鐵路客車的車內(nèi)熱響應(yīng)的數(shù)值研究*

許建柳，劉衛(wèi)華

(南京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

在夏、冬季，空調(diào)客車在行駛之前，都要進(jìn)行預(yù)冷(熱)，以便乘客一進(jìn)入車廂就有一個(gè)舒適的環(huán)境。車廂內(nèi)預(yù)熱時(shí)間的直接影響到空調(diào)節(jié)能，為了減少預(yù)熱時(shí)間，有必要對(duì)鐵路客車的車廂內(nèi)的熱響應(yīng)特性進(jìn)行研究。以往研究都是集中于對(duì)鐵路客車的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)鐵路客車尤其是高速鐵路客車的車廂內(nèi)熱響應(yīng)研究，國內(nèi)外還沒有報(bào)道過。本文對(duì)空調(diào)鐵路客車的車廂內(nèi)熱響應(yīng)進(jìn)行研究，并與普通鐵路客車進(jìn)行對(duì)比。

1 高鐵的車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析

高鐵車體一般采用輕量化材料，動(dòng)車鋁合金車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)由抗振阻尼漿、防震油漆、擠壓鋁型材、熱聲學(xué)絕緣夾層(由多種隔熱材料復(fù)合而成)、蜂窩板。隔熱壁材料的化學(xué)成分有醋酸纖維薄膜、聚酯纖維［4］組成。中空擠壓鋁型材雖然有空氣夾層，但由于2張鋁板之間有很多肋連接，存在很大的熱橋現(xiàn)象，傳熱性能接近加厚單層均質(zhì)鋁板，本文中，為了簡(jiǎn)化模型，把中空擠壓鋁型材作為加厚單層均質(zhì)材料處理，這樣，高鐵車體就可以看成是由多層均質(zhì)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。玻璃窗采用中空夾層玻璃。

普通鐵路客車車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次是鐵皮、膠合板、隔熱材料、塑料等多層結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)學(xué)模型

(1)對(duì)車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)建立非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程［5］:

當(dāng)τ=0時(shí)，Ti=0=Tw(初始條件)

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;c為空氣比熱容，kJ/(kg·k);λ為車體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Tn為車內(nèi)空氣溫度，℃;Tw為車外溫度，℃;Tcn為車體內(nèi)表面溫度，℃;Tcw為車體外表面溫度，℃。hn為車體內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K);hw為車體外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

(2)對(duì)車體建立熱量平衡方程［6］:

式中:Q1為空調(diào)制冷量，W;Q2為車箱圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，W;Q3為照明、設(shè)備等散熱量，W。由于車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括車窗和車實(shí)體結(jié)構(gòu)，所以，

式中:Qwall為通過車實(shí)體的傳熱量，W;Qwindow為通過車窗的傳熱量，W;Fwall為車實(shí)體傳熱面積，m2;λwall為車實(shí)體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);kwall為車窗傳熱系數(shù)，W/(m2·K);Fwindow為車窗傳熱面積，m2。

3 計(jì)算條件

對(duì)鋁 合 金［7］:ρ =2820 kg/m3，c=857 J/(kg·K)，λ =138 W/(m·K)。

對(duì)聚酯纖維［7］:ρ=1380 kg/m3，c=1360 J/(kg·K)，λ =0.05 W/(m·K)。

對(duì)薄 鋼 板［7］:ρ =7833 kg/m3，c=465 J/(kg·K)，λ =54 W/(m·K)。

對(duì)聚氨酯塑料［7］:ρ=30 kg/m3，c=2000 J/(kg·K)，λ =0.018 W/(m·K)。

對(duì)膠 合 板［7］:ρ =600 kg/m3，c=2500 J/(kg·K)，λ =0.17 W/(m·K)。

每節(jié)車廂的空調(diào)制冷量取55 kW，制熱量取30 kW。

夏季，列車空調(diào)制冷前，為了與實(shí)驗(yàn)條件一致，假設(shè)車內(nèi)、外起始溫度為33℃;冬季，列車空調(diào)制熱前，假設(shè)車內(nèi)、外起始溫度為0℃。

4 車廂內(nèi)空氣溫度的計(jì)算方法

為了計(jì)算開始開空調(diào)后車廂內(nèi)的溫降情況，需要聯(lián)立求解關(guān)于車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的偏微分方程(1)和關(guān)于空氣溫度的常微分方程(2)。

關(guān)于空氣溫度的常微分方程，可采用隱式的歐拉方法或四階龍格－庫塔方法來求解。關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的偏微分方程，采用控制容積有限差分方法求解。

車體結(jié)構(gòu)包括車窗和車體2個(gè)部分，它們可以分別具有不同的邊界條件和初始條件。這意味著要求解2個(gè)初邊值條件不同的偏微分方程。

列車制冷量可以按照空調(diào)設(shè)備的實(shí)際制冷功率來計(jì)算。

在計(jì)算車窗的傳熱量時(shí)沒有考慮它的熱慣性，它的傳熱系數(shù)可從供熱工程設(shè)計(jì)方面的手冊(cè)中得到。

計(jì)算中涉及的其他有關(guān)數(shù)據(jù)均從有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范或手冊(cè)中獲得。計(jì)算步驟如下:

(1)首先給定空氣的初始溫度和其他相關(guān)的初邊值條件及時(shí)間步長;

