内燃动车组吊挂动力包通风性能及排烟口对空调进烟量影响

Ventilation Performance and Influence of Smoke Vent on the Smoke Intake of Air Conditioners of Hanging Power Packs for DMUs

摘要

针对内燃动力系统大功率、高集成化加剧散热，以及线路环境可能影响动力包通风性能和烟气扩散等问题，基于SST k-ω模型和定常/非定常可压缩雷诺平均方程，模拟动车组车体动力包周围和车顶排烟口下游空调周围的流场特性，分析车速和隧道对动力包风机通风性能以及排烟口对空调进烟量的影响。结果表明：风机流量受车速和位置的影响，同一动力包中上游风机流量稍大，而尾车则尤为明显，车速为160 km · h^-1时尾车上下游风机流量差异可达7%；空调新风口进烟量与车速正相关，尤其是紧靠排烟口空调的下游新风口进烟量；列车在进出隧道过程中其动力包格栅进风量出现脉冲式变化，两侧格栅进气量有所差异。

Abstract

The high power and high integration of internal combustion power system exacerbate the heat dissipation, and the line environment may affect the ventilation performance of the power pack and smoke diffusion problem. Based on the SST k-‍ω model and the constant/non-constant compressible Reynolds averaging equations, the flow field characteristics around the power pack of the train body and around the air conditioner downstream of the smoke vent on the roof were simulated to analyze the influence of the speed of the train and the tunnel on the ventilation performance of the power pack fan and the smoke vent on the smoke intake of the air conditioner. The results show that: the fan flow is affected by the speed and location of the car, the upstream fan flow in the same power pack is slightly larger, the tail car is especially obvious, and the difference between the upstream and downstream fan flow in the tail car can be up to 7% at the speed of 160 km · h^-1; the smoke intake of air conditioning fresh air inlet is positively correlated with the speed of the car, especially the downstream fresh air inlet of air conditioning which is right next to the smoke exhaust; the air intake of the grill of the train's power pack appears to have pulsed change during the process of entering and exiting the tunnel, with the difference in the grill intake of the two sides.

Graphical abstract

关键词

内燃动车组 / 吊挂动力包 / 通风性能 / 烟气扩散 / 明线工况 / 隧道工况 / 数值仿真

Key words

Diesel multiple unit / Hanging power packs / Ventilation performance / Smoke diffusion / Open-line condition / Tunneling condition / Numerical simulation

虽然电力牵引是铁路发展趋势，但是受线路环境限制和区域发展需要，内燃牵引依然有需求。科技进步促进了内燃机系统的大功率和高集成，图1为罗罗公司发动机与联盟弗里德希哈芬股份有限公司涡轮机组成的动力包，主要以吊挂形式安装在动车组车体底部。与其他近地交通工具不同，大长细比列车底部结构复杂，存在转向架等构件，且受地面效应的显著影响，加剧了车底流场的复杂程度^［1-3］，造成车底流场环境相对恶劣，影响动力包通风散热系统的正常工作。

近年，不少学者聚焦列车车底流场，利用数值仿真、风洞试验和在线实车试验等手段，开展车底流场的分布和流动特性方面研究^［4-7］。Soper等^［8］研究了车底流动特性，分析列车风对道砟运动的影响，认为轨道振动对道砟运动初速度的影响更为显著。Zhang等^［9］分析了地面条件和旋转车轮对车底流场和车辆气动性能数值仿真结果准确性的影响。Liu等^［10］发现车底最大风压集中在头车下部区域，其余区域风压相对较小且受车速影响较小。为防止异物影响车载设备的正常运行，将其主要以吊挂形式置于车底，且在车体下部设置设备舱，将设备与外界隔离。但这些设备功率大，需尽快散热，一般采用强制通风，一些学者针对设备舱内流场、温度场以及列车运行参数和环境对冷却风扇性能、设备散热性能等对通风性能的影响开展了研究。田红旗等^［11］聚焦动力车冷却风道百叶窗处空气流向、流速，发现车速增加造成此处负压增大，可能出现反向空气流动，造成风机流量减小。吴飞等^［12］通过优化设计风机和风道结构，减少设备舱流场内涡流，提高风量，改善了风机散热效果。温立强等^［13］聚焦设备舱内外的流场，发现合理布置风机可有效提升设备舱内空气流动速度，提升排风效果。但相对缺乏针对动力系统高度集成化且吊挂于车底的动力包通风散热问题的研究，且鲜有涉及车顶排烟口对下游空调进烟量影响的研究。

