端面下斜導流板對高速列車轉向架防積雪性能的影響

丁叁叁，田愛琴，董天韻，周偉，李靚娟

（1. 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京，100044；2. 中國中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；3. 中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；4. 廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司，廣東 廣州，510010）

端面下斜導流板對高速列車轉向架防積雪性能的影響

丁叁叁1， 2，田愛琴2，董天韻3，周偉3，李靚娟4

（1. 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京，100044；2. 中國中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111；3. 中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；4. 廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司，廣東 廣州，510010）

針對風雪氣候條件下高速列車轉向架區(qū)域的防積雪結冰問題，設計端部下斜橡膠板導流方案?；赗NG k-ε湍流模型對15 m/s橫風環(huán)境、200 km/h運行車速條件下，不同導流板下斜距離方案的轉向架區(qū)域進風量、流線流速及對整車的氣動力影響進行計算和分析。研究結果表明：轉向架底面為主要進風來源，導流板下斜距離越大，轉向架區(qū)域的總進風量越小，下斜距離由40 mm增至60 mm，總風量減小幅度最高達50%；優(yōu)化前后流速流線對比顯示，下斜導流方案改變了運行前方底板下方來流流場，上揚氣流受導流板抑制往下流動，氣流繞過轉向架區(qū)域腔口抵達轉向架底部后方，有效減少了車底進入轉向架區(qū)域氣流；增加導流板后，隨著導流板下斜距離增加，整車阻力為增加趨勢，相比原型車最大增加2.4%。而橫向力、升力和傾覆力矩變化均在1.8%以下，影響較小。

防積雪；導流板；高速列車；RNG k-ε湍流模型

高速列車在寒冷冬季運行時，環(huán)境風雪和線路積雪會致使轉向架區(qū)域出現大面積積雪結冰，影響轉向架制動夾鉗等關鍵部件的正常工作，嚴重時會威脅到列車的運營安全［1-4］：因此，高速列車轉向架的防積雪結冰問題一直以來都是國內外鐵路運營部門所關注的重點［5］。風雪特性的機理研究工作主要包括對風吹雪的分類和規(guī)律的定性研究，也有對風雪流搬運和堆積特性的量化模擬研究［6-9］。李俊民等［10］從改善車下設備艙導流罩的空氣動力學性能的角度，運用 STARCCM+仿真進行3車編組的整車流場分析，證明改進的導流罩空氣流動性能良好且能緩解轉向架區(qū)域冰雪堆積。高速列車轉向架防積雪結冰措施方面，CRH-380B型高寒動車組采取在轉向架關鍵部件涂刷防冰雪涂層、增設空氣彈簧防雪罩等措施［11］。國外或利用空調、電機熱廢氣融雪，或給小間隙螺旋彈簧裝置密封處理，或在積雪關鍵部位增設導流板等措施［12］對轉向架進行局部改造，達到防雪防結冰的目的。本文作者通過在高寒動車組轉向架兩端設置下斜導流結構，研究不同下斜距離的轉向架區(qū)域進風量、流線流速及整車氣動力變化規(guī)律，以便為高寒動車組的防積雪結冰提供導流結構的優(yōu)化依據。

1　方案設計

雪花的空氣接觸面積較大，運動過程中所受阻力較大，因而雪粒子具有較好的運動跟隨性［13］。當雪花的運動軌跡中存在較多旋渦時，雪花便在旋渦內相互吸附，進而黏著在結構表面，造成堆積［10］。因此，空氣流場的變化，即空氣流速流線變化可間接反映積雪情況。

對高速列車而言，進入轉向架區(qū)域的氣流從轉向架中后部揚起［14］，本方案通過在端面安裝下斜導流板，將氣流上揚角減小，進而減少進入轉向架區(qū)域的氣流，降低進風量，從而改善積雪情況。下斜導流方案的安裝幾何模型如圖1所示。

圖1　橡膠導流板下斜示意圖Fig. 1　Schematic diagram of oblique rubber plate

下斜橡膠導流板長度取為 160 mm，在保證限界的情況下，導流板下斜距離h分別取20，40，60 mm，與未做導流處理的原型車進行比較。

2　計算模型

計算車型選取高寒動車組，選取3節(jié)車作為計算編組模型，編組車輛的運行方向、轉向架編號及導流板設置分布如圖2所示。

圖2　3節(jié)車編組的下斜導流板分布Fig. 2　Inclined guiding plate distribution of the 3-car model

