翻译基于数值模拟的高速列车设备舱温度场分析.docx

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翻译基于数值模拟的高速列车设备舱温度场分析

第九届国际供热、通风和空调（ishvac）和第三次建筑能源与环境国际会议（协办）

基于数值模拟的高速列车设备舱温度场分析

摘要

为了研究某高速铁路列车车厢内的通风性能，本文采用计算流体力学方法，对以250公里/秒行驶的列车在开放空间内的室内和室外空间的空气流场和温度场进行模拟计算。

发热电设备的最大平均表面温度为56.5ºC.这项研究的结果对设备配置、对通风格栅的设计、对高速铁路列车设备舱风机的选择提供了建议。

关键词：

高速列车；设备舱；数值模拟；温度场

命名

ρ密度t时间ΓΦ扩散系数的变化函数Φu速度矢量SΦ源项Φ

1简介

随着我国高速铁路的快速发展，列车的速度越来越高。

因此，安全性和稳定性问题得到了更多的关注。

火车的速度更快意味着要求更强大的牵引驱动装置，和更适合的热力系统设计。

高速铁路列车的设备舱中包含有牵引变流器、牵引变压器等的发热装置。

在火车行驶期间，这些设备会产生大量的热量。

如果热量不能及时散失，会导致设备过热，并进一步影响列车的正常运行，甚至导致事故停。

一般的高速列车设备舱采用半封闭式模块化设计，通过安装一些通风格栅在船舱外壳诱导气流通风而防止雨滴和灰尘进入机舱的内部空间。

不锈钢过滤网固定在格栅提高过滤效率。

小型和半封闭的机舱空间对那些在火车车厢地板下的高性能元件的冷却是一个巨大的挑战。

因此对设备舱内冷却的研究是非常重要的。

目前，对机舱设备的热管理的研究主要集中在静态条件下进行。

因此，在列车运行过程中，总通风率和实际制冷效果都需要一个认真仔细的评价。

本文利用CRH3A训练舱的空气速度场和温度场的分析其冷却性能的演示了计算流体力学在通风分析中的应用。

这个结果是有用的，它使客舱的设计布局更合理。

2研究方法

采用计算流体力学方法分析流场。

采用雷诺平均N-S方程求解，湍流现象采用Realizablek-ε模型建模

当Φ等于1，UI，和H，方程

（1）表示的质量、动量、能量守恒，分别为数值格式，压力速度耦合的简单方法。

方程

（1）中的对流项和扩散项采用二阶迎风和二阶中心差分法进行离散，并通过模型对地表辐射进行考虑

2.1。

外部空气流场

在本研究中，选取的CRH3A火车的长度是200米，见图1。

对列车几何模型进行合理的简化而不影响计算结果的整体精度。

受电弓、转向架、挡风玻璃等结构对流场影响不大。

一些比较实验和数值结果表明，采用这样的列车几何简化，差异是很小的。

CRH3A型高速列车可分为8个或4个类型。

从前到后，他们被称为MC,TP,M,T,T,M,TP,andMC.

