新型動車組車下設(shè)備艙的散熱性能研究

田占偉 田慶濤

摘 要：本文對新型時速250km動車組車下設(shè)備艙的內(nèi)流場和溫度場進行了數(shù)值建模，對其通風(fēng)散熱性能進行了分析，并以牽引動車為例，研究在高溫區(qū)域的設(shè)備上增加合理的通風(fēng)裝置，能夠有效提升設(shè)備艙通風(fēng)的散熱性能。

關(guān)鍵詞：城際動車組；設(shè)備艙；通風(fēng)散熱

0 引言

隨著我國高速動車組的迅速發(fā)展，城際動車組的研制也越來越受到關(guān)注。城際動車組以其行程短、短距離內(nèi)提速快的特點，對設(shè)備的性能和可靠性要求也越來越高，特別是車下設(shè)備艙內(nèi)的牽引變流器、牽引變壓器等大功率設(shè)備對列車的提速和安全起到關(guān)鍵的作用。

250km城際動車組采用動力集中式的設(shè)計理念，牽引部件采用將牽引變流器、輔助變流器以及冷卻裝置集于一體的動力包結(jié)構(gòu)。由于250km城際動車組采用密封等級高的設(shè)備艙結(jié)構(gòu)，加之功率單元裝置體積大的特點，導(dǎo)致設(shè)備艙空間相對封閉且狹小。功率單元為大功率發(fā)熱元件，極易引起設(shè)備艙內(nèi)溫度過高。研究表明：高溫是電子設(shè)備損壞的主要原因；溫度過高容易導(dǎo)致設(shè)備的性能和穩(wěn)定性降低。因此，開展對高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱性能的研究是非常必要的。

本文采用Ansys數(shù)值模擬軟件，結(jié)合設(shè)備艙內(nèi)的流動特性對設(shè)備艙整體的通風(fēng)散熱性能進行分析研究，并對未施加通風(fēng)裝置的設(shè)備艙原結(jié)構(gòu)和加裝通風(fēng)裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的通風(fēng)散熱性能進行對比分析。

1 原結(jié)構(gòu)數(shù)值建模

以250km城際動車組車下布置動力包設(shè)備的車型（代號：MC車）為例進行研究分析：

1.1 數(shù)學(xué)模型

列車附近的流場可近似處理為三維粘性非定常不可壓縮流場，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，其控制方程的輸運方程形式為：

其中t為時間；ρ為空氣密度；u=（u，v，w）為流場速度矢量；ut=（ut，0，0）為列車運動速度矢量；φ為流場通量；S為源項；Γ為擴散系數(shù)。

能量守恒方程包含熱交換流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律，表述為微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。由此可得，以溫度T為變量的能量守恒方程，其矢量形式為：

式中CP為比熱容，T為溫度，λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，ST為粘性耗散項，即流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

1.2 計算區(qū)域、邊界條件

圖1為明線運行時的計算區(qū)域與邊界條件，計算區(qū)域的長、寬、高分別為505m、60m、60m，其中頭車鼻尖距離入口150m，尾車鼻尖距離出口200m，其中A為速度入口，B為壓力出口，F(xiàn)為移動地面，C、D、E為對稱面。

1.3 網(wǎng)格劃分

對動車組車體進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格時，對設(shè)備艙格柵、艙內(nèi)設(shè)備、支架等細(xì)部結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格加密，其中車體表面網(wǎng)格最大尺寸為80mm，格柵最大網(wǎng)格尺寸為3mm，設(shè)備最大網(wǎng)格尺寸為20mm。整個計算區(qū)域均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，共劃分為8600萬四面體網(wǎng)格。

2 設(shè)備艙設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

2.1 流場分析

動車組列車以速度250km/h上行運行時，上行運行由裙板格柵通風(fēng)口進入設(shè)備艙內(nèi)部的空氣量多于下行運行，牽引動車流場分析如圖2所示。設(shè)備艙中空氣由二位端格柵通風(fēng)口流入，其中大部分進入動力包散熱器，動力包散熱器排出的空氣一部分流入設(shè)備艙內(nèi)，一部分由底部出風(fēng)口流出，設(shè)備艙內(nèi)的空氣大部分由一位端格柵通風(fēng)口流出。

2.2 溫度場分析

對設(shè)備艙內(nèi)的溫度場分布進行分析，分別取動力包下部、中部和上部4個截面進行溫度分析，分別為Y=0.3m、Y=0.6m、Y=0.8m 、Y=1.1m。

通過對圖3設(shè)備艙截面溫度分布云圖的分析可知，設(shè)備艙內(nèi)溫度主要受動力包散熱器排風(fēng)影響，溫度相對較高，不利于設(shè)備的保養(yǎng)和正常運行。

3 對設(shè)備艙的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計

3.1 原結(jié)構(gòu)分析

針對以上分析，溫度高的區(qū)域主要集中在動力包設(shè)備周圍，動力包設(shè)備本身出風(fēng)口的設(shè)計采用通風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)。動力包的發(fā)熱量通過設(shè)備本身的冷卻風(fēng)機將熱流通風(fēng)出風(fēng)口處排出，根據(jù)設(shè)備艙內(nèi)的負(fù)壓作用，大部分熱流會通過車體底板上的開孔流出設(shè)備艙外部，但也會有一小部分熱流積聚在設(shè)備艙內(nèi)，在列車長時間運行條件下對設(shè)備本身造成熱損傷。

3.2 結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

為了有效地將設(shè)備風(fēng)機出口處的熱流全部轉(zhuǎn)到車體外，考慮在動力包冷卻風(fēng)機出口處增加導(dǎo)風(fēng)裝置，導(dǎo)風(fēng)裝置上部與設(shè)備通過螺栓連接，下部與車體艙底板通過加厚海綿形成接觸性軟連接，避免車體艙底板振動對設(shè)備產(chǎn)生的影響

4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)值建模與結(jié)果分析

4.1 流場分析

對施加導(dǎo)風(fēng)裝置改進后的結(jié)構(gòu)進行建模分析，分析方法采用與原結(jié)構(gòu)相同的方法得出結(jié)果，如圖4所示。

4.2 溫度場分析

對施加導(dǎo)風(fēng)裝置的改進后結(jié)構(gòu)進行建模分析，分析方法采用與原結(jié)構(gòu)相同方法得出結(jié)果，如圖5所示。

5 結(jié)論

對于車體底架設(shè)備艙內(nèi)發(fā)熱量大的設(shè)備，通過增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置，及時有效地將部件的熱流導(dǎo)出至車體艙外，能夠有效改善設(shè)備艙內(nèi)流動、提升設(shè)備艙的通風(fēng)散熱性能。

參考文獻(xiàn)

[1]徐連萍.基于光纖光柵傳感技術(shù)的高速動車組設(shè)備艙溫度測試研究[J].中國鐵路，2013，（9）：54-57.

（作者單位：中國北車集團唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心）