計算區(qū)域如圖3所示。其中，H為1個車高距離，長×寬×高為45H×23H×10H。

列車高速運行時車體近壁面會形成沿表面法線方向速度梯度很大的邊界層，因此，車體近壁面采用較細網格來模擬附面層。

網格由 OpenFOAM軟件生成，車體最小網格尺寸為2.5 mm，轉向架最小網格長度為1.25 mm。車體和轉向架壁面上布置了8層均勻分布的附面層網格，最內層網格厚度為0.6 mm，同時對車體附近流域做加密處理，計算域網格總數達6 000萬。車體附近區(qū)域網格如圖4所示。

圖3　計算區(qū)域Fig. 3　Computational area

車體周圍第1層網格距離y+（量綱為一）在30～300之間，滿足RNG雙湍流模型和N-S方程求解流場的要求。

仿真計算在Fluent軟件中進行，速度壓力耦合采用SIMPLEC格式，壓力插值采用2階格式，動量、湍動能及湍流耗散率均采用QUICK格式，采用標準壁面函數控制靠近壁面區(qū)域流場求解?？紤]列車運行速度為200 km/h，環(huán)境橫風風速為15.0 m/s條件，具體邊界條件設置如表1所示。

圖4　車體附近區(qū)域網格Fig. 4　Meshes around car-body surface

表1　邊界條件Table 1 Boundary conditions

為驗證本文所選數值模擬方法及網格條件的可靠性，采用本文數值方法和網格策略對文獻［15］風洞試驗所用的CRH2型車進行阻力計算。計算模型采用與風洞試驗一致的CRH2型動車組三維模型，通過前端吹風模擬列車與環(huán)境風的相對運動，各工況下入口固定風速為60 m/s，流場雷諾數為1.7×106，出口邊界定義為壓力出口邊界，靜壓為0 Pa。阻力系數的數值計算與風洞實驗對比結果如表2所示。

表2　數值計算與風洞試驗結果對比Table 2 Results comparison between numerical simulation and wind tunnel test

由表2可知：該計算方法與風洞試驗的最大相對誤差為1.9%，能夠滿足工程計算精度要求。

3　優(yōu)化結果分析

3.1優(yōu)化前后風量比較

定義轉向架區(qū)域底面、迎風側、背風側的進風風速與切面面積的積分為不同位置的進風量。計算得到導流板不同下斜高度方案下各轉向架區(qū)域的進風量情況如表3所示。對各轉向架導流板不同下斜距離方案的進風量相對于原型車的減少百分比進行統(tǒng)計，其統(tǒng)計直方圖如圖5所示。

由計算結果可知：

1） 轉向架底面是主要進風來源，迎風側進風量相對較少，背風側進風量基本可以忽略。

2） 增設導流板后轉向架區(qū)域進風量均減少 15%以上。轉向架區(qū)域迎風、背風側進風量隨橡膠導流板下斜距離的增加而有增有減，但占主導作用的底面進風量在下斜距離60 mm方案下進風量下降效果顯著。因此，橡膠導流板下斜距離越大，總進風量越小。

3） 以轉向架2為例，與原型車相比，導流板下斜距離 20 mm方案總進風量減少 31.58%，下斜距離40 mm方案總進風量減少32.99%，總風量減小幅度不大；但下斜距離60 mm方案總進風量減少42.67%，下斜距離由40 mm增加到60 mm，總風量減小幅度明顯提升。轉向架3～轉向架5的總風量變化規(guī)律類似。

4） 由于位置的對稱性，轉向架2與轉向架5、轉向架3與轉向架4優(yōu)化效果類似。而由于在該計算工況下，轉向架1沿運行來流方向前端未設置下斜導流板，其進風量降低效果不明顯，而轉向架6前端經導流板優(yōu)化，后端無導流結構阻礙，其總風量減少幅度達50%。

表3　各轉向架區(qū)域進風量Table 3 Regional air flow of each bogie m3/s

圖5　各方案總進風量相比原型車減少百分比Fig. 5　Air flow decrease percentage compared with prototype

3.2優(yōu)化前后流線流速比較

選取前端、后端均增設了導流板的轉向架2區(qū)域進行流線分析，以轉向架區(qū)域中心沿車體長度方向的縱切面作流線圖，如圖6所示。

圖6　轉向架2區(qū)域中心縱切面流線圖Fig. 6　Streamline of bogie No.2 in longitudinal section

與原型車相比，轉向架2區(qū)域前端安裝下斜橡膠導流板后，前端下方氣流方向改變，上揚氣流減少并受下斜橡膠導流板的抑制，向下導流，轉向架內部形成凹腔流動，從前方底部來的氣流越過腔口流到轉向架底部后方；車體下方氣流流經后端下斜板時，部分氣流受到下斜板的阻礙，沿著下斜板上揚并回流，會存在一部分受橫風影響向背風側流出，導流板下斜距離越大，后部向背風側流動的回流氣流會有所增加。