本文聚焦列车动力包风机通风流量和车顶排烟性能对下游空调进风的影响，以保障内燃动力系统正常运行，并验证现有的车顶排烟口布置的合理性。

1 仿真计算

1.1　列车模型

列车模型关键尺寸和主要部件如图2所示。列车模型由2节动车和1节拖车组成，长、宽和高分别为75.6，3.10和4.08 m；其中头、尾车长24.6 m，中间车长24.5 m。动力包位于头、尾车下部中间区域，2个空调机组布置在每节车厢顶部，2个动力包排烟口位于车顶并在车体左右两侧对称布置（排烟面积均为139 cm²）。考虑到横风可能会影响车下动力包通风冷却风机工作，在车底动力包外侧设置裙板，如图2（d）所示，裙板长和宽分别为5.70和0.72 m。

列车动力包和空调主要结构和气流组织如图3所示。每个动力包中有4个风机和2个进气格栅，每个风机的进风面积均相同，均为0.59 m²。每个空调左右两侧各布置2个新风口（进气面积均为0.064 3 m²），前后布置2个排风口（排风口排气面积均为0.245 m²），两侧布置2个进风口（进气面积均为0.178 7 m²）。

列车车底动力包通风冷却风机及其格栅位置如图4所示。图中：1号和2号分别为头车的前后动力包风机，3号和4号分别为尾车的前后动力包风机；q_Li 和q_Wi （i=1-4）分别为1-4号风机背风侧和迎风侧的风量；q_gsLj 和q_gsWj （j=1，2）分别为头车和尾车格栅处风机背风侧和迎风侧的风量；尾车动力包风机处格栅定义类似。

1.2　计算域尺寸及边界

考虑到研究时主要关注车底和车顶的流场计算及其时效性，设置的计算域相对较小，但满足标准EN 14067-6《轨道交通：空气动力学.第6部分：侧风评估用要求和试验程序》^［14］对计算域尺寸的要求。

列车明线运行时计算域主要尺寸和边界定义如图5所示。计算域长、宽、高分别为210，80和30 m，进口和出口距离列车分别约为50和83 m，均满足标准EN 14067-6的要求（头车鼻尖顶点处至计算域进口的距离>8h，尾车鼻尖顶点处到计算域出口的距离>16h，h为车高）；计算域入口面积为80 m×30 m，阻塞比约0.7%，远小于标准EN 14067-6的要求，计算结果无须修正。计算域入口定义为速度入口边界，速度为车速；计算域地面为滑移固壁边界，速度为车速；计算域出口、两侧面和顶面均定义为压力出口边界，静压为0 Pa。计算域原点位于列车头车鼻尖在地面的投影处。

列车通过隧道工况时计算域尺寸和边界定义如图6所示。图中：L_tl为隧道长度。列车位于初始位置时头车距隧道洞门100 m，保证进入隧道前的列车周围流场已充分发展。隧道工况所用网格为滑移网格，因此隧道前后计算域的端面均定义为压力出口边界。另外，隧道壁面、地面均定义为静止固壁边界。基于运用方的需求和世界各主要国家关于高速铁路双线隧道设计的经验，确定隧道横截面面积为82 m²。研究时主要聚焦空气压力波对动力包冷却风机性能的影响，而隧道净空截面积主要对压力波幅值有影响，基本不改变压力波时空分布^［15-19］，因此确定82 m²为隧道横截面面积可行。为获得确定车速（80和160 km · h^-1）和车长（76 m）下对应的最大压力波，利用标准BS EN 14067-5《铁路设施—空气动力学—第5部分：隧道上空气动力学的要求和试验规程》^［20］中的隧道临界长度计算式即式（1），确定数值计算时采用的隧道长度分别为4 738和1 257 m。

