于慶斌 邵 晴

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心,130062,長春//第一作者,正高級工程師)

隨著我國高速鐵路的快速建設(shè)，越來越多的動車組行駛在類似蘭新線、哈大線等極端溫度、惡劣風(fēng)環(huán)境的線路上[1-3]。這些特殊環(huán)境對動車組的安全運營和列車設(shè)備艙的通風(fēng)散熱性能均產(chǎn)生很大影響[4-5]。為了減小風(fēng)、沙、雨、雪對動車組設(shè)備艙內(nèi)吊掛設(shè)備的影響，同時緩解因設(shè)備艙內(nèi)溫度過高而影響動車組正常運行的情況，動車組設(shè)備艙采用了大面積格柵加過濾網(wǎng)的特殊密封式結(jié)構(gòu)和通風(fēng)形式[6-7]，既保證設(shè)備艙與外界氣流交換和散熱，又能阻擋外界砂礫等雜質(zhì)進入設(shè)備艙。但即使這樣，仍會有細(xì)小的沙塵進入設(shè)備艙內(nèi)，對設(shè)備艙和內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生影響。

本文采用列車空氣動力學(xué)的數(shù)值計算方法，對惡劣風(fēng)環(huán)境和高溫條件下動車組在明線和通過風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻[8]等工況下的設(shè)備艙內(nèi)流場進行模擬研究。主要研究了動車組距離擋風(fēng)墻不同位置時，設(shè)備艙內(nèi)部流場的變化情況；考慮動車組在不同車速和不同風(fēng)速下，其設(shè)備艙內(nèi)流場的變化情況，以及底部開孔對設(shè)備艙內(nèi)流場的影響。

1 動車組設(shè)備艙內(nèi)流場計算條件

本文選取動車組設(shè)備艙內(nèi)對周圍流場及溫度場有較大影響的牽引輔助變流器和主變壓器車輛作為研究對象，采用湍流模型[9-10]模擬動車組周圍空氣流場的流向，分析設(shè)備艙內(nèi)變流器和主變壓器周圍流場及其溫度場的分布情況。

1.1 計算模型

計算模型根據(jù)某型號動車組設(shè)備艙及其內(nèi)部設(shè)備創(chuàng)建。圖1為采用3輛編組的動車組及設(shè)備艙數(shù)值計算模型。圖2為動車組設(shè)備艙內(nèi)部布置圖。其中，圖2 a)為位于頭車和尾車的帶有牽引輔助變流器的動車設(shè)備艙，圖2 b)為位于中間車的帶有主變壓器的拖車設(shè)備艙。

圖1 動車組及設(shè)備艙數(shù)值計算模型

圖2 動車組設(shè)備艙內(nèi)部布置圖

1.2 邊界條件

邊界條件按照格柵(包括濾網(wǎng))、牽引輔助變流器和主變壓器實際設(shè)計時的通風(fēng)量及散熱功率來設(shè)置。模擬計算中，線路的線間距均取5 m；各工況均采用3輛編組(頭車+中間車+尾車)的形式，且頭車為安裝變流器的動車，中間車為安裝主變壓器的拖車。本文主要針對動車組設(shè)備艙內(nèi)的流場進行研究，計算時同時考慮列車外部流場和設(shè)備艙內(nèi)部流場間的耦合。表1為動車組通過擋風(fēng)墻時設(shè)備艙模擬工況。表1中，風(fēng)速及車速根據(jù)《鐵路客運專線技術(shù)管理辦法》中關(guān)于動車組列車遇大風(fēng)行車限速的規(guī)定及大風(fēng)管理辦法選取。

表1 動車組通過擋風(fēng)墻時設(shè)備艙模擬工況表

動車組設(shè)備艙及吊掛設(shè)備壁面、地面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬。具體設(shè)備艙及內(nèi)部設(shè)備邊界條件設(shè)置如表2～4所示。設(shè)備艙內(nèi)邊界條件設(shè)置如圖3所示。計算表2中的格柵阻力特性時，首先對實車格柵(包括過濾網(wǎng))的通風(fēng)特性進行試驗測試獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，然后對格柵前后流速進行處理，得到格柵前后壓降，從而獲得格柵在不同風(fēng)速下的阻力特性。

表2 格柵阻力特性

表3 設(shè)備發(fā)熱量及表面熱流密度

表4 設(shè)備通風(fēng)量

圖3 設(shè)備艙內(nèi)邊界條件設(shè)置

2 計算結(jié)果與分析

2.1 列車靜止時設(shè)備艙內(nèi)流場模擬分析

圖4為列車處于靜止?fàn)顟B(tài)以及設(shè)備和通風(fēng)系統(tǒng)正常工作下，動車和拖車的設(shè)備艙表面壓力分布云圖。通過對模擬結(jié)果分析可知：動車組設(shè)備艙內(nèi)變流器內(nèi)部流場壓力相對外部較大，且整個流場處于強湍流狀態(tài)，流場內(nèi)分布有大小不一的渦；受風(fēng)機影響，拖車設(shè)備艙冷卻箱內(nèi)流場壓力相對拖車設(shè)備艙內(nèi)要大；相對動車設(shè)備艙內(nèi)流場而言，拖車內(nèi)流場相對平穩(wěn)。

