城轨车辆传热系数计算方法

城轨车辆传热系数计算方法

周鹏1，2

（1. 重载快捷大功率电力机车全国重点实验室；2. 中车株洲电力机车有限公司：湖南 株洲 412001）

摘 要：本文以城轨车辆为例，介绍了一种轨道交通车辆传热系数的计算方法：将中空铝型材等效为与其同厚度的各向同性的均匀实体，其等效导热系数通过CFD仿真计算得出。在此基础上，将车辆围护结构视为两层平壁，通过公式可快速完成各区域的传热系数计算，进而通过面积加权平均的方法计算出整车的传热系数。此外，本文提出了基于以上计算方法的车辆初步隔热设计方法，可作为技术人员开展产品设计参考使用。

关键词：城轨车辆；传热系数；隔热设计

1绪论

进入21世纪，轨道交通车辆在如今人们的生活中扮演了越来越重要的角色，大大地缩短了通勤时间，成为人民出行的首选交通工具之一。车辆隔热性能的好坏，直接影响到车辆空调机组的功率选型以及车辆运行时的空调系统耗能。隔热性能好的车辆，传热系数小，由于能较好地隔绝车辆内部和环境的热交换，可选用相对小型的空调机组，可减小空调机组的体积和重量，对于整车轻量化具有重要贡献；此外，由于具有较好的保温性能，可降低车辆运行时的空调负荷，降低运行时的能耗。

大多数动车组、城轨车辆及磁悬浮列车的车体都是由中空铝型材焊接而成，如何准确、快速计算具有铝合金车体的车辆的传热系数，对于车辆隔热设计具有重要意义。本文以某城轨车辆为例，介绍一种车辆传热系数快速评估方法。

2车辆传热系数计算概述

传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气相差单位温度时，单位时间通过单位面积传递的热量。传热系数数值越小，表征车辆的隔热性能越好。计算时，首先将城轨车辆划分为侧墙区域、顶部区域、地板区域、端墙区域、车门区域、侧窗区域。分别计算各区域的传热系数，测量各区域的面积（其中，车门、侧窗的传热系数为厂家提供值，无需计算），通过面积的加权平均计算出车辆的传热系数。

3 车辆主要围护结构传热系数计算方法

城轨车辆的主要结构围护是指由车体和内装共同组成的部分，具体对应上文中提到的侧墙区域、顶部区域、地板区域、端墙区域，每种围护结构通常由以下几个部分组成：中空铝型材、防寒材、空气层、内装铝板。由于内装铝板实际上具有空隙，考虑最极端的情况，假设防寒材直接与客室内的空气接触。因此，将围护结构简化为中空铝型材和防寒材的组合，以侧墙为例（本节后续内容均以侧墙为例，下面不再赘述），简化后结构如图1所示。

图1 车辆围护结构简化图

为提高计算速度，同时为后期快速评估防寒材厚度和导热系数对整个围护结构传热系数的影响，本文将中空铝型材等效为与原结构厚度相同的各向同性的实体，通过计算得出该实体的等效导热系数，等效后的中空铝型材模型如图2所示。之后，将等效后的实体与防寒材视为多层平壁结构，可通过理论计算的方法计算出多层平壁的传热系数。

图2 中空铝型材等效结构

3.1 中空铝型材等效导热系数计算

（1）通过计算流体力学（CFD）仿真方法计算中空铝型材等效导热系数计算

中空铝型材断面为三角形筋板结构。三角形腔体内部是空气，与外界空气不流通，可与铝合金型材发生对流传热。腔体内部空气流动不依靠泵与风机等外力推动，参与换热的空气由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场中产生浮升力所引起对流，这种对流换热现象为自然对流。对于封闭腔体内的自然对流问题，中外学者已经开展了充分的研究，多数学者采用Boussinesq假设用来解决小温差下的自然对流计算问题，可以提高计算速度，加快计算收敛[1]。

