曹先伟 王常宇 夏春晶

（中车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春//第一作者，工程师）

基于数值模拟计算的A型动车组围护结构传热系数优化计算*

曹先伟 王常宇 夏春晶

（中车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春//第一作者，工程师）

运用数值模拟的方法对A型动车组各典型断面进行传热分析，并计算了车体围护结构的传热系数及各断面的权重。由计算结果可知，空调车厢有窗断面的权重传热系数最大，空调车厢有门断面及受电弓处有门断面的权重传热系数较大。分析了权重传热系数大的原因，提出采用热导率较小的玻璃、并适当增大双层玻璃中空气层厚度等措施来提高窗户处的保温性，提出车门框架采用热导率更小的材料来改善车门处的保温性，并提出增大受电弓处的车厢顶部保温层厚度来增强保温效果。

A型动车组；围护结构；传热系数；数值模拟计算

TK123∶U266.2

高速列车围护结构的隔热性能严重影响着客室内空调的冷热负荷及热舒适性。如何提高高速列车隔热性能、降低空调能耗、提高热舒适性已成为当前高速列车空调研究的重点问题。

为满足功能、美观及轴重等各方面的要求，车体在不同位置采用了不同的材料。这给车体的隔热性能带来一定的影响。冷桥是由于某种材料的热导率远远大于其周围材料的热导率而产生的。列车容易产生冷桥的部位往往是存在螺栓、螺钉、防寒钉、门窗及其固定件和贯通道金属结构等部位［1］。冷桥不仅增加了车体局部传热量，还恶化了围护结构内表面的温度环境。冷桥处在冬季易产生结露现象［2］，当水蒸气凝结情况严重时，凝结水还会渗入到隔热材料中，使其隔热效果变差，降低整个车体的保温性，降低列车隔热层的平均热阻。传热在湿工况下进行，也会影响车厢内的环境卫生［3］。

车体传热系数K是客室内空调负荷计算的主要依据。在设计阶段得到动车组隔热壁的K，可为准确计算动车组客室内冷热负荷及列车空调系统设计提供计算依据，也可为进一步优化围护结构提供理论基础。传统的列车外围护K值主要依靠试验测定和理论计算来获取。采用试验测定的手段测量列车K值，只能在整车制造完成之后进行，无法在设计初期对列车隔热层的性能作出准确的判断，具有一定的局限性；理论计算通常将列车隔热层按照一维模型加以简化，忽略了冷桥及不同车体结构对其隔热效果的影响，只能作为粗略估算，无法得到较为准确的结果［4］。随着计算流体力学（CFD）及计算机技术的发展，CFD数值计算方法被越来越多地应用到了热工和流体特性等问题的分析中。关于冷桥计算的国际标准中指出，判断冷桥处额外的热量损失，以及该部位是否有结露的可能，需要借助于模拟结果对该部位进行分析［5-6］。采用数值模拟的方法，不仅可以在设计初期准确计算出列车K值，还可以直观地分析引起热阻下降的具体原因，方便设计者有针对性地加以优化，降低列车冷热负荷，提高维护结构的保温效果［7］。

本文以A型动车组的Mc车（带司机室的动车）及Tp车（带受电弓的拖车）为例，通过数值分析的方法，对车体K值进行精确计算。

1 车体主要材料的物理参数及热工性能计算方法

1.1 车体主要材料的物理参数

A型动车组列车围护结构隔热层由多种材料组成，并嵌有螺栓、螺钉等金属结构。不同材料的结构及物理参数将直接影响K值。本文研究的A型动车组车体主要组成材料的物理参数如表1所示。

表1 A型动车组车体材料物理参数

1.2 热工性能计算方法

目前，车体K主要有三种计算方法。第一种是热工试验法，即按照TB/T 1674《铁道客车隔热性能试验方法》规定的方法进行铁道车辆隔热壁K试验测定。第二种是传统传热计算方法：先分析车体内部导热和边界上的对流和辐射换热的特点，进行传热计算，然后求解出车体的K。第三种是CFD（流体力学）数值模拟计算方法，随着科技的快速发展，CFD数值模拟法被越来越多地应用到传热分析中。

使用CFD方法模拟流动问题需求解流动的连续性方程、动量方程及能量方程。由于实际的流动情况多为湍流流动，所以需采用湍流模型来封闭雷诺时均的Navier-Stocks方程。本模拟计算采用Realizable k-ε模型。经过大量的试验验证，该模型不仅精度可靠，而且在工程应用中具有良好的准确性。

Realizable k-ε模型的控制方程为：

式中：

ρ——流体密度；

t——时间；

U——速度矢量；

φ——方程属性变量；当φ取不同值时，式(1)可分别表示质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；

Гφ——φ的扩散系数；

Sφ——φ的源项。

2 数值计算结果分析

2.1 典型断面模拟计算结果

A型动车组车体K的CFD模拟计算是一个三维传热问题。为了提高计算精度，将整个车体结构按照典型断面分类，并简化成若干二维结构。通过CFD模拟计算得到所有典型断面的K后，再根据每个典型断面在车长方向的加权平均长度，得到整车的车体K。这样即可在允许的范围内，保证了计算的准确性。

