田占偉 田慶濤

摘 要：本文對(duì)新型時(shí)速250km動(dòng)車組車下設(shè)備艙的內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值建模，對(duì)其通風(fēng)散熱性能進(jìn)行了分析，并以牽引動(dòng)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(dòng)車組；設(shè)備艙；通風(fēng)散熱

0 引言

隨著我國高速動(dòng)車組的迅速發(fā)展，城際動(dòng)車組的研制也越來越受到關(guān)注。城際動(dòng)車組以其行程短、短距離內(nèi)提速快的特點(diǎn)，對(duì)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(duì)列車的提速和安全起到關(guān)鍵的作用。

250km城際動(dòng)車組采用動(dòng)力集中式的設(shè)計(jì)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(dòng)力包結(jié)構(gòu)。由于250km城際動(dòng)車組采用密封等級(jí)高的設(shè)備艙結(jié)構(gòu)，加之功率單元裝置體積大的特點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備艙空間相對(duì)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(duì)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(dòng)特性對(duì)設(shè)備艙整體的通風(fēng)散熱性能進(jìn)行分析研究，并對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析。

1 原結(jié)構(gòu)數(shù)值建模

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

1.1 數(shù)學(xué)模型

列車附近的流場(chǎng)可近似處理為三維粘性非定常不可壓縮流場(chǎng)，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(yùn)方程形式為：

其中t為時(shí)間；ρ為空氣密度；u=（u，v，w）為流場(chǎng)速度矢量；ut=（ut，0，0）為列車運(yùn)動(dòng)速度矢量；φ為流場(chǎng)通量；S為源項(xiàng)；Γ為擴(kuò)散系數(shù)。

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(xiàng)，即流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

1.2 計(jì)算區(qū)域、邊界條件

圖1為明線運(yùn)行時(shí)的計(jì)算區(qū)域與邊界條件，計(jì)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(dòng)地面，C、D、E為對(duì)稱面。

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)動(dòng)車組車體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)設(shè)備艙格柵、艙內(nèi)設(shè)備、支架等細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gè)計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)分析

2.1 流場(chǎng)分析

動(dòng)車組列車以速度250km/h上行運(yùn)行時(shí)，上行運(yùn)行由裙板格柵通風(fēng)口進(jìn)入設(shè)備艙內(nèi)部的空氣量多于下行運(yùn)行，牽引動(dòng)車流場(chǎng)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(jìn)入動(dòng)力包散熱器，動(dòng)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(chǎng)分析

對(duì)設(shè)備艙內(nèi)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，分別取動(dòng)力包下部、中部和上部4個(gè)截面進(jìn)行溫度分析，分別為Y=0.3m、Y=0.6m、Y=0.8m 、Y=1.1m。

通過對(duì)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(dòng)力包散熱器排風(fēng)影響，溫度相對(duì)較高，不利于設(shè)備的保養(yǎng)和正常運(yùn)行。

3 對(duì)設(shè)備艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)以上分析，溫度高的區(qū)域主要集中在動(dòng)力包設(shè)備周圍，動(dòng)力包設(shè)備本身出風(fēng)口的設(shè)計(jì)采用通風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)。動(dòng)力包的發(fā)熱量通過設(shè)備本身的冷卻風(fēng)機(jī)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(huì)通過車體底板上的開孔流出設(shè)備艙外部，但也會(huì)有一小部分熱流積聚在設(shè)備艙內(nèi)，在列車長時(shí)間運(yùn)行條件下對(duì)設(shè)備本身造成熱損傷。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了有效地將設(shè)備風(fēng)機(jī)出口處的熱流全部轉(zhuǎn)到車體外，考慮在動(dòng)力包冷卻風(fēng)機(jī)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(dòng)對(duì)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(chǎng)分析

對(duì)施加導(dǎo)風(fēng)裝置改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎng)分析

對(duì)施加導(dǎo)風(fēng)裝置的改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(shí)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(dòng)、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(dòng)車組設(shè)備艙溫度測(cè)試研究[J].中國鐵路，2013，（9）：54-57.

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