根据傅里叶定律，导热系数可由式（1）计算得出。

（1）

其中，λ为导热系数，单位：W/m·K；Φ为热流量，单位W；A为表面面积，单位：㎡；x是垂直于面积A的坐标轴，是沿x方向的温度变化率。

在本文中，中空铝型材内外两侧壁面为第一类边界条件，即内外壁面温度恒定，可计算出通过内外壁面的热流量，进而可以得出中空铝型材的等效导热系数。

在流体前处理软件中对几何模型划分非结构网格，如图3所示。仿真计算时，激活能量方程，同时选择湍流模型为Laminar。对于空气的密度，应用Boussinesq假设。各边界条件的设置情况如图3所示，内、外壁面设置温度边界，温度分别为t1和t2，两端设置为绝热面，内面耦合面由仿真软件自动设备设置为耦合边界条件。

图3 边界条件设置情况

经计算，通过中空铝型材内外壁面的热流量为2129W。根据模型测量及边界条件设置可知，面积A为0.326㎡，温度变化率为666.67K/m。将上述数值数据代入式（1）中可得中空铝型材等效导热系数λ等于9.8W/m•K。

3.2 车辆围护结构传热系数计算

车辆的围护结构经简化后可认为是由中空铝型材和防寒材构成，前文中我们将中空铝型等效为与原结构厚度相同的各向同性的实体，并通过对中空铝型材开展CFD仿真计算得出其等效导热系数。至此，车辆围护结构可视为由两层平壁结构组成。以寒冷的冬季工况为例，车辆内部温度高于外部温度，热量传递的方向为从内侧传向外侧，其传热过程如图

4所示。内壁面一侧的空气通过与内壁面通过对流换热将热量传递至铝型材，铝型材与防寒材之间通过热传导的方式传递热量，最后外壁面与外壁面侧空气通过对流换热方式将热量传递出来。

图4 两层平壁传热过程示意图

围护结构的传热系数可通过公式（3）计算[2]。

（3）

4 车辆传热系数计算（整车）及初步隔热设计方法

在上文中，对车辆主要围护结构传热系数计算方法进行了介绍，车门、侧窗区域的传热系数为已知值，车辆整体传热由各区域共同决定。各区域的传热系数用Ki表示（i为序号，下同），面积用Ai表示，则车辆传热系数Kjc可由公式（4）进行计算[3][4][5]。

（4）

 上述计算未考虑热桥带来的影响，因此需要进行修正。根据工程经验，通过热桥的传热量占总传热量的20%-30%，本文保守地认为其传热量占比为30%。因此，整车传热系数可用公式（5）进行修正。

               （5）

在进行车辆隔热设计时，应首先分析合同中关于传热系数的约定。若合同中无特别约定，应根据车辆所属地区参照有关标准，如EN 14750-1:2006《铁路车辆-城市轨道车辆空调 第1部分：舒适度参数》。防寒材的厚度是影响车辆隔热性能的关键参数，在初步设计时，应根据同车型以往的经验，确定各区域防寒材厚度的初值。按本文中介绍的传热系数计算方法开展初步评估，若不满足要求，可优化公式（4）中的δ4，λ4取值，必要时可借助Isight等优化计算软件帮助获得各区域防寒材厚度的最佳取值。

5 总结

本文以城轨车辆为例，介绍一种轨道车辆传热系数计算方法，将车辆划分为侧墙区域、顶部区域、地板区域、端墙区域、车门区域、侧窗区域。分别计算各区域的传热系数，测量各区域的面积，通过面积的加权平均计算出车辆的传热系数。在各区域传热系数计算过程中，将中空铝型材等效为一种与原结构具有相同厚度的各向同性的实体，等效导热系数由仿真计算得出。在此基础上，可将围护结构简化为两层平壁结构，可根据公式快速评估各区域传热系数。此外，介绍了一种初步隔热设计方法，在开展车辆隔热设计时，可作为重要参考依据。

参考文献：

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[4]齐凯文,苑玉展,徐刚.高速列车车体铝合金型材传热系数仿真计算方法研究[J].世界有色金属,2017,No.483(15):260-261+263.

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