高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪形成原因及防積雪研究

苗秀娟，何侃

高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪形成原因及防積雪研究

苗秀娟1, 2，何侃3

(1.工程車輛安全性設(shè)計與可靠性技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410076； 2. 長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，湖南 長沙，410076； 3. 中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

為解決大風(fēng)雪環(huán)境下高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域發(fā)生的嚴(yán)重積雪結(jié)冰問題，采用三維雷諾時均SST雙方程湍流模型和有限體積法對CRH380型高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場進行數(shù)值模擬，分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪成因及易積雪部位，提出轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場流動控制方法。研究結(jié)果表明：氣流經(jīng)列車底部至轉(zhuǎn)向架區(qū)域時發(fā)生上揚，直接作用在轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)，進而形成雪花堆積；部分氣流在轉(zhuǎn)向架各死角處減速，導(dǎo)致隨氣流運動的雪花在附近滯留、黏附；制動裝置、彈簧懸掛裝置、心盤以及轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)等為主要的積雪結(jié)冰部位；轉(zhuǎn)向架周圍的車體底板距離軌面的高度直接影響氣流進入到轉(zhuǎn)向架的揚起角，建議保持車體底板高度一致；設(shè)計的流動控制裝置有效減少了進入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域46.51%的氣流，從而改善了轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場結(jié)構(gòu)。

高速列車；轉(zhuǎn)向架；積雪成因；流動控制；數(shù)值模擬

我國鐵路線路長、區(qū)域跨度大，列車所處的運行環(huán)境復(fù)雜多變。當(dāng)列車在我國東北、新疆北部以及青藏高原等寒冷區(qū)域運行時，將不可避免地遭受風(fēng)雪襲擊。目前，高速列車雖然整體上采用流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計，但在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，為了檢修方便(觀察檢查)以及避免轉(zhuǎn)向架和車體的干涉(有相對運動)，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)大都裸露在外。當(dāng)列車長時間在風(fēng)雪環(huán)境中高速運行時，轉(zhuǎn)向架底部和側(cè)部的空氣直接灌入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成復(fù)雜的湍流運動。由于雪花質(zhì)量很小，其運動軌跡容易受到氣流擾動的影響，因此，環(huán)境風(fēng)中攜帶的雪花顆粒隨之流入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域。當(dāng)運動行程中產(chǎn)生較多氣流漩渦時，雪花顆粒便在漩渦內(nèi)相互吸附，黏附在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)表面，進而形成堆積[1]。雪花顆粒將會隨著列車運行時間的增長而越積越多。當(dāng)轉(zhuǎn)向架上存在電機、齒輪箱、彈簧、制動盤等發(fā)熱部件時，其產(chǎn)生的熱量將會被雪花吸收，形成雪水。當(dāng)熱源冷卻或雪水運動至熱源遠(yuǎn)端時，受到周圍環(huán)境的冷空氣影響，雪水又轉(zhuǎn)化成冰，周而復(fù)始，轉(zhuǎn)向架上的積雪結(jié)冰情況將會越來越惡劣，最終導(dǎo)致軸質(zhì)量增加、懸掛及制動部件動作不良甚至失效，惡化車輛動力學(xué)性能，致使運行出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致事故發(fā)生。同時，運動中的結(jié)冰墜落威脅著地面設(shè)備(設(shè)施)、車下設(shè)備，而積雪也會對轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場產(chǎn)生干擾，可能會惡化流場結(jié)構(gòu)，加劇雪花堆積，所以，列車回庫需要耗費大量人力除冰。因此，有必要對動車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪成因進行深入研究，從而找到改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場并減少積雪結(jié)冰的方案。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者采用數(shù)值模擬對轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場進行了分析。IGLESIAS等[2]指出空氣進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域圍繞其各部件形成循環(huán)復(fù)雜的紊流。黃莎等[3]通過數(shù)值模擬研究，設(shè)置裙板對轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場進行了整流。FLYNN等[4]發(fā)現(xiàn)某型貨運列車空氣流速最高的地方在轉(zhuǎn)向架區(qū)域。鄭循皓等[5]研究了高速列車轉(zhuǎn)向架的氣動阻力特性，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣流動是非常復(fù)雜的，并且提出適當(dāng)改變列車底部形狀，可以改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場。ORELLANO等[6]研究了側(cè)風(fēng)下列車運行的安全穩(wěn)定性。以上對于轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)及流場方面的研究主要考慮的是噪聲與氣動力，并未涉及轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰形成原因以及積雪防治方面的研究。而人們對列車積雪方面的研究大多集中在改善列車運行環(huán)境以及清除已形成的積雪上。FUJII等[7]在考慮了經(jīng)濟方面可行的情況下，提出適當(dāng)降低的列車的運行速度從而減少雪花落入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。KIM等[8]通過數(shù)值模擬研究了列車上安裝的電熱融雪系統(tǒng)。AZUMA等[9]利用管道將空調(diào)系統(tǒng)排出的氣體引入轉(zhuǎn)向架區(qū)域從而起到融雪作用。韓運動等[10]測試了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場，提出轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪花源自底部來流。LUDVIGSEN 等[11]統(tǒng)計了大量數(shù)據(jù)并通過建立回歸模型研究了風(fēng)雪天氣對歐洲貨運列車運行帶來的負(fù)面影響，但是未能從流場的角度分析積雪產(chǎn)生的原因以及其防治措施。雪花顆粒密度雖然比空氣的大，但是其形狀較復(fù)雜，易受空氣動力的作用影響。研究表明[12]：當(dāng)起動風(fēng)速達(dá)到10.7 m/s以上時，雪花顆粒會被運動的漩渦群卷入氣流并懸浮在空氣中隨風(fēng)運動；高速列車運行時其周圍流場的風(fēng)速一般可以達(dá)到50 m/s以上。所以，雪花顆粒相對氣流有較強的跟隨性，可以通過描述空氣的流動來間接說明雪花顆粒在空氣中的運動軌跡，并需要了解氣流在列車周圍的流動情況。本文結(jié)合空氣動力學(xué)理論，對CRH380型高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場進行數(shù)值模擬，從流場的角度分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪成因及易積雪部位。從氣流流動控制入手，提出一種轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪改進方法，以便為防積雪轉(zhuǎn)向架設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模擬方法的適用性分析