頭尾端轉向架區(qū)域中心沿車體長度方向的縱切面作流線圖，如圖7所示。

圖7　頭尾端區(qū)域中心縱切面流線圖Fig. 7　Streamline of bogie on both ends in longitudinal section

下斜導流板的設計方案中，轉向架6后端、轉向架1前端均未設置導流板，其原因有：

1） 轉向架1前端與轉向架6后端為垂直端面形式，與其他位置的傾斜形式相比，其阻流作用使前端來流避過了轉向架內腔區(qū)域，能夠實現下斜導流板的同等功能。

2） 轉向架 6的前端導流板改變了底部前端來流方向，使氣流繞過轉向架底部，同時由于后端未設置下斜導流板，只有小部分氣流回流到轉向架區(qū)域，否則會增大轉向架6后端區(qū)域的回流風量。

作為轉向架制動單元的關鍵部件，對轉向架2的制動盤迎風、背風側縱切面速度場進行分析。速度場切面圖如圖8所示。

圖8　轉向架區(qū)域制動盤處切面速度場Fig. 8　Velocity of Section field of the bogie brake disc

從圖8可知：不論是迎風側還是背風側，增加導流板后，轉向架前端區(qū)域1的上部氣流明顯減少，反映為前端制動盤后方構架下部區(qū)域2的低速氣流區(qū)域增大；在轉向架迎風側向后流出的氣流由于受下斜橡膠導流板的阻礙向背風側回流，端面處區(qū)域3卷起的氣流流速增加。

綜上所述，轉向架區(qū)域前進端設置的下斜導流板能夠有效減少車底進入轉向架的氣流，下斜距離越大，對進入轉向架區(qū)域并揚起的氣流狀況改善越好。但在轉向架區(qū)域后端設備艙端面安裝下斜橡膠導流板不利于轉向架區(qū)域氣流的排出，下斜距離越大，反而會導致回流。

3.3優(yōu)化前后氣動力比較

在橫風速度為15 m/s、車速為200 km/h運行條件下，將不同導流橡膠板下斜高度方案下的動車組整車氣動力與原型車進行對比，對比結果如圖9所示。

當橡膠塊略微下斜時，底罩附面層分離現象滯后，其阻力與原型車相比有所下降。隨著下斜距離增加，車體表面附面層發(fā)生分離現象，阻力逐漸增大，導流板下斜距離為 60 mm方案與原型車相比，阻力增加2.4%；橫向力、升力、傾覆力矩則隨著下斜距離增加，相對原型車在1.8%以內變化。

圖9　氣動力比值Fig. 9　Aerodynamic force ratio

4　結論

1） 轉向架底面為主要進風來源，隨著導流板下斜距離增大，轉向架區(qū)域的總進風量減小，下斜距離由40 mm增至60 mm時優(yōu)化效果明顯，總風量減小幅度高達50%。

2） 運行前方底板下方的空氣流場受轉向架端部下斜導流板的抑制，氣流繞過轉向架區(qū)域腔口抵達轉向架底部后端，受后端下斜導流板影響，在轉向架尾部形成了一定的反射流。

3） 隨著導流板下斜距離增加，車體表面附面層發(fā)生分離現象，車體阻力較原型車略微增加，而橫向力、升力和傾覆力矩僅有小幅變化，但總體影響很小。

4） 提出的端面下斜橡膠導流方案能夠有效優(yōu)化轉向架內部流場，為高寒地區(qū)高速列車轉向架的防積雪結冰提供科學依據。

［1］ TIAN Hongqi， HUANG Sha， YANG Mingzhi. Flow structure around high-speed train in open air［J］. Journal of Central South University， 2015， 22（2）： 747-752.

［2］ 田紅旗. 中國惡劣風環(huán)境下鐵路安全行車研究進展［J］. 中南大學學報（自然科學版）， 2010， 41（6）： 2435-2443.TIAN Hongqi. Research progress in railway safety under strong wind condition in China［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2010， 41（6）： 2435-2443.

［3］ TIAN Hongqi. Formation mechanism of aerodynamic drag of high-speed train and some reduction measures［J］. Journal of Central South University， 2009， 16（1）： 166-171.

［4］ TIAN Hongqi. Determination method of load balance ranges for train operation safety under strong wind［J］. Journal of Central South University， 2015， 22（3）： 1146-1154.

［5］ Lennart Kloow. High-speed train operation in winter climate［D］. KTH Railway Group and Transail， Royal Institute of Technology，2001： 27-39.

［6］ Serine A， Shimura M， Maruoka A， et al. The numerical simulation of snowdrift around a building［J］. International Journal of Computational Fluid Dynamics， 1999， 12（3/4）：249-255.

