列車地板熱橋結構分析及優(yōu)化

馬遠釗

(上海市政工程設計研究總院集團第七設計院有限公司,山東青島 266000)

列車地板熱橋結構分析及優(yōu)化

馬遠釗

(上海市政工程設計研究總院集團第七設計院有限公司,山東青島 266000)

利用計算機仿真技術分析車體地板的熱工性能,進行K值計算,并根據模擬結果分析地板結構、判斷熱橋對車體熱工性能的影響,進而更好的指導車體的優(yōu)化設計,為解決熱橋問題,降低空調負荷提供技術指導。

地板 隔熱 熱橋 仿真

近年來，隨著列車車體性能的不斷提高，車體結構和材料也隨之有了一系列的改變，這些變化對列車車體隔熱性能會產生一定的影響。隔熱性能是影響車體傳熱的主要因素，研究不同車體結構對隔熱性能的影響，特別是熱橋結構對隔熱性能的影響，對于分析列車運行能耗、確定其空調負荷、避免惡劣工況(內壁結露、局部溫度過高)的出現、以及維持車內舒適的熱環(huán)境均有著重要的意義[1]。熱橋是由于某種材料的導熱系數遠遠大于它周圍材料的導熱系數而產生的。熱橋的存在會導致車體傳熱系數的增加，影響情況與熱橋影響面積及熱橋區(qū)域的K值有關[2]。本文綜合采用理論分析、數值模擬等方法，通過對列車地板典型熱橋結構隔熱性能的計算、分析和優(yōu)化，減少熱橋結構對隔熱性能的影響，降低整車的K值，為新一代高速列車的隔熱性能設計提供理論上的指導。

1 列車車體傳熱負荷計算

按照TB1957-9《1空調客車熱工計算方法》，車體的隔熱保溫研究主要針對減少車體傳熱負荷來進行。

傳熱負荷：

式中：Φ——通過車體隔熱壁損失的熱量(傳熱負荷)，W；

K——車體傳熱系數，W/(m2·K)；

A——車體表面積， m2；

Δt ——車體內外側空氣溫差， ℃。

車體表面積和內外溫差為定值，由(1)式可以看出車體傳熱負荷的計算關鍵是K值的確定，而對車體進行隔熱保溫的目的就是減小K值。

準確地確定各部分的K值對于車體傳熱負荷的計算及其隔熱保溫的設計具有重要影響。

圖1 列車地板剖面圖

圖2 高地板槽鋼和螺栓模型

2 熱橋傳熱理論分析

2.1 列車地板熱橋結構特點

列車地板一般由車體型材、防寒材、地板、內飾件等組成。圖1為列車地板剖面圖。

2.2 熱橋影響面積的確定方法

以冬季工況對熱橋進行仿真計算，熱橋中心的溫度最低，熱流密度最大，由熱橋中心向周圍溫度逐漸趨向正常溫度，熱流密度亦逐漸趨向正常熱流密度。當到達某點時溫度與正常溫度相差3%以內，熱流密度與正常熱流密度相差3%以內，即把該點作為分界點，根據對稱性，以從熱橋中心到這點的距離作為半徑的圓的面積即熱橋的影響面積[3]。

2.3 熱橋數學模型的建立

本研究中用有限單元法對地板熱橋結構進行劃分，并通過加載第三類邊界條件，利用計算仿真軟件對車體熱橋的熱工性能進行計算仿真。

對于無內熱源穩(wěn)態(tài)溫度場的各向同性物體導熱微分方程三維問題[4]，方程的形式為：

第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質的溫度Tf和換熱系數α為已知。用公式表示為：

α與Tf可以是常數，也可以是某種隨時間和位置而變化的函數。如果α與Tf不是常數，則在數值計算中經常分段取其平均值作為常數。根據以上計算公式，利用計算機對網格進行自動劃分，來進行熱流密度場的計算。

3 地板熱橋傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

根據熱橋結構以及做仿真模擬計算的溫度，在熱橋的仿真模擬當中采用以下邊界條件：

(1)車室內計算溫度：20 ℃；(2)車室外計算溫度：-25 ℃；(按動車組實際運行過程中，最不利狀況選取)；(3)外表面對流換熱系數：142.9W（/m·K）；(4)內表面對流換熱系數：8W（/m·K）。

4 地板槽鋼和螺栓傳熱模型和優(yōu)化模型的仿真計算

圖3 高地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型

圖4 低地板槽鋼和螺栓模型

圖5 低地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型

4.1 建立模型

由圖2和4可知槽鋼和螺栓直接聯通車體內外，形成了一個傳遞熱量的通道。而槽鋼是焊接在車體型材鋁合金上沒法進行隔斷，所以在上方一個螺栓處加局部隔熱材1mm厚PVC墊板，此處加PVC墊板后可能會導致地板松動，再加一個不銹鋼螺帽使地板固定。優(yōu)化模型如圖3和5所示。對模型進行仿真計算，熱流密度場的分布情況(如圖6至9)。

圖7 高地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型熱流密度分布

圖8 低地板槽鋼和螺栓模型熱流密度分布

圖9 低地板槽鋼和螺栓優(yōu)化模型熱流密度分布

4.2 熱流密度分布

由圖6至9仿真結果可得下表1所示結果。

表1 熱橋模型模擬結果

5 地板熱橋結構優(yōu)化的計算結果及對整車K值的影響

為便于結果分析，將熱橋模擬結果匯總如表2：

表2 模擬結果匯總

表2中K·A值為傳熱系數K與影響面積A的乘積。

由于車體內外溫差為定值，車體傳熱負荷由整個車體的K·A值確定，有效減小車體局部熱橋區(qū)域的K·A值，即減小了整個車體的K·A值，可以減少車體的傳熱負荷。

由表2可知地板2個熱橋模型優(yōu)化后車體局部的K·A值分別減少了11.1和4.44W/K，共減少15.55W/K。

以現有250公里動車組為例，未考慮以上熱橋結構優(yōu)化的影響時，車體K值為1.1W/(m2·K)，車體總面積為259.38m2。

考慮以上熱橋結構優(yōu)化的影響后，車體K·A值共減少了15.55W/K，此時車體的K值為1.04W/(m2·K)，比優(yōu)化前減小5%，有利于降低空調負荷。

由于以上熱橋結構的優(yōu)化，只是對個別螺栓位置加1mm厚PVC墊板，對列車的地板局部構造強度、生產工藝和生產成本沒有影響，所以該優(yōu)化措施是可行的。

[1]吳俊云,王剛,劉訓海,等．空調客車廂體結構傳熱數值分析[J].上海理工大學學報,2005,27(4):287-290.

[2]趙淑敏.濟南地區(qū)建筑熱橋能耗分析與研究[J].西安:西安建筑科技大學,2004．