高速列車(chē)車(chē)體傳熱系數(shù)數(shù)值計(jì)算分析

宋 純 程 剛 臧建彬

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

高速列車(chē)車(chē)體傳熱系數(shù)數(shù)值計(jì)算分析

宋 純 程 剛 臧建彬

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，201804，上海∥第一作者，碩士研究生）

車(chē)體隔熱性能是高速列車(chē)車(chē)體重要性能之一。利用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)值模擬方法，分別采用二維截面法和三維部件法對(duì)某高速列車(chē)車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱進(jìn)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(chē)的車(chē)體傳熱系數(shù)。兩種計(jì)算方法得到的車(chē)體傳熱系數(shù)相對(duì)誤差僅為2.5%，在目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)整車(chē)車(chē)體k值模擬計(jì)算的情況下，二維截面法和三維部件法都可以滿(mǎn)足工程計(jì)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(shí)際車(chē)型，能更好地反映車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

高速列車(chē)；車(chē)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(chē)車(chē)體傳熱系數(shù)是衡量車(chē)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(shí)也是空調(diào)、供暖等車(chē)載設(shè)備選型和車(chē)體優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。車(chē)體傳熱系數(shù)與行車(chē)速度、車(chē)體幾何結(jié)構(gòu)、車(chē)體材料導(dǎo)熱系數(shù)，以及車(chē)體內(nèi)外溫差和車(chē)體內(nèi)、外表面積等因素有關(guān)。根據(jù)傳熱學(xué)原理，降低車(chē)體傳熱系數(shù)能有效降低車(chē)體傳送熱量、減小車(chē)輛空調(diào)負(fù)荷［1］。車(chē)體傳熱系數(shù)如通過(guò)試驗(yàn)方法確定，則時(shí)間長(zhǎng)、代價(jià)大；如采用數(shù)值模擬方法確定，則時(shí)間短、成本低的。文獻(xiàn)［2］采用理論計(jì)算方法對(duì)單軌列車(chē)車(chē)體隔熱壁傳熱系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；文獻(xiàn)［3］理論計(jì)算了鋁合金車(chē)體的傳熱系數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果的正確性；文獻(xiàn)［4］采用分區(qū)域法計(jì)算某新型高速動(dòng)車(chē)組的車(chē)體傳熱系數(shù)，由于實(shí)際產(chǎn)生熱流比分區(qū)熱量大，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際偏?。晃墨I(xiàn)［5］使用二維建模法和三維建模法計(jì)算了多孔材料的導(dǎo)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(chē)隔熱性能試驗(yàn)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(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三種傳熱方式，計(jì)算車(chē)體傳熱系數(shù)，并比較這兩種計(jì)算方法對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

1　計(jì)算原理

1.1車(chē)體傳熱系數(shù)計(jì)算方法

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

這些傳熱過(guò)程包括了以熱傳導(dǎo)為主體的車(chē)體內(nèi)部的導(dǎo)熱、以對(duì)流及輻射為主的車(chē)體以及車(chē)內(nèi)外環(huán)境之間的傳熱。車(chē)輛的隔熱性能可由車(chē)體的傳熱系數(shù)K來(lái)表征。

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

Q=K·A·ΔT（1）

式中：

K——傳熱系數(shù)；

Q——車(chē)內(nèi)加熱功率；

A——試驗(yàn)空間車(chē)體的總傳熱面積；

ΔT——車(chē)體內(nèi)、外兩側(cè)平均空氣溫度差。

1.2CFD數(shù)值計(jì)算原理

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluent Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)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(wèn)題，需要求解流動(dòng)的連續(xù)性方程、動(dòng)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(shí)間。

動(dòng)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(xiàng)；

T——溫度。

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

2　計(jì)算方法

2.1二維截面法建模

軌道列車(chē)車(chē)體傳熱系數(shù)的CFD模擬計(jì)算是一個(gè)三維的問(wèn)題。由于實(shí)際上常用計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量的限制，可將其簡(jiǎn)化為二維的方法進(jìn)行處理。首先，在車(chē)長(zhǎng)方向選取具有代表性的典型截面，如無(wú)門(mén)無(wú)窗截面、門(mén)截面等。之后，根據(jù)列車(chē)的二維圖紙，使用數(shù)學(xué)分析方法對(duì)各典型截面進(jìn)行加權(quán)平均得到截面的權(quán)重系數(shù)。然后，再通過(guò)CFD建模計(jì)算得到所有典型截面的傳熱系數(shù)。建模時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)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(chē)的車(chē)體傳熱系數(shù)。

2.2三維部件法建模

由于對(duì)整車(chē)三維計(jì)算需要極大的工作量，并且對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求較高，故可通過(guò)選取典型部件建立三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。三維部件法中，首先，選取車(chē)體的典型部件，如車(chē)窗、側(cè)墻、底板等；然后，根據(jù)列車(chē)三維圖紙，將各個(gè)部件占整車(chē)表面積的百分比進(jìn)行加權(quán)平均得到權(quán)重系數(shù)，再通過(guò)CFD模擬計(jì)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(chē)的車(chē)體傳熱系數(shù)。

