橫風(fēng)條件下高速列車車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)分析

馬思群，秦偉,張志鵬，于佳田，石洪基，袁冰

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028； 2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 檢修服務(wù)事業(yè)部,山東 青島 266111)*

0 引言

隨著高速列車運(yùn)行速度的不斷提高，動(dòng)力性能成為決定列車速度的關(guān)鍵，而大功率牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速的原動(dòng)力，其安裝在車下設(shè)備艙中.為了避免外界環(huán)境對(duì)其造成不良影響，車下設(shè)備艙通常被設(shè)計(jì)成帶有通風(fēng)格柵的全封閉式.列車高速運(yùn)行過(guò)程中，艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備工作，產(chǎn)生大量的熱量，如果設(shè)備艙不能及時(shí)將熱量有效的排出，將會(huì)造成設(shè)備艙溫度過(guò)高，從而可能導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備失效.因此，對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)仿真是極為必要的.

近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)高速列車車下設(shè)備艙進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真，章國(guó)平[1]對(duì)高速列車車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，獲得了發(fā)熱設(shè)備表面溫度隨不同環(huán)境溫度的變化規(guī)律；黃少東[2]、張壘[3]、李麗[4]、潘登[5]等進(jìn)行了高寒車設(shè)備艙溫度場(chǎng)特性研究，得到了設(shè)備艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的表面溫度變化規(guī)律；胡文錦[6]等通過(guò)列車交會(huì)試驗(yàn)驗(yàn)證模型，研究了列車高速運(yùn)行于明線無(wú)橫風(fēng)環(huán)境、明線橫風(fēng)環(huán)境下以及隧道通過(guò)等工況下的設(shè)備艙通風(fēng)散熱性能；王一豐[7]進(jìn)行了高速列車車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)測(cè)試及仿真分析研究；張亮[8]等研究了格柵對(duì)高速列車設(shè)備艙散熱性能的影響；白剛[9]進(jìn)行了高速列車設(shè)備艙通風(fēng)散熱影響因素分析.本文將車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得置信度較高的數(shù)值仿真模型，在橫風(fēng)環(huán)境中不同環(huán)境溫度下用fluent進(jìn)行車下設(shè)備艙溫度場(chǎng)仿真.

1 仿真原理

自然環(huán)境下，無(wú)風(fēng)的天氣較為少見，高速列車行駛時(shí)或多或少都會(huì)受到橫風(fēng)環(huán)境的影響.如圖1所示，當(dāng)列車以速度V向左行駛時(shí)，周圍空氣以速度-V相對(duì)列車向右移動(dòng)，橫風(fēng)W與速度V矢量合成為合成風(fēng)U[10].

圖1 合成風(fēng)示意圖

列車高速運(yùn)行時(shí)時(shí)速可達(dá)350 km/h，在風(fēng)速為15 m/s(七級(jí)風(fēng))的橫風(fēng)環(huán)境中，合成風(fēng)速可達(dá)98.37 m/s ，對(duì)應(yīng)馬赫數(shù)小于0.3.在其周圍流場(chǎng)為非定常不可壓縮流流場(chǎng)，屬于湍流流動(dòng).根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)，高速列車周圍空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程.湍流模型方程采用k-ε兩方程湍流模型.對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式.速度仿真結(jié)果圖如2所示.

圖2 合成風(fēng)仿真結(jié)果

能量守恒方程包含熱交換流動(dòng)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(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功.由此，得到以溫度T為變量的能量守恒方程[11]，矢量形式為：

(1)

式中,cP為比定壓熱容；U為內(nèi)能；T為溫度；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)；ST為黏性耗散項(xiàng)，流體的內(nèi)熱源和由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分.

2 仿真模型、區(qū)域及網(wǎng)格劃分

2.1 仿真模型

計(jì)算模型為某高速動(dòng)車組，仿真采取五車編組，即: 頭車+中間車 1+中間車 2+中間車3+尾車，總長(zhǎng)126 m.高速列車外形較為復(fù)雜，考慮到計(jì)算機(jī)性能和工作量，建模時(shí)僅提取車體外形有效部分，略了列車表面車門、車窗、受電弓、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)，僅保留主要外形輪廓， 整車計(jì)算模型如圖3所示.

