新型动车组车下设备舱的散热性能研究

田占伟 田庆涛

摘 要：本文对新型时速250km动车组车下设备舱的内流场和温度场进行了数值建模，对其通风散热性能进行了分析，并以牵引动车为例，研究在高温区域的设备上增加合理的通风装置，能够有效提升设备舱通风的散热性能。

关键词：城际动车组；设备舱；通风散热

0 引言

随着我国高速动车组的迅速发展，城际动车组的研制也越来越受到关注。城际动车组以其行程短、短距离内提速快的特点，对设备的性能和可靠性要求也越来越高，特别是车下设备舱内的牵引变流器、牵引变压器等大功率设备对列车的提速和安全起到关键的作用。

250km城际动车组采用动力集中式的设计理念，牵引部件采用将牵引变流器、辅助变流器以及冷却装置集于一体的动力包结构。由于250km城际动车组采用密封等级高的设备舱结构，加之功率单元装置体积大的特点，导致设备舱空间相对封闭且狭小。功率单元为大功率发热元件，极易引起设备舱内温度过高。研究表明：高温是电子设备损坏的主要原因；温度过高容易导致设备的性能和稳定性降低。因此，开展对高速列车设备舱通风散热性能的研究是非常必要的。

本文采用Ansys数值模拟软件，结合设备舱内的流动特性对设备舱整体的通风散热性能进行分析研究，并对未施加通风装置的设备舱原结构和加装通风装置的优化结构的通风散热性能进行对比分析。

1 原结构数值建模

以250km城际动车组车下布置动力包设备的车型（代号：MC车）为例进行研究分析：

1.1 数学模型

列车附近的流场可近似处理为三维粘性非定常不可压缩流场，湍流模型采用标准k-ε两方程模型，其控制方程的输运方程形式为：

其中t为时间；ρ为空气密度；u=（u，v，w）为流场速度矢量；ut=（ut，0，0）为列车运动速度矢量；φ为流场通量；S为源项；Γ为扩散系数。

能量守恒方程包含热交换流动系统必须满足的基本定律，表述为微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。由此可得，以温度T为变量的能量守恒方程，其矢量形式为：

式中CP为比热容，T为温度，λ为流体导热系数，ST为粘性耗散项，即流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

1.2 计算区域、边界条件

图1为明线运行时的计算区域与边界条件，计算区域的长、宽、高分别为505m、60m、60m，其中头车鼻尖距离入口150m，尾车鼻尖距离出口200m，其中A为速度入口，B为压力出口，F为移动地面，C、D、E为对称面。

1.3 网格划分

对动车组车体进行非结构化网格划分。在划分网格时，对设备舱格栅、舱内设备、支架等细部结构进行网格加密，其中车体表面网格最大尺寸为80mm，格栅最大网格尺寸为3mm，设备最大网格尺寸为20mm。整个计算区域均采用非结构化网格划分，共划分为8600万四面体网格。

2 设备舱设计结构分析

2.1 流场分析

动车组列车以速度250km/h上行运行时，上行运行由裙板格栅通风口进入设备舱内部的空气量多于下行运行，牵引动车流场分析如图2所示。设备舱中空气由二位端格栅通风口流入，其中大部分进入动力包散热器，动力包散热器排出的空气一部分流入设备舱内，一部分由底部出风口流出，设备舱内的空气大部分由一位端格栅通风口流出。

2.2 温度场分析

对设备舱内的温度场分布进行分析，分别取动力包下部、中部和上部4个截面进行温度分析，分别为Y=0.3m、Y=0.6m、Y=0.8m 、Y=1.1m。

通过对图3设备舱截面温度分布云图的分析可知，设备舱内温度主要受动力包散热器排风影响，温度相对较高，不利于设备的保养和正常运行。

3 对设备舱的结构进行优化设计

3.1 原结构分析

针对以上分析，温度高的区域主要集中在动力包设备周围，动力包设备本身出风口的设计采用通风格栅结构。动力包的发热量通过设备本身的冷却风机将热流通风出风口处排出，根据设备舱内的负压作用，大部分热流会通过车体底板上的开孔流出设备舱外部，但也会有一小部分热流积聚在设备舱内，在列车长时间运行条件下对设备本身造成热损伤。

3.2 结构改进设计

为了有效地将设备风机出口处的热流全部转到车体外，考虑在动力包冷却风机出口处增加导风装置，导风装置上部与设备通过螺栓连接，下部与车体舱底板通过加厚海绵形成接触性软连接，避免车体舱底板振动对设备产生的影响

4 优化结构数值建模与结果分析

4.1 流场分析

对施加导风装置改进后的结构进行建模分析，分析方法采用与原结构相同的方法得出结果，如图4所示。

4.2 温度场分析

对施加导风装置的改进后结构进行建模分析，分析方法采用与原结构相同方法得出结果，如图5所示。

5 结论

对于车体底架设备舱内发热量大的设备，通过增设导风装置，及时有效地将部件的热流导出至车体舱外，能够有效改善设备舱内流动、提升设备舱的通风散热性能。

参考文献

[1]徐连萍.基于光纤光栅传感技术的高速动车组设备舱温度测试研究[J].中国铁路，2013，（9）：54-57.

（作者单位：中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心）