L_{\mathrm{t}\mathrm{l},\mathrm{c}\mathrm{r}}=\frac{L_{\mathrm{t}\mathrm{r}}}{\mathrm{4}}\frac{c}{u_{\mathrm{t}\mathrm{r}}}\left(\mathrm{1}+\frac{c}{v_{\mathrm{t}\mathrm{r}}}\right)（1）

式中：L_tl，cr为隧道临界长度；v_tr为车速；c为当地声速，为340 m · s^-1；L_tr为车长。

列车运行环境为常温（300 K）、1个大气压（约为101 kPa）。列车及其动力包近壁面流场均采用壁面函数模拟。参考《动力工程师手册》^［21］和《工业炉设计手册》^［22］，采用密度、比热容、导热系数和黏度描述烟气扩散特性，烟气主要物性参数如图7所示。

为模拟废气排放，根据风机厂商提供数据定义边界中风机的具体参数，并结合图2（c），将车顶排烟口定义为质量流量入口边界，质量流量为556 g · s^-1，温度为748.15 K，烟气组分为3.71×10⁴；将位于动力包上方车体两侧的方形区域（内燃机进气口）定义为质量流量出口边界，质量流量为538.9 g · s^-1，温度为300 K。为模拟空调进风，结合图3（b），将空调新风口也定义为质量流量出口边界，头、中和尾车的空调质量流量分别为51.1，24.1和25.5 g · s^-1。

车体和设备的表面边界均定义为绝热固壁边界，动力包风机和空调进风口处布置格栅，采用多孔阶跃（Porous Jump）边界模拟格栅阻力特性；动力包和空调处风机均采用Fan边界模拟风机通风特性。

1.2.1　格栅阻力特性

通过对格栅的风洞试验数据拟合，获得格栅的阻力特性曲线为

\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{1}}=\mathrm{0.571}\mathrm{9}{v}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.965}\mathrm{2}{v}_{\mathrm{1}}-\mathrm{8.125}\mathrm{7}（2）

式中：\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{1}}为格栅处压降，Pa；v_{\mathrm{1}}为格栅处空气流速，m · s^-1。

多孔介质模型方程为

\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{1}}=\mathrm{0.5}{C}_{\mathrm{2}}\rho \mathrm{\Delta }n{v}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+\frac{\mu }{\alpha \mathrm{\Delta }n{v}_{\mathrm{1}}}（3）

式中：C₂为惯性阻力系数，m^-1；ρ为空气密度，1.225 kg · m^-3；Δn为多孔介质流域厚度，本文指格栅处流域厚度，m；μ为空气动力黏度，17.8 μPa · s；1/α为黏性阻力系数，m²。

本文采取多孔介质模型来模拟格栅阻力特性，因此将通过试验获取的格栅阻力特性曲线方程与多孔介质模型方程进行对比，即对比式（2）和式（3）的系数，获取格栅处流域厚度Δn为0.012 m，黏性阻力系数1/α为2.12 （km）²，惯性阻力系数C₂为79 m^-1，求解时在Fluent软件中设置这些相关参数。

1.2.2　风机通风特性

通过对厂家提供的风机压降和流速数据拟合，获得动力包风机和空调风机的特性拟合曲线分别为

\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{2}}=-\mathrm{11.069}{v}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{3}}+\mathrm{116.28}{v}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}-\\ \mathrm{509.58}{v}_{\mathrm{2}}+\mathrm{1}\mathrm{560.8}\end{array}（4）

