宋 純 程 剛 臧建彬

（同濟大學機械與能源工程學院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生）

高速列車車體傳熱系數(shù)數(shù)值計算分析

宋 純 程 剛 臧建彬

（同濟大學機械與能源工程學院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

車體隔熱性能是高速列車車體重要性能之一。利用CFD（計算流體動力學）數(shù)值模擬方法，分別采用二維截面法和三維部件法對某高速列車車體圍護結(jié)構(gòu)傳熱進行模擬，得到二維典型截面和三維典型部件的傳熱系數(shù)，經(jīng)加權(quán)平均獲得整車的車體傳熱系數(shù)。兩種計算方法得到的車體傳熱系數(shù)相對誤差僅為2.5%，在目前無法實現(xiàn)整車車體k值模擬計算的情況下，二維截面法和三維部件法都可以滿足工程計算要求。與二維截面法相比，三維部件法建模速度快，更貼近實際車型，能更好地反映車體圍護結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

高速列車；車體傳熱系數(shù)；二維截面法；三維部件法

Author＇s address College of Mechanical Engineering， Tongji University，201804，Shanghai，Chinna

高速列車車體傳熱系數(shù)是衡量車體隔熱性能的重要參數(shù)，是影響乘客舒適度的重要因素，同時也是空調(diào)、供暖等車載設備選型和車體優(yōu)化設計的重要指標。車體傳熱系數(shù)與行車速度、車體幾何結(jié)構(gòu)、車體材料導熱系數(shù)，以及車體內(nèi)外溫差和車體內(nèi)、外表面積等因素有關(guān)。根據(jù)傳熱學原理，降低車體傳熱系數(shù)能有效降低車體傳送熱量、減小車輛空調(diào)負荷［1］。車體傳熱系數(shù)如通過試驗方法確定，則時間長、代價大；如采用數(shù)值模擬方法確定，則時間短、成本低的。文獻［2］采用理論計算方法對單軌列車車體隔熱壁傳熱系數(shù)進行了計算；文獻［3］理論計算了鋁合金車體的傳熱系數(shù)，并通過試驗驗證其計算結(jié)果的正確性；文獻［4］采用分區(qū)域法計算某新型高速動車組的車體傳熱系數(shù)，由于實際產(chǎn)生熱流比分區(qū)熱量大，計算結(jié)果比實際偏?。晃墨I［5］使用二維建模法和三維建模法計算了多孔材料的導熱系數(shù)，并探討了兩種方法結(jié)果間的聯(lián)系。

本文采用CFD數(shù)值模擬，以TB/T 1674—1993《鐵道客車隔熱性能試驗方法》為依據(jù)，分別用二維截面法和三維部件法建立模型，考慮導熱、對流、輻射三種傳熱方式，計算車體傳熱系數(shù)，并比較這兩種計算方法對傳熱系數(shù)的影響。

1　計算原理

1.1車體傳熱系數(shù)計算方法

熱量從車體一側(cè)的空氣中傳遞到另一側(cè)的空氣中，其傳熱過程可以分為三個階段：①表面?zhèn)鳠帷獰崃繌囊粋?cè)的空氣中傳至車體的該側(cè)表面；②車體內(nèi)部傳熱——熱量從車體一側(cè)表面?zhèn)鬟f給車體另一側(cè)表面；③表面?zhèn)鳠帷獰崃繌能圀w另一側(cè)表面?zhèn)鬟f到該側(cè)空氣。

這些傳熱過程包括了以熱傳導為主體的車體內(nèi)部的導熱、以對流及輻射為主的車體以及車內(nèi)外環(huán)境之間的傳熱。車輛的隔熱性能可由車體的傳熱系數(shù)K來表征。

K是指當車體內(nèi)、外兩側(cè)空氣溫度相差1 K時，車體隔熱壁每m2所傳遞的熱流。K是衡量車輛熱工性能的重要指標［6］，由式（1）確定。

Q=K·A·ΔT（1）

式中：

K——傳熱系數(shù)；

Q——車內(nèi)加熱功率；

A——試驗空間車體的總傳熱面積；

ΔT——車體內(nèi)、外兩側(cè)平均空氣溫度差。

1.2CFD數(shù)值計算原理

計算流體動力學（Computational Fluent Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。使用CFD方法模擬流體傳熱問題，需要求解流動的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程［7］。