利用工程中廣泛應(yīng)用的剪切壓力傳輸SST?湍流模型進行流場模擬。該模型綜合了近壁?模型的穩(wěn)定性及邊界層外部?獨立性的特點，對描述近壁面自由流精確性較高。夏超等[13]采用多種不同湍流模型模擬了列車外流場并將計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比，證明了SST?湍流模型的準(zhǔn)確性非常高。毛軍等[14?15]采用SST?湍流模型對高速列車周圍流場進行了數(shù)值模擬研究，并將計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明SST?湍流模型是適用的。以上研究結(jié)果表明：對于高雷諾數(shù)的高速列車周圍流場，采用SST?湍流模型進行模擬研究是準(zhǔn)確且可行的。流動控制方程以及各常數(shù)的具體取值見文 獻[16]。

2 數(shù)值模擬計算模型、區(qū)域及邊界條件

2.1 數(shù)值模擬幾何模型

本文研究對象是車型為CRH380型高寒動車組。該車型一般為8節(jié)車輛編組運營，全長200.65 m，每節(jié)車廂下各有2個轉(zhuǎn)向架，因此，共有16個轉(zhuǎn)向架。若從列車頭部開始研究各個轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場以及分析積雪情況，則計算量較大。實際上，由于列車是1個細(xì)長體，當(dāng)高速列車在運行時，氣流在離車頭一定距離后，在列車中部的流場結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，所以，將縮短的列車模型與完整列車模型相比，其流場基本特征變化并不大[17]。為減小計算規(guī)模而又不失準(zhǔn)確性，采用3節(jié)車模型進行模擬，整個計算模型由1節(jié)頭車、1節(jié)中間車和1節(jié)尾車組成，共包含6個轉(zhuǎn)向架區(qū)域。為方便區(qū)分，從頭車第個轉(zhuǎn)向架至尾車最后1個轉(zhuǎn)向架分別編號為1~6號。圖1所示為車體幾何模型示意圖，其中頭車轉(zhuǎn)向架為動車轉(zhuǎn)向架，中間車轉(zhuǎn)向架為拖車轉(zhuǎn)向架。

本文主要研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場，故對車體和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進行簡化，省略了轉(zhuǎn)向架表面的管線等細(xì)小結(jié)構(gòu)，同時，對各個運動件之間的間隙進行調(diào)整，以方便網(wǎng)格離散和數(shù)值計算?？紤]轉(zhuǎn)向架各個部件對其所在流場的影響，盡可能地保障動車組轉(zhuǎn)向架的完整性。在轉(zhuǎn)向架上存在的許多發(fā)熱元件如制動鉗夾、制動盤在列車制動時會產(chǎn)生大量的熱量，電機在車輛運行時也會產(chǎn)生熱量，齒輪箱內(nèi)的齒輪之間的摩擦也會產(chǎn)生熱量。這些熱量都可能使覆蓋在其上的雪花融化，甚至在列車運行時，空氣中的雪粒子碰到上述設(shè)備就直接融化為水，所以，在計算時需要重點關(guān)注這些部位。