\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{3}}=-\mathrm{1.138}\mathrm{2}{v}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{3}}-\mathrm{69.128}{v}_{\mathrm{3}}+\mathrm{799.84}（5）

式中：\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{2}}为动力包风机的压降，Pa；v_{\mathrm{2}}为动力包风机处空气流速，m · s^-1；\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{3}}为空调风机的压降，Pa；v_{\mathrm{3}}为空调风机处空气流速，m · s^-1。

1.3　网格生成及无关性分析

1.3.1　明线工况下网格生成

列车表面和关键区域网格划分如图8所示。在保证仿真计算精度和计算效率的前提下，采用密网格（如空调处0.02~0.03 m，排烟口处0.01~0.02 m，动力包处0.02~0.03 m）划分关心区域流场，疏网格（车体处0.04~0.08 m，转向架处0.04 m）划分其他区域，疏密网格间采用过渡因子控制。

3种网格分辨率下的网格分布如图9所示。为确定合适的网格分辨率，采用3套分辨率网格划分计算域，图中数字表示表面网格尺寸大小；为提升烟气分布模拟精度，排烟口及其下游空调所在区域网格进行了局部加密，粗、中和细网格尺寸分别为0.10，0.05和0.03 m。

为更好地适应列车复杂外表面，采用三角形网格划分列车表面，四面体网格划分计算域，为进一步提高计算效率，四面体网格转化为多面体网格。基于上述设置，明显工况下粗、中和细3套网格的总数量分别为215万、450万和717万个，不同尺寸下计算域网格分布主视图如图10所示，不同尺寸下计算域网格分布侧视图如图11所示。

1.3.2　隧道工况下网格生成

列车通过隧道工况中的三维网格、局部网格和纵剖面网格划分如图12所示。图中：红色箭头表示滑移网格和静止网格交界面数据交换。对于隧道工况计算域，采用混合方法划分，列车周围区域采用四面体网格划分，其他区域采用六面体网格划分。由于采用滑移网格技术实现列车通过隧道的模拟，隧道工况的计算域由包含列车的动域和包含隧道的静域组成，两域间流场信息通过重合面（定义为交换面）进行数据交换。列车周围网格划分方法与上述明线工况一致，动域中远离列车的区域采用结构网格划分，靠近列车区域网格与近列车区域网格一致，以提高流场模拟精度。基于上述设置，隧道工况下网格数量约3 000万个以上。

1.3.3　无关性分析

3种网格下列车周围采样线压力分布及头车车顶排烟口烟气分布和质量分数（1.5×10^-5）等值面分别如图13和图14所示。图中：x为头车鼻尖顶点至采样线上采样点的距离。考虑要进行车顶烟气分布和车底动力包通风性能研究，以距列车顶部2.2 m和距车体侧面1.6 m、距地面2 m采样线的压力分布和车顶烟气分布为例，开展网格无关性分析。从图13和图14可知：网格大小对车顶压力分布无明显影响，对车体侧面区域空气的流动影响较大，表压差异较大的位置主要集中于车尾区域，中等网格与密网格的表压值接近，粗网格与其他2套网格差异较大；粗网格对烟气质量分数分布捕捉不准确。因此，采用中等网格可基本满足本文所关注内容的研究。

1.4　算法设置及验证

1.4.1　设置

因仿真计算时涉及列车明线工况和隧道工况，计算方法存在差异。

对于明线工况，因车速低于0.3马赫，采用不可压缩纳维-斯托克斯（N-S）方程和剪切应力输运（SST k-ω）湍流模型开展定常计算^［23-24］，迭代次数为10 000次，各方程残差低于10^-4。

对于隧道工况，采用可压缩N-S方程和SST k-ω湍流模型开展非定常计算，基于滑移网格技术实现列车运行，物理步长为0.015 s（车速160 m · s^-1）和0.03 s（车速80 m · s^-1），步内迭代20次，步长内各方程残差低于10^-3。

