风速下，其设备舱内流场的变化情况，以及底部开孔对设备舱内流场的影响。

1 动车组设备舱内流场计算条件

本文选取动车组设备舱内对周围流场及温度场有较大影响的牵引辅助变流器和主变压器车辆作为研究对象，采用湍流模型[9-10]模拟动车组周围空气流场的流向，分析设备舱内变流器和主变压器周围流场及其温度场的分布情况。

1.1 计算模型

计算模型根据某型号动车组设备舱及其内部设备创建。图1为采用3辆编组的动车组及设备舱数值计算模型。图2为动车组设备舱内部布置图。其中，图2 a)为位于头车和尾车的带有牵引辅助变流器的动车设备舱，图2 b)为位于中间车的带有主变压器的拖车设备舱。

图1 动车组及设备舱数值计算模型

图2 动车组设备舱内部布置图

1.2 边界条件

边界条件按照格栅(包括滤网)、牵引辅助变流器和主变压器实际设计时的通风量及散热功率来设置。模拟计算中，线路的线间距均取5 m；各工况均采用3辆编组(头车+中间车+尾车)的形式，且头车为安装变流器的动车，中间车为安装主变压器的拖车。本文主要针对动车组设备舱内的流场进行研究，计算时同时考虑列车外部流场和设备舱内部流场间的耦合。表1为动车组通过挡风墙时设备舱模拟工况。表1中，风速及车速根据《铁路客运专线技术管理办法》中关于动车组列车遇大风行车限速的规定及大风管理办法选取。

表1 动车组通过挡风墙时设备舱模拟工况表

动车组设备舱及吊挂设备壁面、地面均采用标准壁面函数模拟。具体设备舱及内部设备边界条件设置如表2～4所示。设备舱内边界条件设置如图3所示。计算表2中的格栅阻力特性时，首先对实车格栅(包括过滤网)的通风特性进行试验测试获得相关数据，然后对格栅前后流速进行处理，得到格栅前后压降，从而获得格栅在不同风速下的阻力特性。

表2 格栅阻力特性

表3 设备发热量及表面热流密度

表4 设备通风量

图3 设备舱内边界条件设置

2 计算结果与分析

2.1 列车静止时设备舱内流场模拟分析

图4为列车处于静止状态以及设备和通风系统正常工作下，动车和拖车的设备舱表面压力分布云图。通过对模拟结果分析可知：动车组设备舱内变流器内部流场压力相对外部较大，且整个流场处于强湍流状态，流场内分布有大小不一的涡；受风机影响，拖车设备舱冷却箱内流场压力相对拖车设备舱内要大；相对动车设备舱内流场而言，拖车内流场相对平稳。

图4 列车静止时设备舱内三维流线图

2.2 不同工况下设备舱内流场模拟分析

图5～8分别是横风为60 m/s、45 m/s、35 m/s 和20 m/s时，列车分别以0、120 km/h、200 km/h和250 km/h的速度于1线和2线通过挡风墙风区，且设备及通风系统在正常工作条件下时，动车和拖车设备舱表面压力分布云图。

图5 列车在1线遇横风时动车设备舱内三维流线图

图6 列车在1线遇横风时拖车设备舱内三维流线图

图7 列车在2线遇横风时动车设备舱内三维流线图

图8 列车在2线遇横风时拖车设备舱内三维流线图

由图5～8可知，不同工况下动车设备舱内流场明显改变，拖车设备舱内流场基本一致；动车设备舱及变流器内涡的位置及大小改变明显，拖车设备舱内压力有较大差别；动车设备舱内部处于负压状态，拖车设备舱内压力分布相对较均匀；随横风风速增大，动车设备舱内负压随之显著增大；不同工况下设备舱内相同位置处压力变化也较为明显。

2.3 底部开孔对设备舱内流场的影响

为了研究是否可通过在设备舱底部开孔的方式使沙尘顺利排出设备舱外，在设备舱底部开了φ50 mm和φ25 mm的排尘孔，并对开孔后设备舱内的压力和流线情况进行了分析。图9～12给出了动车组在30 m/s 横风下以250 km/h的速度运行，且在设备及通风系统正常工作条件下时，动车和拖车设备舱表面压力和流线分布云图。

图9 不同开孔直径下动车设备舱表面压力分布

图10 不同开孔直径下拖车设备舱表面压力分布

图11 不同开孔直径下动车设备舱内流线图

图12 不同开孔直径下拖车设备舱流线图

对图9～10进行分析可知，动车和拖车设备舱底部开孔均不改变动车设备舱表面压力分布规律，且设备舱表面压力随开孔直径变化不明显。

对图11～12进行分析可知，动车设备舱底部开孔对设备舱流场无显著影响，开孔大小对流场影响不明显；拖车设备舱底部开孔对设备舱流场有明显影响；底部开孔导致设备舱内湍流程度更加剧烈，形成较多的涡流；随开孔直径增大，设备舱内涡流增多且变大。

3 结论

1) 列车在静止且设备及通风系统正常工作的状态下，动车设备舱内整个流场处于强湍流状态，拖车设备舱相对动车设备舱内流场而言相对平稳。

2) 列车于1线运行时，动车设备舱内部处于负压状态；随着横风风速增大，动车设备舱内负压显著增大；拖车设备舱内流场基本一致，舱内压力有较大差别。

3) 列车于2线运行时，动车设备舱内迎风侧区域压力比底部及背风侧压力大；不同工况下，动车设备舱内流场均处于强湍流状态；拖车设备舱内处于负压状态，与列车位于1线时基本相同。

4) 设备舱开孔及开孔直径变化不改变设备舱表面压力分布规律，且设备舱表面压力随开孔直径变化不明显。动车设备舱内风机流量较小，底部开孔对动车设备舱内流场影响较小；拖车设备舱内风机流量很大，开孔对拖车设备舱内流场影响相对较大，导致拖车设备舱内形成较多的涡流，随开孔增大涡流直径增大。