基于數(shù)值模擬計(jì)算的A型動(dòng)車(chē)組圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)優(yōu)化計(jì)算*

曹先偉 王常宇 夏春晶

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春//第一作者，工程師）

基于數(shù)值模擬計(jì)算的A型動(dòng)車(chē)組圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)優(yōu)化計(jì)算*

曹先偉 王常宇 夏春晶

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春//第一作者，工程師）

運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)A型動(dòng)車(chē)組各典型斷面進(jìn)行傳熱分析，并計(jì)算了車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)及各斷面的權(quán)重。由計(jì)算結(jié)果可知，空調(diào)車(chē)廂有窗斷面的權(quán)重傳熱系數(shù)最大，空調(diào)車(chē)廂有門(mén)斷面及受電弓處有門(mén)斷面的權(quán)重傳熱系數(shù)較大。分析了權(quán)重傳熱系數(shù)大的原因，提出采用熱導(dǎo)率較小的玻璃、并適當(dāng)增大雙層玻璃中空氣層厚度等措施來(lái)提高窗戶(hù)處的保溫性，提出車(chē)門(mén)框架采用熱導(dǎo)率更小的材料來(lái)改善車(chē)門(mén)處的保溫性，并提出增大受電弓處的車(chē)廂頂部保溫層厚度來(lái)增強(qiáng)保溫效果。

A型動(dòng)車(chē)組；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；傳熱系數(shù)；數(shù)值模擬計(jì)算

TK123∶U266.2

高速列車(chē)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能?chē)?yán)重影響著客室內(nèi)空調(diào)的冷熱負(fù)荷及熱舒適性。如何提高高速列車(chē)隔熱性能、降低空調(diào)能耗、提高熱舒適性已成為當(dāng)前高速列車(chē)空調(diào)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

為滿(mǎn)足功能、美觀及軸重等各方面的要求，車(chē)體在不同位置采用了不同的材料。這給車(chē)體的隔熱性能帶來(lái)一定的影響。冷橋是由于某種材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其周?chē)牧系臒釋?dǎo)率而產(chǎn)生的。列車(chē)容易產(chǎn)生冷橋的部位往往是存在螺栓、螺釘、防寒釘、門(mén)窗及其固定件和貫通道金屬結(jié)構(gòu)等部位［1］。冷橋不僅增加了車(chē)體局部傳熱量，還惡化了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度環(huán)境。冷橋處在冬季易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象［2］，當(dāng)水蒸氣凝結(jié)情況嚴(yán)重時(shí)，凝結(jié)水還會(huì)滲入到隔熱材料中，使其隔熱效果變差，降低整個(gè)車(chē)體的保溫性，降低列車(chē)隔熱層的平均熱阻。傳熱在濕工況下進(jìn)行，也會(huì)影響車(chē)廂內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生［3］。

車(chē)體傳熱系數(shù)K是客室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的主要依據(jù)。在設(shè)計(jì)階段得到動(dòng)車(chē)組隔熱壁的K，可為準(zhǔn)確計(jì)算動(dòng)車(chē)組客室內(nèi)冷熱負(fù)荷及列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)，也可為進(jìn)一步優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的列車(chē)外圍護(hù)K值主要依靠試驗(yàn)測(cè)定和理論計(jì)算來(lái)獲取。采用試驗(yàn)測(cè)定的手段測(cè)量列車(chē)K值，只能在整車(chē)制造完成之后進(jìn)行，無(wú)法在設(shè)計(jì)初期對(duì)列車(chē)隔熱層的性能作出準(zhǔn)確的判斷，具有一定的局限性；理論計(jì)算通常將列車(chē)隔熱層按照一維模型加以簡(jiǎn)化，忽略了冷橋及不同車(chē)體結(jié)構(gòu)對(duì)其隔熱效果的影響，只能作為粗略估算，無(wú)法得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果［4］。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD數(shù)值計(jì)算方法被越來(lái)越多地應(yīng)用到了熱工和流體特性等問(wèn)題的分析中。關(guān)于冷橋計(jì)算的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中指出，判斷冷橋處額外的熱量損失，以及該部位是否有結(jié)露的可能，需要借助于模擬結(jié)果對(duì)該部位進(jìn)行分析［5-6］。采用數(shù)值模擬的方法，不僅可以在設(shè)計(jì)初期準(zhǔn)確計(jì)算出列車(chē)K值，還可以直觀地分析引起熱阻下降的具體原因，方便設(shè)計(jì)者有針對(duì)性地加以?xún)?yōu)化，降低列車(chē)?yán)錈嶝?fù)荷，提高維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效果［7］。

