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(fù)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(xué)計(jì)算方法根據(jù)車壁材料的厚度、導(dǎo)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(jìn)行傳熱計(jì)算，忽略了不同結(jié)構(gòu)對于K 值的影響。近年來采用計(jì)算流體力學(xué)軟件（CFD）計(jì)算K 值得到了較多應(yīng)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(yàn)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(jìn)行了對比。伍釩等[3]對某地鐵列車車體側(cè)墻采用二維、二維拉伸及三維三種計(jì)算方法進(jìn)行了對比分析。隨著軌道車輛的發(fā)展，車體結(jié)構(gòu)及防寒材料變化復(fù)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分典型區(qū)域的方法進(jìn)行仿真分析，并依據(jù)TB/T1674-93《鐵道客車隔熱性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)測試[4]。

1 CFD 仿真分析

1.1 計(jì)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(shè)定為35℃，Tem設(shè)定為10℃。式（1）還可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為組成車輛各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K 值的表達(dá)形式，如式（3）：

因此，通過求出各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的K 值ki，按面積加權(quán)，即可求得車輛的K 值。對于某個圍護(hù)結(jié)構(gòu)，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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的對流換熱熱阻R3；②圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱阻R2；③車外空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)外壁的對流換熱熱阻R1。

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

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱過程

將車輛劃分為4 個區(qū)域：車頂A、側(cè)墻B、底架C、端墻D。根據(jù)各區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其進(jìn)一步劃分為多個典型結(jié)構(gòu)。車頂A劃分為8 個典型結(jié)構(gòu)：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(cè)墻B 劃分為5 個典型結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)：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(jì)算模型，求解得到各典型結(jié)構(gòu)的表面熱流密度，計(jì)算各典型結(jié)構(gòu)的K 值ki，進(jìn)而得到車輛的K 值。

1.2 計(jì)算結(jié)果

車頂A 各典型結(jié)構(gòu)的溫度云圖如圖2 所示，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 車頂區(qū)域K 值計(jì)算結(jié)果

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

表2 整車K 值計(jì)算結(jié)果

2 整車隔熱性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)TB/T1674-93 在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行隔熱試驗(yàn)，車內(nèi)共計(jì)布置30 個溫度測點(diǎn)用于計(jì)算車內(nèi)平均溫度，車外共計(jì)布置28 個溫度測點(diǎn)用于計(jì)算車外平均溫度，測點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖3 溫度測點(diǎn)布置圖

車內(nèi)使用布置均勻的電加熱器和小功率電風(fēng)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(diǎn)溫度差均小于3K。每30min 記錄一次各溫度傳感器及電功率計(jì)的數(shù)據(jù)，取連續(xù)8組有效數(shù)據(jù)用于計(jì)算。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，整車K 值試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。整車K值試驗(yàn)結(jié)果為1.157W/(m2·K)。

圖4 整車K 值試驗(yàn)結(jié)果

表3 整車K 值測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

CFD 仿真分析方法計(jì)算K 值與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果誤差為6.2%，模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確。仿真計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)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(xì)小金屬結(jié)構(gòu)。本文仿真分析方法與二維截面法相比，能夠更（轉(zhuǎn)下頁）加精細(xì)地模擬車輛局部結(jié)構(gòu)，因而計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確；與三維算法結(jié)果準(zhǔn)確度基本相當(dāng)，但比三維算法占用更少的建模時間和計(jì)算資源。

本文采用根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分典型區(qū)域的方法進(jìn)行仿真分析，該方法適用于所有類型的軌道車輛，可以準(zhǔn)確得到車輛局部結(jié)構(gòu)的K 值，反映車輛各區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為車輛防寒布置優(yōu)化設(shè)計(jì)及空調(diào)冷熱負(fù)荷核算提供參考。