于會龍 王 建 王云霄 王常宇

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000）

軌道車輛的傳熱系數(shù)（K 值）代表著車輛整體的隔熱性能，是空調(diào)冷熱負荷核算的必要參數(shù)，對于空調(diào)能耗及車內(nèi)溫度場舒適性等有著重要影響。傳統(tǒng)的傳熱學計算方法根據(jù)車壁材料的厚度、導熱系數(shù)及車體內(nèi)外表面和空氣間的對流換熱系數(shù)，進行傳熱計算，忽略了不同結構對于K 值的影響。近年來采用計算流體力學軟件（CFD）計算K 值得到了較多應用。徐峻等[1]選取某高速列車的4 個典型截面，采用CFD 方法模擬高速列車K 值的試驗工況。宋純等[2]對某高速列車采用二維截面法和三維部件法進行了對比。伍釩等[3]對某地鐵列車車體側墻采用二維、二維拉伸及三維三種計算方法進行了對比分析。隨著軌道車輛的發(fā)展，車體結構及防寒材料變化復雜，不同的CFD 仿真方法有著各自的適用性。本文以某鐵路客車為研究對象，采用根據(jù)結構特點劃分典型區(qū)域的方法進行仿真分析，并依據(jù)TB/T1674-93《鐵道客車隔熱性能試驗方法》進行試驗測試[4]。

1 CFD 仿真分析

1.1 計算方法

根據(jù)TB/T 1674-93，車輛的傳熱系數(shù)（K 值）由式（1）確定：

其中P 為車內(nèi)熱功率，A 為車體傳熱面積，Tim和Tem分別為車內(nèi)外的平均溫度。本次仿真中Tim設定為35℃，Tem設定為10℃。式（1）還可轉換為式（2）：

其中q 為車輛表面的熱流密度。車輛的K 值可以轉換為組成車輛各圍護結構傳熱系數(shù)K 值的表達形式，如式（3）：

因此，通過求出各圍護結構的K 值ki，按面積加權，即可求得車輛的K 值。對于某個圍護結構，圖1 給出了熱量傳遞的過程。熱量自溫度較高的車內(nèi)空氣通過圍護結構傳遞至溫度較低的車外空氣，上述傳遞過程中存在三個串聯(lián)的熱阻：①車內(nèi)空氣和圍護結構內(nèi)壁的對流換熱熱阻R3；②圍護結構的導熱熱阻R2；③車外空氣和圍護結構外壁的對流換熱熱阻R1。

軌道車輛的圍護結構自車輛外表面起至客室內(nèi)裝板止，結構非常復雜。上述范圍內(nèi)的任何結構任何材料都會參與熱量傳遞，但對整車的K 值貢獻量不同。經(jīng)過簡化后，對于圖1 中的R2：只考慮圍護結構的金屬、空腔、防寒材料和內(nèi)裝板四部分。

圖1 圍護結構傳熱過程

將車輛劃分為4 個區(qū)域：車頂A、側墻B、底架C、端墻D。根據(jù)各區(qū)域結構特點，將其進一步劃分為多個典型結構。車頂A劃分為8 個典型結構：高頂平板區(qū)域A1、高頂橫梁區(qū)域A2、高頂縱梁一類區(qū)域A3、高頂縱梁二類區(qū)域A4、高頂縱梁三類區(qū)域A5、平頂平板區(qū)域A6、平頂槽鋼區(qū)域A7、平頂端部槽鋼區(qū)域A8；側墻B 劃分為5 個典型結構：平板區(qū)域B1、橫梁區(qū)域B2、立柱區(qū)域B3、車門B4、車窗B5；底架C 劃分為4 個典型結構：客室地板區(qū)域C1、端部通過臺區(qū)域C2、端部走廊區(qū)域C3、腳蹬翻板區(qū)域C4；端墻D 劃分為4 個典型結構：平板區(qū)域D1、橫梁區(qū)域D2、立柱區(qū)域D3、外端拉門D4。

利用CFD 軟件建立各典型區(qū)域的計算模型，求解得到各典型結構的表面熱流密度，計算各典型結構的K 值ki，進而得到車輛的K 值。

1.2 計算結果

車頂A 各典型結構的溫度云圖如圖2 所示，計算結果見表1。

表1 車頂區(qū)域K 值計算結果

由A1～A8 的加權K 值可得到車頂區(qū)域的K 值結果，同樣地，計算得到側墻、底架、端墻的K 值，計算結果見表2，整車K值為1.085W/(m2·K)。

表2 整車K 值計算結果

2 整車隔熱性能試驗

2.1 試驗方法

依據(jù)TB/T1674-93 在試驗室內(nèi)進行隔熱試驗，車內(nèi)共計布置30 個溫度測點用于計算車內(nèi)平均溫度，車外共計布置28 個溫度測點用于計算車外平均溫度，測點布置如圖3 所示。

圖3 溫度測點布置圖

車內(nèi)使用布置均勻的電加熱器和小功率電風扇建立熱穩(wěn)定狀態(tài)，使隔熱壁的平均溫度控制在（22.5±0.5）℃，車內(nèi)外平均溫度差保持在（25±1）K，車內(nèi)、車外各測點溫度差均小于3K。每30min 記錄一次各溫度傳感器及電功率計的數(shù)據(jù)，取連續(xù)8組有效數(shù)據(jù)用于計算。

2.2 試驗結果

試驗數(shù)據(jù)見表3，整車K 值試驗結果如圖4 所示。整車K值試驗結果為1.157W/(m2·K)。

圖4 整車K 值試驗結果

表3 整車K 值測試數(shù)據(jù)

3 結論

CFD 仿真分析方法計算K 值與實車試驗結果誤差為6.2%，模擬結果比較準確。仿真計算結果比試驗結果偏低，這主要是由于仿真分析過程未考慮車體氣密性，且簡化了部分細小金屬結構。本文仿真分析方法與二維截面法相比，能夠更（轉下頁）加精細地模擬車輛局部結構，因而計算結果更為準確；與三維算法結果準確度基本相當，但比三維算法占用更少的建模時間和計算資源。

本文采用根據(jù)結構特點劃分典型區(qū)域的方法進行仿真分析，該方法適用于所有類型的軌道車輛，可以準確得到車輛局部結構的K 值，反映車輛各區(qū)域圍護結構的薄弱環(huán)節(jié)，為車輛防寒布置優(yōu)化設計及空調(diào)冷熱負荷核算提供參考。