本文以A型動(dòng)車(chē)組的Mc車(chē)（帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē)）及Tp車(chē)（帶受電弓的拖車(chē)）為例，通過(guò)數(shù)值分析的方法，對(duì)車(chē)體K值進(jìn)行精確計(jì)算。

1 車(chē)體主要材料的物理參數(shù)及熱工性能計(jì)算方法

1.1 車(chē)體主要材料的物理參數(shù)

A型動(dòng)車(chē)組列車(chē)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱層由多種材料組成，并嵌有螺栓、螺釘?shù)冉饘俳Y(jié)構(gòu)。不同材料的結(jié)構(gòu)及物理參數(shù)將直接影響K值。本文研究的A型動(dòng)車(chē)組車(chē)體主要組成材料的物理參數(shù)如表1所示。

表1 A型動(dòng)車(chē)組車(chē)體材料物理參數(shù)

1.2 熱工性能計(jì)算方法

目前，車(chē)體K主要有三種計(jì)算方法。第一種是熱工試驗(yàn)法，即按照TB/T 1674《鐵道客車(chē)隔熱性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法進(jìn)行鐵道車(chē)輛隔熱壁K試驗(yàn)測(cè)定。第二種是傳統(tǒng)傳熱計(jì)算方法：先分析車(chē)體內(nèi)部導(dǎo)熱和邊界上的對(duì)流和輻射換熱的特點(diǎn)，進(jìn)行傳熱計(jì)算，然后求解出車(chē)體的K。第三種是CFD（流體力學(xué)）數(shù)值模擬計(jì)算方法，隨著科技的快速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬法被越來(lái)越多地應(yīng)用到傳熱分析中。

使用CFD方法模擬流動(dòng)問(wèn)題需求解流動(dòng)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程。由于實(shí)際的流動(dòng)情況多為湍流流動(dòng)，所以需采用湍流模型來(lái)封閉雷諾時(shí)均的Navier-Stocks方程。本模擬計(jì)算采用Realizable k-ε模型。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，該模型不僅精度可靠，而且在工程應(yīng)用中具有良好的準(zhǔn)確性。

Realizable k-ε模型的控制方程為：

式中：

ρ——流體密度；

t——時(shí)間；

U——速度矢量；

φ——方程屬性變量；當(dāng)φ取不同值時(shí)，式(1)可分別表示質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程；

Гφ——φ的擴(kuò)散系數(shù)；

Sφ——φ的源項(xiàng)。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 典型斷面模擬計(jì)算結(jié)果

A型動(dòng)車(chē)組車(chē)體K的CFD模擬計(jì)算是一個(gè)三維傳熱問(wèn)題。為了提高計(jì)算精度，將整個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)按照典型斷面分類(lèi)，并簡(jiǎn)化成若干二維結(jié)構(gòu)。通過(guò)CFD模擬計(jì)算得到所有典型斷面的K后，再根據(jù)每個(gè)典型斷面在車(chē)長(zhǎng)方向的加權(quán)平均長(zhǎng)度，得到整車(chē)的車(chē)體K。這樣即可在允許的范圍內(nèi)，保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