圖3 整車模型

設(shè)備艙內(nèi)的設(shè)備數(shù)目眾多并且?guī)缀涡螤顝?fù)雜， 為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，設(shè)備艙內(nèi)牽引變壓器、牽引變流器、輔助變流器簡(jiǎn)化為六面體結(jié)構(gòu)，如圖4所示.

圖4 設(shè)備艙模型

2.2 仿真區(qū)域

綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，計(jì)算模型的流場(chǎng)區(qū)域外形尺寸為長(zhǎng)376 m、寬60 m，高35 m，如圖5所示.其中車頭距離前方入口處100 m，車尾距離后方出口處150 m.計(jì)算仿真為高速列車在橫風(fēng)環(huán)境中運(yùn)行，由于設(shè)備艙格柵設(shè)置不對(duì)稱，所以左右兩個(gè)方向的橫風(fēng)都需要考慮.設(shè)置左側(cè)和右側(cè)橫風(fēng)來(lái)流時(shí)，分別考慮環(huán)境溫度為-15、25、40℃時(shí)高速列車車下設(shè)備艙的溫度場(chǎng)分布情況，邊界條件參數(shù)如表1所示.

圖5 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及邊界條件

方案列車速度km/h橫風(fēng)速度m/s環(huán)境溫度℃135015-152350152533501540

2.3 網(wǎng)格劃分

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很好的適應(yīng)不規(guī)則區(qū)域，所以計(jì)算模型的網(wǎng)格類型采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格.

網(wǎng)格大小范圍為100～800 mm，對(duì)于需要進(jìn)行精密計(jì)算的發(fā)熱設(shè)備的網(wǎng)格進(jìn)行加密，設(shè)定為100 mm，車體網(wǎng)格與空氣流場(chǎng)網(wǎng)格大小為800 mm，設(shè)備艙網(wǎng)格如圖6所示.

圖6 設(shè)備艙網(wǎng)格

3 模型校驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 模型校驗(yàn)

對(duì)某型號(hào)高速列車車下設(shè)備艙長(zhǎng)期溫度跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.試驗(yàn)時(shí)，溫度傳感器布置在車下設(shè)備表面，以中間車1為主要研究對(duì)象，提取環(huán)境溫度為30℃時(shí)部分測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)作為參考值，通過(guò)反復(fù)仿真計(jì)算，推算出高速列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的熱源邊界條件，得到中間車1主要發(fā)熱設(shè)備變壓器的發(fā)熱功率為4 946 W/m3,輔助變流器的發(fā)熱功率為1 607 W/m3，仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 環(huán)境溫度30℃設(shè)備艙溫度分布

表2列出了設(shè)備艙內(nèi)不同設(shè)備表面實(shí)測(cè)溫度值與仿真所得溫度值.變壓器實(shí)測(cè)溫度值為70.28℃，仿真溫度值為68.98℃，誤差為1.85%；輔助變流器實(shí)測(cè)溫度值為38.45℃，仿真溫度值為37.93℃，誤差為1.35%.得到高置信度仿真模型.

表2 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 仿真結(jié)果分析

每種仿真方案都分為橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流和橫風(fēng)右側(cè)來(lái)流，高速列車固定時(shí)速350 km/h .分別得到了三種方案環(huán)境溫度下車下設(shè)備艙的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，中間車1主要發(fā)熱設(shè)備為變壓器和輔助變流器，提取距設(shè)備艙底部0.5 m橫截面、所有設(shè)備表面進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，由于不同環(huán)境溫度下設(shè)備艙溫度分布規(guī)律具有一致性，僅對(duì)環(huán)境溫度為-15℃和40℃兩種情況進(jìn)行分析.

