于会龙 王 建 王云霄 王常宇

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130000）

轨道车辆的传热系数（K 值）代表着车辆整体的隔热性能，是空调冷热负荷核算的必要参数，对于空调能耗及车内温度场舒适性等有着重要影响。传统的传热学计算方法根据车壁材料的厚度、导热系数及车体内外表面和空气间的对流换热系数，进行传热计算，忽略了不同结构对于K 值的影响。近年来采用计算流体力学软件（CFD）计算K 值得到了较多应用。徐峻等[1]选取某高速列车的4 个典型截面，采用CFD 方法模拟高速列车K 值的试验工况。宋纯等[2]对某高速列车采用二维截面法和三维部件法进行了对比。伍钒等[3]对某地铁列车车体侧墙采用二维、二维拉伸及三维三种计算方法进行了对比分析。随着轨道车辆的发展，车体结构及防寒材料变化复杂，不同的CFD 仿真方法有着各自的适用性。本文以某铁路客车为研究对象，采用根据结构特点划分典型区域的方法进行仿真分析，并依据TB/T1674-93《铁道客车隔热性能试验方法》进行试验测试[4]。

1 CFD 仿真分析

1.1 计算方法

根据TB/T 1674-93，车辆的传热系数（K 值）由式（1）确定：

其中P 为车内热功率，A 为车体传热面积，Tim和Tem分别为车内外的平均温度。本次仿真中Tim设定为35℃，Tem设定为10℃。式（1）还可转换为式（2）：

其中q 为车辆表面的热流密度。车辆的K 值可以转换为组成车辆各围护结构传热系数K 值的表达形式，如式（3）：

因此，通过求出各围护结构的K 值ki，按面积加权，即可求得车辆的K 值。对于某个围护结构，图1 给出了热量传递的过程。热量自温度较高的车内空气通过围护结构传递至温度较低的车外空气，上述传递过程中存在三个串联的热阻：①车内空气和围护结构内壁的对流换热热阻R3；②围护结构的导热热阻R2；③车外空气和围护结构外壁的对流换热热阻R1。

轨道车辆的围护结构自车辆外表面起至客室内装板止，结构非常复杂。上述范围内的任何结构任何材料都会参与热量传递，但对整车的K 值贡献量不同。经过简化后，对于图1 中的R2：只考虑围护结构的金属、空腔、防寒材料和内装板四部分。

图1 围护结构传热过程

将车辆划分为4 个区域：车顶A、侧墙B、底架C、端墙D。根据各区域结构特点，将其进一步划分为多个典型结构。车顶A划分为8 个典型结构：高顶平板区域A1、高顶横梁区域A2、高顶纵梁一类区域A3、高顶纵梁二类区域A4、高顶纵梁三类区域A5、平顶平板区域A6、平顶槽钢区域A7、平顶端部槽钢区域A8；侧墙B 划分为5 个典型结构：平板区域B1、横梁区域B2、立柱区域B3、车门B4、车窗B5；底架C 划分为4 个典型结构：客室地板区域C1、端部通过台区域C2、端部走廊区域C3、脚蹬翻板区域C4；端墙D 划分为4 个典型结构：平板区域D1、横梁区域D2、立柱区域D3、外端拉门D4。

利用CFD 软件建立各典型区域的计算模型，求解得到各典型结构的表面热流密度，计算各典型结构的K 值ki，进而得到车辆的K 值。

1.2 计算结果

车顶A 各典型结构的温度云图如图2 所示，计算结果见表1。

表1 车顶区域K 值计算结果

由A1～A8 的加权K 值可得到车顶区域的K 值结果，同样地，计算得到侧墙、底架、端墙的K 值，计算结果见表2，整车K值为1.085W/(m2·K)。

表2 整车K 值计算结果

2 整车隔热性能试验

2.1 试验方法

依据TB/T1674-93 在试验室内进行隔热试验，车内共计布置30 个温度测点用于计算车内平均温度，车外共计布置28 个温度测点用于计算车外平均温度，测点布置如图3 所示。

图3 温度测点布置图

车内使用布置均匀的电加热器和小功率电风扇建立热稳定状态，使隔热壁的平均温度控制在（22.5±0.5）℃，车内外平均温度差保持在（25±1）K，车内、车外各测点温度差均小于3K。每30min 记录一次各温度传感器及电功率计的数据，取连续8组有效数据用于计算。

2.2 试验结果

试验数据见表3，整车K 值试验结果如图4 所示。整车K值试验结果为1.157W/(m2·K)。

图4 整车K 值试验结果

表3 整车K 值测试数据

3 结论

CFD 仿真分析方法计算K 值与实车试验结果误差为6.2%，模拟结果比较准确。仿真计算结果比试验结果偏低，这主要是由于仿真分析过程未考虑车体气密性，且简化了部分细小金属结构。本文仿真分析方法与二维截面法相比，能够更（转下页）加精细地模拟车辆局部结构，因而计算结果更为准确；与三维算法结果准确度基本相当，但比三维算法占用更少的建模时间和计算资源。

本文采用根据结构特点划分典型区域的方法进行仿真分析，该方法适用于所有类型的轨道车辆，可以准确得到车辆局部结构的K 值，反映车辆各区域围护结构的薄弱环节，为车辆防寒布置优化设计及空调冷热负荷核算提供参考。