連續(xù)性方程為

式中：

ρ——流體密度；

U——流體速度矢量；

t——時間。

動量方程為

式中：

u——流體速度x方向分量；

v——流體速度y方向分量；

w——流體速度z方向分量；

px——流體微元體上的壓力在x方向的分量；

py——流體微元體上的壓力在y方向的分量；

pz——流體微元體上的壓力在z方向的分量；

fx——單位質(zhì)量流體x方向受到的質(zhì)量力；

fy——單位質(zhì)量流體y方向受到的質(zhì)量力；

fz——單位質(zhì)量流體z方向受到的質(zhì)量力。

能量方程為

式中：

cp——比熱容；

k——流體的傳熱系數(shù)；

ST——粘性耗散項；

T——溫度。

本次仿真計算利用穩(wěn)定傳熱原理，即車體中的溫度分布和傳熱量始終是常數(shù)，不隨時間變化。計算收斂后，得到傳熱量Q、溫差ΔT等數(shù)據(jù)，利用式（1）計算得到各典型截面或部件的K值。

2　計算方法

2.1二維截面法建模

軌道列車車體傳熱系數(shù)的CFD模擬計算是一個三維的問題。由于實際上常用計算機內(nèi)存容量的限制，可將其簡化為二維的方法進行處理。首先，在車長方向選取具有代表性的典型截面，如無門無窗截面、門截面等。之后，根據(jù)列車的二維圖紙，使用數(shù)學分析方法對各典型截面進行加權(quán)平均得到截面的權(quán)重系數(shù)。然后，再通過CFD建模計算得到所有典型截面的傳熱系數(shù)。建模時應充分考慮風道、內(nèi)飾等處的熱橋。最后，根據(jù)各典型截面的權(quán)重系數(shù)、傳熱系數(shù)得到整車的車體傳熱系數(shù)。

2.2三維部件法建模

由于對整車三維計算需要極大的工作量，并且對計算機的配置要求較高，故可通過選取典型部件建立三維模型進行模擬計算。三維部件法中，首先，選取車體的典型部件，如車窗、側(cè)墻、底板等；然后，根據(jù)列車三維圖紙，將各個部件占整車表面積的百分比進行加權(quán)平均得到權(quán)重系數(shù)，再通過CFD模擬計算得到所有典型部件的傳熱系數(shù)；最后，根據(jù)權(quán)重系數(shù)和傳熱系數(shù)，得到整車的車體傳熱系數(shù)。

3　計算流程

車體傳熱系數(shù)計算流程如圖1所示，其計算過程適用于二維截面法和三維部件法。

文獻［6］要求車內(nèi)各測點平均空氣溫度與車外各測點平均空氣溫度差為（25±1）K，故在計算中應對內(nèi)外側(cè)平均溫差ΔT進行判斷。此外，在使用CFD軟件求解前，應先假設K值，依照式（1）得到加熱器功率及熱流密度，并以此為邊界條件迭代求解得到K的計算值。理論上，當24℃≤ΔT≤26℃時，計算得到的車體傳熱系數(shù)K2與假設的車體傳熱系數(shù)K1（K1在假設溫差為25℃條件下得到）的相對誤差應小于5%。即

圖1　車體傳熱系數(shù)計算流程圖

如K2不滿足式（5），則說明物性參數(shù)、邊界條件等的設置錯誤，或建模出現(xiàn)問題，應予修改。

4　計算案例

模擬計算對象是某高速列車MC車（帶司機的動車），為A型車，車頂無受電弓，考慮司機室和端墻對車體換熱系數(shù)的影響。

4.1計算建模

（1）二維截面法建模。將MC車劃分為7個典型截面，車體各截面位置示意圖見圖2。車體典型截面網(wǎng)格圖見圖3～圖8。端墻因位置特殊，故采用三維部件法計算（見圖9）。MC車各典型截面的權(quán)重系數(shù)及網(wǎng)格數(shù)見表1。其中，有窗截面、有門截面、無門無窗截面所占權(quán)重系數(shù)最大。

（2）三維部件法建模。選取窗、車門、端墻、側(cè)墻、頂板、底板6個典型部件。車體典型部件網(wǎng)格圖見圖9～圖14。MC車各典型部件的權(quán)重系數(shù)及網(wǎng)格數(shù)見表2。其中，側(cè)墻、頂板和底板所占權(quán)重系數(shù)最大。

圖2　車體截面位置示意圖

圖3　典型截面A網(wǎng)格圖

圖4　典型截面B網(wǎng)格圖

圖5　典型截面C網(wǎng)格圖

圖6　典型截面D網(wǎng)格圖

圖7　典型截面E網(wǎng)格圖

圖8　典型截面F網(wǎng)格圖

圖9　端墻網(wǎng)格圖

圖10　車門網(wǎng)格圖

圖11　車窗網(wǎng)格圖

圖12　底板網(wǎng)格圖

圖13　頂板網(wǎng)格圖

圖14　側(cè)墻網(wǎng)格圖

表1　二維截面法模擬計算各截面參數(shù)

表2　三維部件法模擬計算各部件參數(shù)

4.2計算模型的設定

（1）湍流方程確定：二維截面法和三維部件法均采用層流模型?？紤]到車內(nèi)空氣流動為重力起作用的有限空間自然對流，故采用Boussinesq假設進行計算，輻射換熱選用DO模型，y方向的重力加速度為-9.8 m/s2。