本次计算中A型动车组的车体被分为9个典型断面，分别为：司机室无窗（A）断面、司机室有窗（B）断面、空调车厢有门（C）断面、空调车厢无门无窗（D）断面、空调车厢有窗（E）断面、受电弓下无门无窗（G）断面、受电弓下有窗（H）断面、受电弓下有门（I）断面、端墙部分（F）断面。经模拟计算，B断面的模拟计算结果如表2所示。

表2 B断面的模拟计算结果

2.2 模拟计算结果

A型动车组的典型车厢为Mc车和Tp车，其典型断面划分情况分别如图1和图2所示。根据不同的典型断面所占面积计算出不同典型断面在K值计算中所占的权重大小，如图3所示。根据各断面在车长方向的长度权重，可计算出各断面的权重K。最后可算得 Mc车的 K 是 1.000 6 W/（m2·K），Tp 车的 K 为 0.948 6 W/（m2·K）。

图1 A型动车组Mc车典型断面的选取

图2 A型动车组Tp车典型断面的选取

图3 各典型断面占车厢表面积权重

各个典型断面的K计算结果如图4所示，可以看出，K最大的几个断面分别为B断面、C断面、I断面和E断面。其中K最大的位置为B断面，其K达1.28 W/（m2·K）。K较大的典型断面均位于有门或有窗的位置，这些位置由于结构有所改变，会存在更多的金属部件，形成冷桥，减弱保温效果；另一方面，门和窗体的材料K较大，一定程度上也将使得该界面整体K增大，不利于围护结构保温。

图4 典型断面K的柱状图

权重K值等于断面的K值与此断面所占比例的乘积，图5和图6即为Mc车厢和Tp车厢各个典型断面权重K值所占的比例分布情况。可见，用断面法计算A型动车组，可得E断面和D断面的权重值K最大，对列车整体围护结构K有着较大的影响。这主要是由于这二者权重在所有计算典型断面中最大，同时E断面的断面K在所有典型断面中也相对较高，在两类车厢中权重值K的最大值均出现在该处，几乎占据整车的一半。在改进车体K时应首先考虑E断面和D断面处的优化方案。

而B断面、C断面、I断面等3个的断面虽K较大，但由于其在整车表面积中所占的权重值较小，均不超过10%，故对整体的影响不明显。

图5 A型动车组Mc车各断面权重K值所占比例图

图6 A型动车组Tp车各断面权重K值所占比例图

2.3 车体改进措施

根据以上数据分析，E断面所占权重比例最大，这是影响A型动车组K值大小的主要因素。考虑到对整体K值的作用效果，应对权重较大的部位加以优化，而非K最大的断面位置。玻璃的热导率为1.4 W/（m·K），而空气的热导率为 0.024 2 W/（m·K）。因此，可适当增大双层玻璃中空气层的厚度，同时采用热导率较小的玻璃，从而降低窗户的K值。

此外C断面和I断面的K值也较大。这是因为在车门内侧没有保温层；而且门使用了铝架（铝合金的热导率高达202.4 W/（m·K）），铝架中的填充材料虽然具有很好的隔热性能，但由于其厚度较小，故保温作用不明显。因此，建议车门框架采用热导率更小的材料。I断面的K较大，除了因为门的保温作用差外，其受电弓处的车厢顶部也比较薄，因此建议受电弓处的车厢顶部增大保温层厚度。

3 结论

本文采用CFD数值计算的方法，计算A型动车组围护结构的K，比较了Mc车厢及Tp车厢围护结构各典型断面权重K值的大小，并分析了车厢K值变大的主要原因。得到如下结论：

（1）考虑到A型动车组不同位置围护结构的差异，以及保温层内金属部件处冷桥的存在，采用典型断面加权平均的计算方法计算车厢维护结构整体K值，较传统传热学计算方法精度有所提高。两节车厢的值分别为 1.000 6 W/（m2·K） 和 0.948 6 W/（m2·K），符合设计要求。

（2）对于Mc、Tp车厢，E断面的权重K值最大，该处保温性能对整车的影响最为明显。优化围护结构保温性能时，需首先考虑降低E断面处K值，可适当增大双层玻璃中空气层的厚度，同时采用热导率较小的玻璃，从而降低窗户的K值。

［1］ 吴俊云，王刚，刘训海，等.空调客车厢体结构传热数值分析［J］.上海理工大学学报，2005（4）：287.

［2］ 赵淑敏.济南地区建筑热桥能耗分析与研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2004.

［3］ 赵立华.建筑冷桥分析［D］.哈尔滨：哈尔滨建筑大学，1996.

［4］ 王润泉.车体隔热壁传热系数计算的新方法及其简化计算［J］.铁道学报，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.客车车体隔热壁热工性能研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［7］ 中华人民共和国铁道部.铁道客车隔热性能试验方法：TB/T 1674—1993［S］.北京：铁道部四方车辆研究所，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”国家科技支撑计划项目（2013BAG24B02-04）

2016-03-24）