3　計(jì)算流程

車(chē)體傳熱系數(shù)計(jì)算流程如圖1所示，其計(jì)算過(guò)程適用于二維截面法和三維部件法。

文獻(xiàn)［6］要求車(chē)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)平均空氣溫度與車(chē)外各測(cè)點(diǎn)平均空氣溫度差為（25±1）K，故在計(jì)算中應(yīng)對(duì)內(nèi)外側(cè)平均溫差ΔT進(jìn)行判斷。此外，在使用CFD軟件求解前，應(yīng)先假設(shè)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(jì)算值。理論上，當(dāng)24℃≤ΔT≤26℃時(shí)，計(jì)算得到的車(chē)體傳熱系數(shù)K2與假設(shè)的車(chē)體傳熱系數(shù)K1（K1在假設(shè)溫差為25℃條件下得到）的相對(duì)誤差應(yīng)小于5%。即

圖1　車(chē)體傳熱系數(shù)計(jì)算流程圖

如K2不滿(mǎn)足式（5），則說(shuō)明物性參數(shù)、邊界條件等的設(shè)置錯(cuò)誤，或建模出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)予修改。

4　計(jì)算案例

模擬計(jì)算對(duì)象是某高速列車(chē)MC車(chē)（帶司機(jī)的動(dòng)車(chē)），為A型車(chē)，車(chē)頂無(wú)受電弓，考慮司機(jī)室和端墻對(duì)車(chē)體換熱系數(shù)的影響。

4.1計(jì)算建模

（1）二維截面法建模。將MC車(chē)劃分為7個(gè)典型截面，車(chē)體各截面位置示意圖見(jiàn)圖2。車(chē)體典型截面網(wǎng)格圖見(jiàn)圖3～圖8。端墻因位置特殊，故采用三維部件法計(jì)算（見(jiàn)圖9）。MC車(chē)各典型截面的權(quán)重系數(shù)及網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)表1。其中，有窗截面、有門(mén)截面、無(wú)門(mén)無(wú)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(chē)門(mén)、端墻、側(cè)墻、頂板、底板6個(gè)典型部件。車(chē)體典型部件網(wǎng)格圖見(jiàn)圖9～圖14。MC車(chē)各典型部件的權(quán)重系數(shù)及網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)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(chē)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(chē)門(mén)網(wǎng)格圖

圖11　車(chē)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(jì)算各截面參數(shù)

表2　三維部件法模擬計(jì)算各部件參數(shù)

4.2計(jì)算模型的設(shè)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(chē)內(nèi)空氣流動(dòng)為重力起作用的有限空間自然對(duì)流，故采用Boussinesq假設(shè)進(jìn)行計(jì)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(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料屬性見(jiàn)表3。

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

式中：

Al——單位長(zhǎng)度方向上車(chē)體內(nèi)表面面積；

表3　車(chē)體材料物性參數(shù)表

Ae——單位長(zhǎng)度方向上車(chē)體外表面面積。

假設(shè)K為2.0 W/（m2·K），則根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求車(chē)內(nèi)外環(huán)境溫差應(yīng)為（25±1）℃。本模型選取溫差為25℃，計(jì)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(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括車(chē)體框架、風(fēng)道、保溫層、底板等，均應(yīng)按照各部分所屬材料的物性參數(shù)進(jìn)行定義。

4.3模擬結(jié)果與對(duì)比

利用CFD軟件模擬計(jì)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(jiàn)圖15～圖26，傳熱系數(shù)見(jiàn)表4和表5。結(jié)合表1、表2進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)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(duì)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(chē)門(mén)溫度云圖

圖23　車(chē)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(jì)算結(jié)果

表5　三維部件法模擬計(jì)算結(jié)果

從二維截面法的計(jì)算（見(jiàn)表1、表4）中可見(jiàn)，由于D截面有窗，且E截面有門(mén)，對(duì)整車(chē)的車(chē)體傳熱系數(shù)有很大影響，故可通過(guò)改善D、E兩個(gè)截面的傳熱系數(shù)來(lái)有效降低整車(chē)的車(chē)體傳熱系數(shù)。又由于車(chē)體每個(gè)截面包含的車(chē)體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如D截面包含頂板、側(cè)墻、玻璃窗及底板等車(chē)體結(jié)構(gòu)，故無(wú)法準(zhǔn)確的判斷提高哪一車(chē)體結(jié)構(gòu)的隔熱性能，若要全部提高則會(huì)大幅度增加成本。根據(jù)三維部件法計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2、表5），MC車(chē)底板、玻璃窗、車(chē)門(mén)的K值對(duì)整車(chē)的車(chē)體K值起決定作用，且三個(gè)部件的K值均大于整車(chē)平均K值。因而設(shè)計(jì)人員可重點(diǎn)優(yōu)化這三個(gè)部件，改善其傳熱性能，從而以較低的成本達(dá)到降低整車(chē)車(chē)體K值的目的。

5　結(jié)論

文獻(xiàn)［8］采用二維截面法進(jìn)行車(chē)體傳熱系數(shù)計(jì)算，并與列車(chē)試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，得到了二維截面法能夠準(zhǔn)確、可靠模擬計(jì)算車(chē)體傳熱系數(shù)的結(jié)論。本文對(duì)二維截面法和三維部件法進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到的車(chē)體傳熱系數(shù)相對(duì)誤差僅為2.5%。因此，在目前無(wú)法完美實(shí)現(xiàn)整車(chē)車(chē)體K值模擬計(jì)算的情況下，三維部件法可滿(mǎn)足工程計(jì)要求。與二維截面法相比，三維部件法具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）二維截面法模型的處理相對(duì)簡(jiǎn)化較多，三維部件法模型更貼近列車(chē)原型，可以在列車(chē)三維設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上快速建模，節(jié)省時(shí)間。

（2）使用三維部件法計(jì)算車(chē)體傳熱系數(shù)，可以準(zhǔn)確得到每個(gè)部件的K值，反映車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為車(chē)輛圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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）