本次計(jì)算中A型動(dòng)車(chē)組的車(chē)體被分為9個(gè)典型斷面，分別為：司機(jī)室無(wú)窗（A）斷面、司機(jī)室有窗（B）斷面、空調(diào)車(chē)廂有門(mén)（C）斷面、空調(diào)車(chē)廂無(wú)門(mén)無(wú)窗（D）斷面、空調(diào)車(chē)廂有窗（E）斷面、受電弓下無(wú)門(mén)無(wú)窗（G）斷面、受電弓下有窗（H）斷面、受電弓下有門(mén)（I）斷面、端墻部分（F）斷面。經(jīng)模擬計(jì)算，B斷面的模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 B斷面的模擬計(jì)算結(jié)果

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

A型動(dòng)車(chē)組的典型車(chē)廂為Mc車(chē)和Tp車(chē)，其典型斷面劃分情況分別如圖1和圖2所示。根據(jù)不同的典型斷面所占面積計(jì)算出不同典型斷面在K值計(jì)算中所占的權(quán)重大小，如圖3所示。根據(jù)各斷面在車(chē)長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度權(quán)重，可計(jì)算出各斷面的權(quán)重K。最后可算得 Mc車(chē)的 K 是 1.000 6 W/（m2·K），Tp 車(chē)的 K 為 0.948 6 W/（m2·K）。

圖1 A型動(dòng)車(chē)組Mc車(chē)典型斷面的選取

圖2 A型動(dòng)車(chē)組Tp車(chē)典型斷面的選取

圖3 各典型斷面占車(chē)廂表面積權(quán)重

各個(gè)典型斷面的K計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出，K最大的幾個(gè)斷面分別為B斷面、C斷面、I斷面和E斷面。其中K最大的位置為B斷面，其K達(dá)1.28 W/（m2·K）。K較大的典型斷面均位于有門(mén)或有窗的位置，這些位置由于結(jié)構(gòu)有所改變，會(huì)存在更多的金屬部件，形成冷橋，減弱保溫效果；另一方面，門(mén)和窗體的材料K較大，一定程度上也將使得該界面整體K增大，不利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫。

圖4 典型斷面K的柱狀圖

權(quán)重K值等于斷面的K值與此斷面所占比例的乘積，圖5和圖6即為Mc車(chē)廂和Tp車(chē)廂各個(gè)典型斷面權(quán)重K值所占的比例分布情況?？梢?jiàn)，用斷面法計(jì)算A型動(dòng)車(chē)組，可得E斷面和D斷面的權(quán)重值K最大，對(duì)列車(chē)整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)K有著較大的影響。這主要是由于這二者權(quán)重在所有計(jì)算典型斷面中最大，同時(shí)E斷面的斷面K在所有典型斷面中也相對(duì)較高，在兩類(lèi)車(chē)廂中權(quán)重值K的最大值均出現(xiàn)在該處，幾乎占據(jù)整車(chē)的一半。在改進(jìn)車(chē)體K時(shí)應(yīng)首先考慮E斷面和D斷面處的優(yōu)化方案。

而B(niǎo)斷面、C斷面、I斷面等3個(gè)的斷面雖K較大，但由于其在整車(chē)表面積中所占的權(quán)重值較小，均不超過(guò)10%，故對(duì)整體的影響不明顯。

圖5 A型動(dòng)車(chē)組Mc車(chē)各斷面權(quán)重K值所占比例圖

圖6 A型動(dòng)車(chē)組Tp車(chē)各斷面權(quán)重K值所占比例圖

2.3 車(chē)體改進(jìn)措施

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，E斷面所占權(quán)重比例最大，這是影響A型動(dòng)車(chē)組K值大小的主要因素?？紤]到對(duì)整體K值的作用效果，應(yīng)對(duì)權(quán)重較大的部位加以?xún)?yōu)化，而非K最大的斷面位置。玻璃的熱導(dǎo)率為1.4 W/（m·K），而空氣的熱導(dǎo)率為 0.024 2 W/（m·K）。因此，可適當(dāng)增大雙層玻璃中空氣層的厚度，同時(shí)采用熱導(dǎo)率較小的玻璃，從而降低窗戶(hù)的K值。

