列车不透光围护结构热阻优化研究

摘要

随着交通运输领域的快速发展，其能源消耗量占社会终端能耗的比重越来越高。交通运输车体围护结构热工性能的优劣关系车辆供暖（或空调）系统能耗的大小及车内环境的舒适性，高速列车更是如此，国内外多家机构及研究人员对此进行了研究，目前成果显示:1）整车围护结构传热系数大于1.456 W/(m2·K);2)数值模拟研究与实验测试仍存在一定误差。
　　与车体透光围护结构相比，不透光围护结构相对复杂，其中不可避免存在大量狭窄的空腔（水平和竖直）。狭窄空腔的传热是一维的，且两个热流垂直面远大于其它四个面。空腔的存在不但增加了车体围护结构的热阻，而且为利用辐射机理进一步强化空腔热阻，降低整车围护结构传热系数创造了条件。基于以上分析，本文以CRH2高速列车为研究对象，通过粘贴铝箔改变车体内狭窄封闭空腔（水平和竖直）内壁面发射率的方法减少空腔辐射换热份额，从而达到降低车体传热系数的目的。具体研究工作及成果如下所述。
　　1)通过对CRH2高速列车车体围护结构中空腔结构和面积等情况进行了计算和分析可知，车体内部空腔面积占不透光围护结构面积的比率超过80％，其中，车体顶部空腔厚度最大可达100 mm左右，其余车体空腔厚度普遍为5-50 mm左右。
　　2)本文分别采用冷热面单面粘贴铝箔和双面粘贴铝箔的方式，改变狭窄封闭竖直空腔内壁面的发射率。然后通过实验的方法，分别对5mm、10mm和15mm三种厚度，不同内壁面发射率狭窄封闭竖直空腔的传热系数进行了测试，并基于测试数据对其辐射换热的份额和当量导热系数进行了计算和分析，结果显示:常规材料狭窄垂直空腔中，辐射换热占据主导地位，测试范围内，空腔辐射换热份额随厚度增大，最高可达80％左右;由于厚度增大了热阻，狭窄竖直空腔的平均当量传热系数随厚度降低;空腔内壁面粘贴铝箔可有效大幅降低空腔的辐射换热份额和当量导热系数，当量导热系数降低的效果随厚度的增大越发明显，最高可达62％左右。双面贴铝箔隔热效果优于单面贴铝箔5％左右。
　　3)通过实验的方法，分别对10mm、15mm和20 mm三种厚度，不同内壁面发射率狭窄封闭水平空腔的传热系数进行了测试和分析，结果与狭窄封闭竖直空腔相似，测试范围内，水平空腔辐射换热份额最高可达79％左右;双面贴铝箔隔热效果优于单面贴铝箔2％左右。
　　4)采用数值模拟的方法，分别对以上实验测试空腔的传热系数进行了计算，并将两者结果进行了对比分析，结果显示本文采用的数值模型和方法合理有效，可以以此进行空腔和车体传热特性的数值计算。同时，数值结果也佐证了本文的实验结果。
　　5)结合CRH2高速列车车体的具体结构特点，建立了包含狭窄封闭空腔车体不透光围护结构的数值物理模型，采用数值模拟的方法分析了车体不透光围护结构的温度场及速度场。
　　6)在考虑车体围护结构空腔、冷桥的共同作用条件下，通过数值模拟分别计算了CRH2高速列车现车体及其热阻强化后的传热系数K值，分别为1.453 W/(m2·K)和1.444 W/(m2·K)。
　　铝箔胶带价格低廉、易于粘贴。通过本文研究可知，采用车体内部空腔壁面粘贴铝箔的方式，可有效降低整车车体围护结构传热系数，从而降低列车供暖和空调系统能耗，并改善车厢环境的热舒适。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景、意义和目的

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的目的

1．2 车体传热特性的国内外研究现状

1．3 封闭空腔传热特性的国内外研究现状

1．4 本文的主要工作

1．4．2 研究方法

2 列车车体结构、传热过程及其描述

2．1 CRH2型车体结构特点

2．2 车体传热的描述

2．2．1 车体传热过程

2．2．2 导热描述

2．2．3 对流传热描述

2．2．4 辐射换热

2．2．5 边界条件

2．3 车体隔热壁传热指标

3 狭窄封闭空腔传热特性及其优化实验研究

3．1 当量导热系数的实验原理

3．2 车体导热性能实验系统

3．2．1 实验台主体设计

3．2．2 实验系统

3．2．3 实验试件模型

3．3 实验步骤

3．4 误差分析

3．5 狭窄封闭竖直空腔实验

3．5．1 15mm厚竖直空腔数据及分析

3．5．2 10mm厚竖直空腔试件的测试结果

3．5．3 5mm厚竖直空腔试件的测试结果

3．5．4 厚度对竖直空腔传热过程的影响

3．5．5 实验结果与分析

3．6 狭窄封闭水平空腔实验

3．6．1 20mm厚水平空腔数据及分析

3．6．2 15mm厚水平空腔试件的测试结果

3．6．3 10mm厚水平空腔试件的测试结果

3．6．4 厚度对水平空腔传热过程的影响

3．6．5 实验结果与分析

4 狭窄封闭空腔传热特性及其优化数值研究

4．1 数值模型及方法

4．1．1 物理建模

4．1．2 数学模型

4．1．3 模型的初始和边界条件

4．1．4 数值方法及网格划分

4．2 狭窄封闭竖直和水平空腔传热特性的数值结果与分析

4．2．1 狭窄封闭竖直空腔传热特性数值结果与分析

4．2．2 狭窄封闭水平空腔传热特性数值结果与分析

4．3 本章小结

5 列车车体不透光围护结构传热系数及其优化研究

5．1 列车车体围护结构中空腔介绍

5．2．2 等效K值的计算

5．2．3 平壁K值的计算

5．2．4 冷桥K值的计算

5．3 列车部分结构传热模型及数值研究

5．3．1 侧墙

5．3．2 顶板

5．3．3 地板、端墙

5．3．4 冷桥

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果