以上2种计算均采用SIMPLE算法处理速度与压力耦合，采用二阶迎风格式离散对流项和耗散项。

1.4.2　验证

为保证计算结果的可靠性，采用与流动接近的试验^［25］开展算法验证。正方形空间及其网格计算域如图15所示。在1个尺寸为2.44 m×2.44 m×2.44 m空间的中央地板上放置1套尺寸为1.22 m×1.22 m×1.22 m的盒子，在空间一侧的上边缘设置0.03 m×2.44 m的速度入口、在另一侧的下边缘设置0.08 m×2.44 m的压力出口。空间网格采用六面体结构化网格，算法设置与1.4.1节一致。

试验时，将采样线布置于距离地面几何中心y₁方向0.991 m的位置，得到空间内z₁=0 m延伸至z₂=2.44 m时红点采样线上速度和湍动能随纵坐标的变化。采样线位置示意图如图16（a）所示。

空间内红点采样线上试验值和计算值的对比如图16和图17所示。图中：x₁，y₁和z₁分别为坐标轴；v和k分别为该点的速度和湍动能；v_max和k_max分别为速度和湍动能的最大值。由图17可见，关于速度和湍动能分布，尽管部分区域的计算值与试验值存在较大差异，但是两者分布趋势吻合，仍可满足计算需要。

关于隧道条件下数值方法的验证，采用的计算方法和参数设置均是基于前人关于此类问题的大量研究确定的^［26-28］。本文所使用的计算方法已经在Li等^［29］的论文中得到了验证，Li等使用该计算方法开展了内燃机车通过隧道时压力波对动力室内空气流动和风机通风量的影响研究，Li等在论文中采用了Ahmed标模车风洞试验和CRH型动车组隧道实车试验数据对采用的计算方法和参数设置开展了验证性分析；Niu等^［30］系统地研究了多种计算方法对于隧道压力波和流场的影响，并与试验数据对比，本文在此基础上选择了其中与试验数据吻合最好的计算方法，保证了本文所采用计算方法的可靠性。

基于上述验证，确保了本文计算方法在隧道场景中的可靠性。

2 结果及分析

2.1　车速对动力包风机通风性能影响

列车静止且动力包处于正常工作状态时，动力包中各处风机通风量应保持基本一致，无裙板列车动力包风机及格栅处风量见表1。

从表1可知：车速为0 km · h^-1时，头车和尾车动力包风量均值在2.137 kg · s^-1左右，符合上述一致性预期，也说明本次仿真所得数据的可靠性；从车速80和160 km · h^-1工况中数据可知，对称布置的风机通风量差异不超过0.5%，说明两侧对称布置风机的风量对称性较好，也符合预期。

从表1还可知：车速明显改变了动力包中风机风量分布，动力包中上游风机的通风量大于下游风机；上述差异还会因车速增加进一步加剧，如车速为80 km · h^-1时头车动力包上、下游风机风量的差异在2%~3%左右，车速为160 km · h^-1时尾车动力包上下游风机风量差异在5.5%~7%左右；通过对比各处风机风量可知，动力包下游风机性能受车速影响相对更加明显，降幅较大；对比头、尾车动力包进气格栅风量发现，尾车动力包格栅进气量小于头车（1.3%~3.5%），上述差异会因车速增加而进一步加剧。

2.2　隧道压力波对动力包通风性能影响

以80 km · h^-1车速通过隧道时无裙板列车动力包处压力和通风格栅流量变化如图18所示。从图18可知：在列车进和出隧道过程中，动力包格栅进风量会出现脉冲式变化；同一动力包两侧格栅进气量有差异，头车动力包中靠近隧道一侧的格栅进气量稍大，但是尾车动力包中的情况则相反，整体而言，两侧格栅进气量差异也不超过3%；头车动力包格栅进气量（≈4.2 kg · s^-1）明显小于尾车的（≈4.4 kg · s^-1），差异不超过5%。