圖4 列車靜止時設(shè)備艙內(nèi)三維流線圖

2.2 不同工況下設(shè)備艙內(nèi)流場模擬分析

圖5～8分別是橫風(fēng)為60 m/s、45 m/s、35 m/s 和20 m/s時，列車分別以0、120 km/h、200 km/h和250 km/h的速度于1線和2線通過擋風(fēng)墻風(fēng)區(qū)，且設(shè)備及通風(fēng)系統(tǒng)在正常工作條件下時，動車和拖車設(shè)備艙表面壓力分布云圖。

圖5 列車在1線遇橫風(fēng)時動車設(shè)備艙內(nèi)三維流線圖

圖6 列車在1線遇橫風(fēng)時拖車設(shè)備艙內(nèi)三維流線圖

圖7 列車在2線遇橫風(fēng)時動車設(shè)備艙內(nèi)三維流線圖

圖8 列車在2線遇橫風(fēng)時拖車設(shè)備艙內(nèi)三維流線圖

由圖5～8可知，不同工況下動車設(shè)備艙內(nèi)流場明顯改變，拖車設(shè)備艙內(nèi)流場基本一致；動車設(shè)備艙及變流器內(nèi)渦的位置及大小改變明顯，拖車設(shè)備艙內(nèi)壓力有較大差別；動車設(shè)備艙內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，拖車設(shè)備艙內(nèi)壓力分布相對較均勻；隨橫風(fēng)風(fēng)速增大，動車設(shè)備艙內(nèi)負(fù)壓隨之顯著增大；不同工況下設(shè)備艙內(nèi)相同位置處壓力變化也較為明顯。

2.3 底部開孔對設(shè)備艙內(nèi)流場的影響

為了研究是否可通過在設(shè)備艙底部開孔的方式使沙塵順利排出設(shè)備艙外，在設(shè)備艙底部開了φ50 mm和φ25 mm的排塵孔，并對開孔后設(shè)備艙內(nèi)的壓力和流線情況進行了分析。圖9～12給出了動車組在30 m/s 橫風(fēng)下以250 km/h的速度運行，且在設(shè)備及通風(fēng)系統(tǒng)正常工作條件下時，動車和拖車設(shè)備艙表面壓力和流線分布云圖。

圖9 不同開孔直徑下動車設(shè)備艙表面壓力分布

圖10 不同開孔直徑下拖車設(shè)備艙表面壓力分布

圖11 不同開孔直徑下動車設(shè)備艙內(nèi)流線圖

圖12 不同開孔直徑下拖車設(shè)備艙流線圖

對圖9～10進行分析可知，動車和拖車設(shè)備艙底部開孔均不改變動車設(shè)備艙表面壓力分布規(guī)律，且設(shè)備艙表面壓力隨開孔直徑變化不明顯。

對圖11～12進行分析可知，動車設(shè)備艙底部開孔對設(shè)備艙流場無顯著影響，開孔大小對流場影響不明顯；拖車設(shè)備艙底部開孔對設(shè)備艙流場有明顯影響；底部開孔導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)湍流程度更加劇烈，形成較多的渦流；隨開孔直徑增大，設(shè)備艙內(nèi)渦流增多且變大。

3 結(jié)論

1) 列車在靜止且設(shè)備及通風(fēng)系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，動車設(shè)備艙內(nèi)整個流場處于強湍流狀態(tài)，拖車設(shè)備艙相對動車設(shè)備艙內(nèi)流場而言相對平穩(wěn)。

2) 列車于1線運行時，動車設(shè)備艙內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)；隨著橫風(fēng)風(fēng)速增大，動車設(shè)備艙內(nèi)負(fù)壓顯著增大；拖車設(shè)備艙內(nèi)流場基本一致，艙內(nèi)壓力有較大差別。

3) 列車于2線運行時，動車設(shè)備艙內(nèi)迎風(fēng)側(cè)區(qū)域壓力比底部及背風(fēng)側(cè)壓力大；不同工況下，動車設(shè)備艙內(nèi)流場均處于強湍流狀態(tài)；拖車設(shè)備艙內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，與列車位于1線時基本相同。

4) 設(shè)備艙開孔及開孔直徑變化不改變設(shè)備艙表面壓力分布規(guī)律，且設(shè)備艙表面壓力隨開孔直徑變化不明顯。動車設(shè)備艙內(nèi)風(fēng)機流量較小，底部開孔對動車設(shè)備艙內(nèi)流場影響較??；拖車設(shè)備艙內(nèi)風(fēng)機流量很大，開孔對拖車設(shè)備艙內(nèi)流場影響相對較大，導(dǎo)致拖車設(shè)備艙內(nèi)形成較多的渦流，隨開孔增大渦流直徑增大。