我们知道，由于列车的空气动力学特性，在机车前部火车外表面以外的区域形成负压区。

外部气流和压力特征对机舱通风率起着重要作用。

因此，在模拟冷却效果时，必须建立一个包含整个列车的大区域。

以火车为中心建立一个长400米直径40米的半圆柱形计算域见图1。

机车离域入口50米，车尾150米以外是出口。

（一）列车几何模型

（二）计算区域

图1。

整个CRH3A列车几何模型和计算域

由于舱内设备和格栅的特征尺度是0.1米，这样把计算域分为0.1m*0.1m的网格,总共约2.5×10^8网格数。

目前的计算资源负担不起这个。

在建模精度和计算工作量之间的平衡下，我们提出了一个分步法。

首先，我们在对火车外部流场建模时认为设备舱是完全封闭的从而得到火车周围的速度和压力分布场。

然后对于在车厢内和设备舱外的气流，只有整体区域的一个部分被认为是，称为“小域”。

气流模拟的整个列车的入口和出口处的压力分布，见图2。

图2。

在第一步的整体计算域和第二步的小区域对于整体计算域。

对于整体的计算域，列车表面无滑移剪切条件下，空气的入口速度等于火车的速度，即250公里/小时，出口处压力等于水平大气压力。

为模拟夏天设备冷却最不利季节，环境温度是45ºC。

2.2。

设备舱内流场计算

鉴于本文的有限空间，我们一个例子说明。

它包括辅助变流器、充电器、电池、制动器、组合电源、组合汽车电源等设备。

主要的发电设备是辅助变流器、充电器、电池和组合汽车电源，其模型和布局如图3所示。

红色箭头指示外部空气流的方向。

采用结构化的六面体网格和非结构四面体网格相结合的方法。

这里的网格总数是890万。

图3。

网格内的设备舱及网格

主要发热设备表面的放热量在表1中列出。

通风格栅是模拟多孔介质。

我们先测试格栅的流动阻力特性，然后利用在CFD软件定义多孔介质的二次方程修正结果。

辅助变流器和双变压器都有各自的冷却风扇。

变流器的冷却风机的额定风量为1200立方米/小时，由风机制造厂提供的风机特性曲线，导出了风机压头与风量的关系。

表1主要发热装置的热通量

3.讨论

3.1空气流场

热（W）

热通量（瓦/平方米）

辅助变流器

3000

244.58

充电器

600

73.08

电池

1000

94.31

车载电源

1500

274.07

当列车在高速行驶时，列车引起的风将通过格栅导致设备舱的自然通风强化，这是冷却高速铁路列车的设备的最有效并且低成本的方法来。

图4显示了内部速度向量。

外部气流的方向是从左至右。

空气通过前格栅进入设备舱，流经机舱内部空间后，空气流通过后格栅的同时带走热量。

在平行于客舱外壳的区域内有一个非常高的速度（约31米/秒）的气流，空气会从中间格栅进入，通过相邻的格栅离开，这就形成了某种“短路”。

图4隔室隔室（横截面0.2米、垂直方向0.2米、垂直中心段）的空气流动模式

这样空气不经过发热设备而扫过设备舱，带走热量。

这是因为底挡板使机舱后部的空气，形成涡流。

涡流将以另一方式通过整个设备舱。

它先通过内部冷却装置，然后通过辅助变频器的风扇排出，和总风量相比这部分的风量是很小的。

所以设备舱内的空气的速度较小，平均速度为4.5米/秒，这降低了散热效果。

3.2设备舱内的温度场

图5表示了在矩阵内的设备舱截面温度分布。

平均温度是46.3ºc，在内部空气流动的情况下，由于气温的前部较高后部较低使得这种温度分布不利于前端设备的散热。

图5舱底0.2米以上横断面的温度场和速度场的分布图

MC室的主要散热设备是辅助变流器、充电器、电池和汽车电源。

具体的设备表面温度分布见表2和图6。

其中，温度最高的设备是汽车电源，其表面的平均温度是56.5ºC，表面最高温度为61.5ºC.根据模拟的结果，我们知道的上部气流平均流速为2.8米/秒，平均温度是47.3ºC，周围的气流平均速度为3.4米/秒，平均气温约46.6ºC.因此，辅助变流器上表面的散热效果不好是由于其上部空气扰动程度低于周围空气，而上部的空气来自设备舱的后部，在那里有温度较高散热不好。

表2热发电装置的表面温度

平均温度（℃）

最高温度（℃）

辅助变频器

54.6

60.8

充电器

48.4

50.0

电池

49.0

50.4

车载电源

56.5

61.5

辅助变流器

充电器

电池

车载电源

图6四种热设备的表面温度分布

根据仿真结果，我们可以看到，设备舱室内通风降温效果整体上是好的，但是局部表面温度略高。

这是因为设备舱中大部分的空气在前面和后面都有短路现象，这使得通过热发电设备的空气流量较小，不能及时排出热空气，不能降低设备温度。

针对这一的现象，我们可以在格栅上增加导向叶片，以改善设备舱内气流，允许更多的冷空气通过设备表面，并及时排出高温空气，以完善热发电设备的冷却效果。

3.3。

通过格栅的通风率

设备舱的两侧（图7）有14个格栅。

每格栅的通风量在表3中显示。

+标志表示设备舱的入口空气，而-标志则表示出风口的空气。

进气是通过前格栅而放气是通过后格栅以及部分通过变流器下的风机。

图7安装在机舱外壳的通风格栅示意图

表3通过格栅的空气流量

格栅

GS1

GS2

GS3

GS4

GS5

GS6

GS7

空气流量（立方米/小时）

666

512

448

-74

204

-47

-1235

格栅

GS1A

GS2A

GS3A

GS4A

GS5A

GS6A

GS7A

MC的车厢内是牵引变频器的冷却风机。

它的实际送风量是1042立方米/小时，而而额定送风量是1200立方米/小时。

相比额定送风量实际送风量要小13.2%。

因此，在选择和设计冷却装置的风机时我们需要考虑的实际工作状态下的送风量递减，从而满足冷却要求。

4结论

在本文中，我们探讨了通风性能和高速列车在CRH3A的MC室设备舱的冷却效果，当行驶在250公里/小时的夏天，得出以下结论。

（1）室外冷空气通过前格栅进入机舱，然后沿内壳，最后通过后格栅去外面。

相比之下，在中间气流从下游向上游（在视图中的列车行驶方向）。

它类似于双圈的气流，不利于在双向模式运行下的列车客舱两端的设备冷却，。

（2）对设备温度而言，车辆电源具有最高的平均表面温度和局部温度，即56.5C和61.5C。

（3）在列车以250公里每小时运行情况下，辅助变频器的冷却风机的实际流量比额定流量下降了13.2%，这意味着我们需要考虑在实际工作状态下考虑这样的递减，以确保安全的设备温度。