(2)估計(jì)下個(gè)時(shí)間步的空氣溫度;

(3)計(jì)算各部分熱量，進(jìn)行能量平衡;

(4)若能量基本平衡，則轉(zhuǎn)入下個(gè)時(shí)間步;否則，估計(jì)新的空氣溫度重新返回第3步進(jìn)行計(jì)算。

(5)完成每個(gè)時(shí)間步的計(jì)算并保存計(jì)算結(jié)果。

5 實(shí)驗(yàn)論證

按車廂熱工測(cè)試要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分夏季和冬季兩個(gè)季節(jié)進(jìn)行。在夏季工況下，車外溫度為33℃，車廂內(nèi)有1臺(tái)單元式空調(diào)機(jī)組，開動(dòng)制冷機(jī)組前，首先打開車窗和車門，將自然通風(fēng)器和排廢氣口置“正常位”，將車內(nèi)恒溫器開關(guān)置“手動(dòng)位”，然后，對(duì)整個(gè)車廂進(jìn)行加熱和加濕。當(dāng)車廂內(nèi)溫度和濕度接近車外氣象條件時(shí)，調(diào)節(jié)制熱量和加濕量，使車內(nèi)外溫度和濕度達(dá)到均衡并維持2 h，讓車體及內(nèi)部設(shè)備充分吸熱。2 h后，關(guān)嚴(yán)車門和車窗，開動(dòng)制冷機(jī)組，制冷機(jī)組制冷開始，每隔100 s記錄溫度，在車廂的兩端、中部3個(gè)斷面各設(shè)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每次溫度取這3個(gè)點(diǎn)溫度的平均值，測(cè)溫儀器為熱電偶溫度計(jì)。在冬季工況下，車廂外溫度為0℃左右，實(shí)驗(yàn)方法與夏季工況的相同。

6 結(jié)果及討論

圖1所示為制冷工況下的車內(nèi)熱響應(yīng)情況，圖2所示為制熱工況下的車內(nèi)熱響應(yīng)情況。

圖1 制冷工況下車內(nèi)熱響應(yīng)Fig.1 Thermal response in cooling condition

圖2 制熱工況下車內(nèi)熱響應(yīng)Fig.2 Thermal response in heating condition

從圖1和圖2可以看出:對(duì)車廂內(nèi)熱響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合;在相同制冷條件下，高速鐵路客車比普通鐵路客車降溫時(shí)間要快，高速鐵路客車的車廂內(nèi)溫度從33℃降到24℃為1500 s左右，而普通鐵路客車需要2000 s左右，慢500 s左右;在相同制熱條件下，高速鐵路客車比普通鐵路客車升溫要快，高速鐵路客車的車廂內(nèi)溫度在制熱開始2500 s左右后從0℃升到18℃，而普通鐵路客車要3000 s左右。高速鐵路客車的車內(nèi)熱響應(yīng)要比普通鐵路客車要快，這主要是車體材料不同所致。

本文數(shù)值模型采用簡(jiǎn)化模型，把中空擠壓鋁型材作為加厚單層均質(zhì)材料處理，這導(dǎo)致車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和蓄熱性與實(shí)際值有所不同，車廂內(nèi)熱響應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果要比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要迅速一點(diǎn)，這說明簡(jiǎn)化模型的車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能要低于實(shí)際值。

用本文數(shù)值模型對(duì)鐵路客車的車廂熱響應(yīng)研究是可行的。下面對(duì)假設(shè)的2種內(nèi)表面材料進(jìn)行熱響應(yīng)模擬。在相同制冷制熱情況下，對(duì)同一個(gè)普通鐵路客車車廂，假設(shè)一種情況是車廂內(nèi)表面材料采用聚氨酯材料，而假設(shè)的另一種情況是車廂內(nèi)表面材料采用膠合板材料，熱響應(yīng)情況分別見圖3和圖4。

圖3 制冷工況下車內(nèi)熱響應(yīng)Fig.3 Thermal response in cooling condition

圖4 制熱工況下車內(nèi)熱響應(yīng)Fig.4 Thermal response in heating condition

從圖3和圖4可以看出:車廂采用聚氨酯內(nèi)表面材料與膠合板內(nèi)表面材料對(duì)比，在相同制冷條件下，當(dāng)制冷開始500 s后，前者比后者車廂內(nèi)空氣溫度低3℃左右;當(dāng)制冷開始1000 s后，前者比后者車廂內(nèi)空氣溫度低2℃左右。在相同制冷條件下，當(dāng)制熱開始500 s后，前者比后者車廂內(nèi)空氣溫度高5℃左右;當(dāng)制熱開始1000 s后，前者車廂內(nèi)空氣溫度高3℃左右。這些說明車廂采用聚氨酯內(nèi)表面材料可以提高車廂的熱響應(yīng)。

7 結(jié)論

用數(shù)值模型來模擬列車車廂熱響應(yīng)是可行的，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合。用數(shù)值模擬來部分代替試驗(yàn)，可以降低列車設(shè)計(jì)費(fèi)用，從而選出一種比較好的車廂隔熱材料。另外，要指出的是，本文的簡(jiǎn)化數(shù)值模型還待進(jìn)一步完善，以使數(shù)值模擬結(jié)果更接近真實(shí)結(jié)果。

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