（2）材料屬性：車體圍護結(jié)構(gòu)的材料屬性見表3。

（3）邊界條件的確定：①車體外部計算域邊界采用定壁溫285 K的第一類邊界條件。②電加熱器的表面采用恒熱流密度的第二類邊界條件。計算熱流密度q時，先用式（1）計算總傳熱量Q，再用下式（6）確定車體總傳熱面積A，則q=Q/A。

式中：

Al——單位長度方向上車體內(nèi)表面面積；

表3　車體材料物性參數(shù)表

Ae——單位長度方向上車體外表面面積。

假設K為2.0 W/（m2·K），則根據(jù)標準要求車內(nèi)外環(huán)境溫差應為（25±1）℃。本模型選取溫差為25℃，計算得到總傳熱量為280 W。已知發(fā)熱器的截面尺寸為70 mm×70 mm，可得發(fā)熱器表面的熱流密度為1 000 W/m2。③車體圍護結(jié)構(gòu)包括車體框架、風道、保溫層、底板等，均應按照各部分所屬材料的物性參數(shù)進行定義。

4.3模擬結(jié)果與對比

利用CFD軟件模擬計算得出的各典型截面的溫度云圖和典型部件的溫度云圖見圖15～圖26，傳熱系數(shù)見表4和表5。結(jié)合表1、表2進行加權(quán)平均計算，則采用二維截面法可得K為2.34 W/（m2· K），采用三維部件法可得K為2.40 W/（m2·K）。二者的相對誤差為2.5%。

圖15　截面A溫度云圖

圖16　截面B溫度云圖

圖17　截面C溫度云圖

圖18　截面D溫度云圖

圖19　截面E溫度云圖

圖20　截面F溫度云圖

圖21　側(cè)墻溫度云圖

圖22　車門溫度云圖

圖23　車窗溫度云圖

圖24　底板溫度云圖

圖25　頂板溫度云圖

圖26　端墻溫度云圖

表4　二維截面法模擬計算結(jié)果

表5　三維部件法模擬計算結(jié)果

從二維截面法的計算（見表1、表4）中可見，由于D截面有窗，且E截面有門，對整車的車體傳熱系數(shù)有很大影響，故可通過改善D、E兩個截面的傳熱系數(shù)來有效降低整車的車體傳熱系數(shù)。又由于車體每個截面包含的車體結(jié)構(gòu)較為復雜，如D截面包含頂板、側(cè)墻、玻璃窗及底板等車體結(jié)構(gòu)，故無法準確的判斷提高哪一車體結(jié)構(gòu)的隔熱性能，若要全部提高則會大幅度增加成本。根據(jù)三維部件法計算結(jié)果（見表2、表5），MC車底板、玻璃窗、車門的K值對整車的車體K值起決定作用，且三個部件的K值均大于整車平均K值。因而設計人員可重點優(yōu)化這三個部件，改善其傳熱性能，從而以較低的成本達到降低整車車體K值的目的。

5　結(jié)論

文獻［8］采用二維截面法進行車體傳熱系數(shù)計算，并與列車試驗值進行對比，得到了二維截面法能夠準確、可靠模擬計算車體傳熱系數(shù)的結(jié)論。本文對二維截面法和三維部件法進行對比，計算得到的車體傳熱系數(shù)相對誤差僅為2.5%。因此，在目前無法完美實現(xiàn)整車車體K值模擬計算的情況下，三維部件法可滿足工程計要求。與二維截面法相比，三維部件法具有以下優(yōu)勢：

（1）二維截面法模型的處理相對簡化較多，三維部件法模型更貼近列車原型，可以在列車三維設計模型的基礎上快速建模，節(jié)省時間。

（2）使用三維部件法計算車體傳熱系數(shù)，可以準確得到每個部件的K值，反映車體圍護結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為車輛圍護結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化提供參考。

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Analysis of Numerical Calculation for Heat Transfer Coefficient of High-speed Train Carbody

Song Chun，Cheng Gang，Zang Jianbin

The carbody insulation property（K value in computational fluid dynamics）is one of the most important properties of high-speed train.In this paper，2D section method and 3D component method are used separately to simulate the heat transfer of a high speed train carbody via CFD numerical calculation method，the typical sections and components heat transfer coefficients are obtained and used to calculate the weighted average heat transfer coefficient of the whole train carbody.The relative error of carbody heat transfer coefficients by both methods is only 2.5%，in the condition that the carbody K value of the whole train could not be simulated，both methods can meet the engineering calculation requirements.But compared with 2D section method，3D component method can model faster and closer to the actual train，also reflect better the weak parts in carbody structures.

high-speed train；heat transfer coefficient of carbody；2D section method；3D component method

U 270.38+4；U 238

10.16037/j.1007-869x.2016.03.016

（2014-12-23）