此外C斷面和I斷面的K值也較大。這是因?yàn)樵谲?chē)門(mén)內(nèi)側(cè)沒(méi)有保溫層；而且門(mén)使用了鋁架（鋁合金的熱導(dǎo)率高達(dá)202.4 W/（m·K）），鋁架中的填充材料雖然具有很好的隔熱性能，但由于其厚度較小，故保溫作用不明顯。因此，建議車(chē)門(mén)框架采用熱導(dǎo)率更小的材料。I斷面的K較大，除了因?yàn)殚T(mén)的保溫作用差外，其受電弓處的車(chē)廂頂部也比較薄，因此建議受電弓處的車(chē)廂頂部增大保溫層厚度。

3 結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值計(jì)算的方法，計(jì)算A型動(dòng)車(chē)組圍護(hù)結(jié)構(gòu)的K，比較了Mc車(chē)廂及Tp車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)各典型斷面權(quán)重K值的大小，并分析了車(chē)廂K值變大的主要原因。得到如下結(jié)論：

（1）考慮到A型動(dòng)車(chē)組不同位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)的差異，以及保溫層內(nèi)金屬部件處冷橋的存在，采用典型斷面加權(quán)平均的計(jì)算方法計(jì)算車(chē)廂維護(hù)結(jié)構(gòu)整體K值，較傳統(tǒng)傳熱學(xué)計(jì)算方法精度有所提高。兩節(jié)車(chē)廂的值分別為 1.000 6 W/（m2·K） 和 0.948 6 W/（m2·K），符合設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)于Mc、Tp車(chē)廂，E斷面的權(quán)重K值最大，該處保溫性能對(duì)整車(chē)的影響最為明顯。優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能時(shí)，需首先考慮降低E斷面處K值，可適當(dāng)增大雙層玻璃中空氣層的厚度，同時(shí)采用熱導(dǎo)率較小的玻璃，從而降低窗戶(hù)的K值。

［1］ 吳俊云，王剛，劉訓(xùn)海，等.空調(diào)客車(chē)廂體結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值分析［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（4）：287.

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

［3］ 趙立華.建筑冷橋分析［D］.哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué)，1996.

［4］ 王潤(rùn)泉.車(chē)體隔熱壁傳熱系數(shù)計(jì)算的新方法及其簡(jiǎn)化計(jì)算［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1988，12（2）：11.

［5 ］ ISO.Building comportments and building elements-Thermalresistance and thermal transmittance-Calculation method：ISO 6946/2—2007（E）［S］.Geneva：ISO，2007.

［6］ 杜玉峰.客車(chē)車(chē)體隔熱壁熱工性能研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［7］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵道客車(chē)隔熱性能試驗(yàn)方法：TB/T 1674—1993［S］.北京：鐵道部四方車(chē)輛研究所，1994.

K-value Optimization Calculation of Type A High-speed Train Based on Numerical Simulation

CAO Xianwei，WANG Changyu，XIA Chunjing

Numerical simulation is used to analyze the heat transfer for Type A high-speed train and typical sections，the heat transfer coefficient of the train envelope structure and the weight average of each section are also calculated.The reasons of larger heat transfer coefficient for section weight are analyzed，new measures like the use of low thermal conductivity glass and good materials，increasing the thickness of top layer thermal insulation are proposed to improve the heat preservation for train windows，doors and the passenger compartment.

Type A high-speed train;envelope structure；heat transfer coefficient；numerical simulation calculation

Author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，130062，Changchun，China

10.16037/j.1007-869x.2017.12.008

*“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAG24B02-04）

2016-03-24）