3.2.1 環(huán)境溫度-15℃ 時(shí)設(shè)備艙溫度分布

圖8為環(huán)境溫度-15℃時(shí)設(shè)備艙溫度分布.橫風(fēng)右側(cè)來(lái)流時(shí)，變壓器一位端側(cè)上部溫度較高，為29.34℃，二位端側(cè)下部散熱效果較好，溫度為22.69℃.輔助變流器溫度分布較為均勻，為-3.94℃.橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流時(shí)，變壓器一位端側(cè)上部溫度為25.56℃，二位端側(cè)下部溫度為21.29℃.輔助變流器溫度為-6.47℃.變壓器一位端上部溫度左側(cè)來(lái)流時(shí)比右側(cè)來(lái)流時(shí)降低3.78℃，二位端下部溫度左側(cè)來(lái)流時(shí)比右側(cè)來(lái)流時(shí)降低1.4℃；輔助變流器溫度左側(cè)來(lái)流時(shí)比右側(cè)來(lái)流時(shí)降低2.53℃.

圖8 -15℃設(shè)備艙溫度分布云圖

以上數(shù)據(jù)表明，橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流時(shí)設(shè)備艙通風(fēng)散熱情況優(yōu)于橫風(fēng)右側(cè)來(lái)流.這是由通風(fēng)格柵的位置決定的，右側(cè)格柵位于二位端，左側(cè)格柵位于一位端.橫風(fēng)來(lái)流時(shí)，一位端通風(fēng)格柵更利于空氣進(jìn)入設(shè)備艙，冷空氣帶出較多熱量.

3.2.2 環(huán)境溫度40℃時(shí)設(shè)備艙溫度分布

圖9為環(huán)境溫度40℃時(shí)設(shè)備艙溫度分布.橫風(fēng)右側(cè)來(lái)流時(shí)，變壓器一位端側(cè)上部溫84.97℃，二位端側(cè)下部溫度為78.14℃.輔助變流器溫度分布較為均勻，為53.08℃；橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流時(shí)，變壓器一位端側(cè)上部溫度為81.19℃，二位端側(cè)下部溫度為71.85℃.輔助變流器溫度為48.62℃.變壓器一位端上部溫度左側(cè)來(lái)流時(shí)比右側(cè)來(lái)流時(shí)降低3.78℃，二位端下部溫度左側(cè)來(lái)流時(shí)比右側(cè)來(lái)流時(shí)降低1.29℃；輔助變流器溫度左側(cè)來(lái)流時(shí)比右側(cè)來(lái)流時(shí)降低4.46℃.

圖9 40℃設(shè)備艙溫度分布云圖

環(huán)境溫度40℃時(shí)輔助變流器橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流比右側(cè)來(lái)流降低4.46，環(huán)境溫度-15℃時(shí)輔助變流器橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流比右側(cè)來(lái)流降低2.53℃.說(shuō)明溫度越高時(shí)，改善設(shè)備艙通風(fēng)情況，散熱效果改善幅度越大.

3.3 通風(fēng)格柵改進(jìn)及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比分析橫風(fēng)不同方向來(lái)流時(shí)設(shè)備艙內(nèi)溫度的差異，可知設(shè)備艙內(nèi)空氣流動(dòng)速度對(duì)發(fā)熱設(shè)備散熱有較大影響.如圖10所示，著重在發(fā)熱設(shè)備附近增加通風(fēng)格柵數(shù)量，并使其對(duì)稱分布.模擬列車以350 km/h運(yùn)行在40℃環(huán)境中，設(shè)備艙溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖11所示，變壓器最高溫度為62.17℃，比改進(jìn)前降低22.8℃，散熱性能得到明顯改善.

圖10 通風(fēng)格柵布置

圖11 改進(jìn)后設(shè)備艙溫度分布

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)時(shí)速為350 km/h的高速列車在不同運(yùn)行環(huán)境中的數(shù)值仿真，對(duì)比分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，修改數(shù)值模擬邊界條件，獲得的計(jì)算模型置信度高；

(2)橫風(fēng)左側(cè)來(lái)流時(shí)設(shè)備艙通風(fēng)散熱情況優(yōu)于橫風(fēng)右側(cè)來(lái)流；

(3)在發(fā)熱設(shè)備附近增加通風(fēng)格柵數(shù)量和對(duì)稱布置通風(fēng)格柵更有利于車下設(shè)備艙通風(fēng)散熱；

(4)獲得橫風(fēng)條件下車下設(shè)備艙溫度分布規(guī)律，為車下設(shè)備的合理布局提供參考.