以80 km · h^-1车速通过隧道时有裙板列车动力包处压力和通风格栅流量变化如图19所示。从图19可知：在列车进入隧道过程中，动力包格栅进气量也存在波动，但是明显小于无裙板的情况，即裙板有效抑制了列车进入隧道（流动界面突变）引起的流场突变对格栅进气的影响；对于头车动力包，靠近隧道一侧的格栅进气量稍大于远离侧，尾车动力包的情况则相反，且头尾车两侧格栅进气量均值差异均不超过1.5%；裙板明显降低了动力包格栅进气量，降幅不超过5%；裙板未改变尾车格栅进气量大于头车的现象。

以160 km · h^-1车速通过隧道时无裙板列车动力包处压力和通风格栅流量变化如图20所示。从图20可知：列车进出隧道过程中动力包格栅进风量有明显变化，均出现较大幅值的陡降和陡升；头、尾车动力包中远离隧道侧格栅进气量略有增加，平均增幅不超过5%；靠近隧道一侧格栅进气量在隧道内外的差异不明显，靠近隧道一侧的格栅进气量波动稍大于远离隧道一侧（6%~8%），尤其是位于头车的动力包格栅；尾车动力包格栅进气量稍大于头车动力包，尤其是远离隧道一侧的格栅，差异可达10%。

以160 km · h^-1车速通过临界长度（1 257 m）隧道的有裙板列车动力包处压力和格栅流量变化如图21所示。通过对比图20和图21可知：列车进入隧道过程中动力包格栅进气量波动被裙板有效抑制，裙板降低了动力包格栅进气量差异，不超过10%，且裙板抑制了头尾车动力包格栅进气量的差异，不超过5%。

2.3　车速对空调新风口进烟量影响

列车空调新风口分布及编号如图22所示，图中蓝色箭头表示空调新风口所在位置，编号从小到大代表从头车位置向尾车增大，黑色圆圈表示列车排烟口所在位置。无横风明线运行列车不同车速下列车顶部空调新风口烟气量分布如图23所示。从图23可知：列车静止状态下，几乎没有烟气通过空调新风口；列车运行时，通过空调新风口的烟气量增加，且随着车速增加而显著增大，尤其是紧靠排烟口下游第1个空调，其中位于该空调的下游新风口4和新风口12的平均烟气质量流量增加程度更加显著，其他位置处新风口的烟气量均低于0.01 g · s^-1。

无横风下明线运行列车顶部烟气扩散分布如图24所示。从图24可知：列车运行造成车顶烟气向列车下游发展，车速增加会使烟气更靠近车顶，更易造成烟气进入车顶空调冷却系统，后经中间圆形风机口处排出。

3 结论

（1）车速对动力包中每个风机流量有一定影响。动力包中单个风机流量随车速增加而略微减少，风机流量还受所处位置影响，位于动力包上游风机流量稍大，尤其是位于尾车的动力包，车速160 km · h^-1时，差异可达7%。

（2）进出隧道过程中，列车动力包格栅进风量会出现脉冲式变化，同一动力包两侧格栅进气量有差异，头车动力包中靠近隧道一侧格栅进气量稍大，尾车动力包情况相反；整体而言，动力包两侧格栅进气量差异也不超过5%。裙板有效抑制了列车进出隧道对动力包格栅进气量的影响，两侧格栅进气量均值差异均不超过1.5%，但是裙板降低了动力包格栅进气量，降低前后进气量不超过5%。

（3）车速增加会使烟气流更靠近车顶，更易造成烟气进入车顶空调冷却系统。空调新风口进烟气量随车速增加而显著增大，尤其是紧靠排烟口下游第1个空调，其中位于该空调的下游新风口更加显著，其它位置处新风口烟气量均较低。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52172359)