［7］ THIIS T K. A comparison of numerical simulations and full-scale measurements of snowdrifts around buildings［J］. Wind & Structures An International Journal， 2000， 3（2）： 73-81.

［8］ BEYERS M， WAECHTER B. Modeling transient snowdrift development around complex three-dimensional structures［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial， 2008， 96（S10-11）：1603-1615.

［9］ BEYERS J H M， SUNDSBO P A， HARMS T M. Numerical simulation of three-dimensional， transient snow drifting around a cube［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial， 2004， 92（9）：725-747.

［10］ 李俊民， 單永林， 林鵬. 高速動車組轉向架防冰雪導流罩的空氣動力學性能分析［J］. 計算機輔助工程， 2013（2）： 20-26. LI Junming， SHAN Yonglin， LIN Peng. Analysis on aerodynamic performance of anti-ice/snow dome of high speed motor train unit bogie［J］. Computer Aided Engineering， 2013（2）：20-26.

［11］ 王辛娜. 哈爾濱 17項精尖防冰雪技術升級高鐵［EB/OL］. ［2013-12-29］. http：//ha.sytlw.com/sytlw/info/2014/0723/32666. WANG Xinna. 17 advanced anti-icing technology in Harbin for upgrading high-speed railway［EB/OL］. ［2013-12-29］. http：//ha. sytlw.com/sytlw/ info/2014/0723/32666.

［12］ BETTEZ M. Winter Technologies for High Speed Rail［D］. Sweden： Norwegian University of Science and Technology. Department of Civil and Transport Engineering， 2011： 4-6.

［13］ 王廷亮. 鐵路風吹雪災害數值模擬及防治技術研究［D］. 蘭州：蘭州大學土木工程與力學學院， 2012： 40-43. WANG Tingliang. Study on numberical simulation and prevention measures of the drifting snow disaster along railway［D］. Lanzhou： Lanzhou University. School of civil Engineering and Mechanics， 2012： 40-43.

［14］ 李靚娟， 張潔， 劉堂紅. 動車組車輪流場數值模擬［J］. 鐵道科學與工程學報， 2014， 11（4）： 115-120. LI Liangjuan， ZHANG Jie， LIU Tanghong. Numerical simulation of flow field around wheel of EMU［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2014， 11（4）： 115-120.

［15］ 張在中， 周丹. 不同頭部外形高速列車氣動性能風洞試驗研究［J］. 中南大學學報（自然科學版）， 2013， 44（6）： 2603-2608. ZHANG Zaizhong， ZHOU Dan. Wind tunnel experiment on aerodynamic characteristic of streamline read of high speed train with different read shapes［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2013， 44（6）： 2603-2608.

（編輯 羅金花）

Influence of inclined guiding plate on anti-snow performance of high-speed train bogie

DING Sansan1， 2， TIAN Aiqin2， DONG Tianyun3， ZHOU Wei3， LI Liangjuan4

（1. Mechanical， Electronic and Control Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China；
2. CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China；
3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education，
School of Traffic & Transportation Engineering， Central South University， Changsha 410075， China；
4. Guangzhou Mass Transit Engineering Consultant Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， China）

Inclined rubber guiding plate was designed for anti-snow problem of high-speed train bogie in blown snow conditions. Adopting the RNG k-ε turbulence model， air intake volume， flow line， flow velocity of the bogie area with different slant distances as well as its influence on car-body aerodynamic force were calculated and analyzed at the cross wind speed of 15 m/s and train speed of 200 km/h. The results show that bottom side is the major air intake source of bogie area. The total air intake volume of bogie area decreases as slant distance increases. Decrease rate of the total air intake volume can reach 50% when the slant distance grows from 40 mm to 60 mm. Air flow below the frontage bottom plate is changed by the installed guiding plate. Air streamline passes by the bogie cavity and goes straight to the rearbottom plate， which effectively decreases the air flow into the bogie area. As the slant distance increases， boundary layer separation of car-body surface occurs and aerodynamic drag increases by 2.4% compared with that of the original car. However， lateral force， lift force and overturning moment vary within 1.8 %， which has little effect on safety.

anti-snow performance； flow guiding plate； high-speed train； RNG k-ε turbulence model

U271.91

A

1672-7207（2016）04-1400-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.041

2015-02-18；

2015-04-20

中國鐵路總公司研究開發(fā)計劃項目（2013G006）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題（2013J008-E）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重大課題（2014T002-A）（Project （2013G006） supported by the Research and Development Program of China Railway Corporation； Project （2013J008-E） supported by the Key Program of Technological Research and Development of China Railway Corporation；Project （2014T002-A） supported by the Major Program of Technological Research and Development of China Railway Corporation.）

丁叁叁，高級工程師，從事高速列車空氣動力學研究；E-mail：dingsansan@cqsf.com