动车组顶板隔热仿真分析

摘要 随着动车组性能的不断提高，车体结构和材料也随之有了一系列的改变，这些变化对动车组车体隔热性能会产生一定的影响。动车组顶板隔热性能是影响车体传热的主要因素之一，研究不同顶板结构以对隔热性能的影响，对于分析动车组运行能耗、确定其空调负荷、避免恶劣工况（内壁结露、局部温度过高）的出现、以及维持车内舒适的热环境均有着重要的意义。本论文综合采用理论分析、数值模拟和实验测试等方法，通过对动车组顶板隔热性能的计算和分析，总结车体各结构的实际性能，为新一代高速动车组的隔热性能设计提供理论上的指导和实用的工具。

关键词 动车组顶板；隔热；仿真

中图分类号 U266 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0096-03

1 仿真计算方法

本论文研究中用有限单元法对车体结构进行划分，并通过加载第三类边界条件，利用计算仿真软件对车体的热工性能进行计算仿真。

对于无内热源稳态温度场的各向同性物体导热微分方程三维问题，方程的形式为：

第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度Tf 和换热系数α为已知。表示为：

α与Tf 可以是常数，也可以是某种随时间和位置而变化的函数。如果α与Tf 不是常数，则在数值计算中经常分段取其平均值作为常数。根据以上的计算公式，利用计算机对网格进行自动剖分，来进行温度场的计算。

2 传热系数计算方法

车壁一般分为三层：车体，隔热层，内饰件，按第三类边界条件的多层平壁导热计算，车体隔热均质多层壁的传热系数计算式如下所示：

车体内外表面的对流换热系数根据铁标《空调客车热工计算书》（TB1957-87），《客车采暖通风设计参数》（TB1955-87），《客车空调设计参数》（TB1951-87），对普通客车静止和不同速度下的车体内、外表面换热系数做出的规定确定。以列车时速350 km/h计算，内表面换热系数推荐为8 W/（m2·K），外表面换热系数考虑车速的影响，按铁路合作组织备忘录P-538/3推荐换热系数的计算公式计算：

通过上式，可计算出不同速度下车体外表面对流换热系数，如350 km/h速度车外表面的对流换热系数为176.2 W/（m2·K）。

3 构件传热模型及仿真计算

根据典型结构以及做仿真模拟计算的典型温度，在构件的仿真模拟当中采用以下的边界条件：

3.1 双层铝合金型材顶板有风道传热模型及仿真计算

3.1.1 设定条件

3.1.2 建立模型及划分网格

3.1.3 温度场

对于双层铝合金型材顶板有风道处，车体内部表面的温度由图可见，其分布比较均匀，约为19.40℃，内壁温度高于车内空气的露点温度，故型材处车体内壁不会出现结露。

3.1.4 热流密度

根根据仿真结果可得热流密度：

以双层铝合金为整体，按多层平壁传热热流密度计算公式，计算结果为：

仿真结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果大0.2﹪。可得等效传热系数：

3.1.5 测试

该测试采用平板法测量材料的传热系数，这是一种稳态法，实验中，物件制成平板状，根据传热系数测试标准（ASTMD5470-01）进行，测试标准中规定为防止待测试件向周围散热对测试结果产生的影响，测试时对所有试件进行了保温隔热处理，试验过程中可以认为，物体内只有垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处温度相同。在实验室测试中，当传热达到稳定状态时，测出上下板表面温度θ1和θ2，再利用傅立叶导热方程式：

式中：λ为物件的导热系数，hB为物件的厚度，S为物件的平面面积，实验中物件为圆盘状，设圆盘物件的直径为dB，则由（5）式得：

可以计算出其传热系数为0.275W/（m2·K），不难得出，测试结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果小5.17﹪。误差控制在10%，保证了测试精度。

材料的结构变化与杂质多少对导热系数都有明显的影响。同时，导热系数一般随温度而变化，所以实验时对材料成份，温度等都有一并记录。

3.2 双层铝合金型材顶板无风道传热模型及仿真计算

3.2.1 设定条件

3.2.2 建立模型及划分网格

3.2.3 温度场

对于顶板有风道处，车体内部表面的温度由图可见，其分布比较均匀，约为18.80℃，内壁温度高于车内空气的露点温度，故型材处车体内壁不会出现结露。

3.2.4 热流密度

根据仿真结果可得热流密度：

以双层铝合金为整体，按多层平壁传热热流密度计算公式，计算结果为：

仿真结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果大2﹪。可得等效传热系数：

原理同上，由实验测试为0.106W/（m2·K），测试结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果小3.64﹪。误差控制在10%，保证了测试精度。

4 结论与分析

1）双层铝合金型材顶板有、无风道传热系数都较小，且有风道构件传热系数比无风道传热系数还小，这主要因为风道的存在起到了很好的隔热效果。

2）虽然俩种构件的传热系数较小，但是传热面积很大，所以传热量也很大，在进行动车组隔热的过程中要给予足够的重视，同时，在内饰材料的应用上要尽可能的选择导热系数小的材料以确保整车有良好的隔热性能。

参考文献

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