内燃动车组烟道柜温度场研究

内燃动车组烟道柜温度场研究

周强强

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：为研究某内燃动车组车内烟道柜的空气流动与通风散热问题，采用数值模拟方法，分析了车辆在不同工况下烟道柜内部温度场分布。结果表明：烟道柜上与侧墙上的进风格栅位置布置合理，空气流动满足设计需求，有效确保了烟道柜内各区域温度在设计范围内。

关键词：内燃动车组；烟道柜；温度场

中车唐山机车车辆有限公司出口的某内燃动车组采用车下安装的内燃动力总成，柴油机产生的高温废气通过排烟管路，由车下消音器经车内烟道柜排放至车顶大气环境中。排烟管路已经过多种隔热及防护措施，但由于废气温度较高（高达540℃），极易影响车内乘客安全与各设备的正常使用，因此，需对烟道柜的通风散热进行气动流场仿真计算，检验百叶窗、通风格栅布置位置的合理性，为设计优化提供依据。

排烟管路布置在MC车一位侧，管路进口废气的最高温度540℃，管路外表面包裹2层隔热材质，保证隔热材外表面温度不高于80℃。车内的排烟管路布置在烟道柜内，烟道柜内壁面铺设1层隔热材，侧墙内壁面铺设防寒材，进一步降低管路壁面对烟道柜的辐射热与散热空气对烟道柜的热传导。烟道柜通过车顶隔板保证其为相对封闭的腔体，其内的通风散热仅通过侧墙百叶窗（共1个）、烟道柜上通风口（共4个）及车顶导筒进行。车下底架的导筒通过隔热材进行密封封堵，如图1所示。

一、计算边界条件与工况

（1）内燃动车组设计速度为80km/h。计算边界条件按大气绝对压力101325Pa，车外环境温度+38℃，侧向风速按0、5m/s进行设定。

（2）车内温度+26℃，相对压力+100Pa。

（3）排烟管路进口烟气温度540℃（介质假想成空气），排烟流量2040kg/h，管路内径160mm，包裹排烟管路后外壁面温度+80℃。

表1 计算工况

二、仿真计算模型创建

本文采用STAR-CCM+作为计算分析软件，采用Trimmer网格进行体网格划分，并对烟道柜进行加密，尤其是通风格栅，真实模拟格栅结构。总网格数约300万单元。网格划分如图2所示。

计算分析基于粘性、稳态雷诺时均形式的质量守恒方程、动量守恒方程。流场为紊态流场，计算中采用-两方程紊流模型来模拟紊态流体流动。

图2 计算模型网格划分

三、仿真计算结果分析

图3~图6给出了动车组在各工况不同车辆速度下，烟道柜内的温度分布云图，结果表明：

（1）无侧风、车辆静止工况下，烟道柜体的整体表面温度低于60℃，局部某点最高温度为67.98℃，位于侧墙附近，如图3（a）；烟道柜内空气温度主要集中在55℃左右，仅靠近高温管路表面的空气温度较高，如图3（b）、图3（c）。

（2）无侧风、车辆设计时速下，烟道柜体的整体表面温度低于50℃，局部最高温度为51.45℃，位于侧墙附近，如图4（a）；烟道柜内空气温度主要集中在52℃左右，如图4（b）、图4（c）。

（3）侧风5m/s、车辆静止工况下，烟道柜体的局部最高温度为45℃，位于侧墙附近，如图5（a）；烟道柜内除靠近高温管路表面的空气温度较高外，其余位置温度均低于50℃，如图5（b）、图5（c）。

（4）侧风5m/s、车辆设计时速下，烟道柜体的局部最高温度为45℃，位于侧墙附近，如图6（a）；烟道柜内除靠近高温管路表面的空气温度较高外，其余位置温度均低于50℃，如图6（b）、图6（c）。

结论

从以上计算结果分析得出，所有工况下烟道柜内整体温度均低于设计要求的60℃。

无侧风、静止工况烟道柜内温度相对最高，原因是静止工况下车内外压差较低，有效通风流量较低。

外界环境的侧风扰动能够促进烟道柜内外的空气流通，柜内温度得到明显降低。

参考文献：

[1]孙梅云，曾锐，孙玉华.内燃动车动力总成隔振性能分析[J].噪声与振动控制，2014，34(02):89-93.

[2]于书元.论我国内燃动车组的技术选择[J].内燃机车，2001，(05):12-15.