2.2 數(shù)值模擬計算模型及邊界條件

采用3節(jié)CRH380B型高寒動車組為計算模型，同時對車輛進行簡化，省略車體表面的一些細(xì)小部件。車體、轉(zhuǎn)向架及其周圍區(qū)域均采用六面體網(wǎng)格進行劃分。為準(zhǔn)確模擬轉(zhuǎn)向架周圍渦流的形成和脫落以及附面層效應(yīng)，對車體、轉(zhuǎn)向架、地面、道床以及鋼軌等近壁面附近的單元進行加密處理。本文研究的是轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪形成原因，故主要關(guān)心轉(zhuǎn)向架周圍的列車底部流場情況。相對轉(zhuǎn)向架周圍網(wǎng)格而言，車體兩端以及頂部網(wǎng)格對車體底部流場影響不大，因此，該網(wǎng)格較稀疏。密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長因子均勻過渡，這樣既保證了精度要求，又減少了計算量，并加快了收斂速度?？臻g體單元總數(shù)約為3 000萬。流場整體網(wǎng)格如圖2所示。計算采用天河二號廣州超級計算中心高性能計算平臺，采用60個CPU并行計算。

為真實模擬動車組運行時車體底部的流場結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際比例增加鋼軌和道床模型。為保證流場的充分發(fā)展，避免邊界條件對轉(zhuǎn)向架周圍流場結(jié)構(gòu)的影響，計算采用1:8的縮比模型，建立了長為30、寬為15、高為19的計算區(qū)域(其中，為車高)。計算區(qū)域如圖3所示。面與面定義為氣流入口，給定列車縱向速度為55.56 m/s以及側(cè)向速度為10 m/s的合成來流，模擬列車走行風(fēng)與橫風(fēng)；面與面定義為氣流壓力出口；頂部DCGH面定義為對稱面，使流域擴大。由于在列車運行中，車輪旋轉(zhuǎn)以及列車相對地面的滑移都會對轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣的流速產(chǎn)生一定的影響[18?19]，為真實地模擬列車與地面、輪對與地面的相對運動，地面、道床、鋼軌給定沿列車運行方向相反的滑移速度，輪對給予列車運行方向一致的旋轉(zhuǎn)角速度。

圖1 幾何模型

圖2 網(wǎng)格示意圖

圖3 計算區(qū)域

3 高速列車原型車轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰成因分析

轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰主要原因是轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子進入，并在轉(zhuǎn)向架上堆積、融化、結(jié)冰而成。而雪花由于形狀復(fù)雜，受到氣動力的影響較大，有較強的跟隨性，可以從流場流動方面尋找成因。為此，本文分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場情況，提出可能積雪的部位，并找到轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰成因。由于轉(zhuǎn)向架2和轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架3和轉(zhuǎn)向架5的流場結(jié)構(gòu)類似，因此，分別選取原型車的1，2，3和6號轉(zhuǎn)向架進行重點分析。

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線

空間流線可以直接顯示轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣的流向和流速以及氣流漩渦情況。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域取縱向截面，顯示二維空氣流線，如圖4所示。為了更清晰地觀察轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的流場情況，隱藏了轉(zhuǎn)向架一側(cè)構(gòu)架、輪對、彈簧懸掛裝置等遮擋視線的部件。

圖4 轉(zhuǎn)向架區(qū)域二維流線

通過分析空間流線發(fā)現(xiàn)：當(dāng)列車運行時，高速氣流夾帶雪花顆粒流經(jīng)轉(zhuǎn)向架區(qū)域且上揚，氣流進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域后受到轉(zhuǎn)向架各部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響，形成低速漩渦，此時雪花顆粒跟隨性降低，從而容易黏附在轉(zhuǎn)向架各部件上，形成堆積。圖5所示為轉(zhuǎn)向架周圍車體縱向剖面示意圖。結(jié)合圖4和圖5可以看出轉(zhuǎn)向架周圍車體結(jié)構(gòu)有很大差異，導(dǎo)致頭、尾車和中間車轉(zhuǎn)向架空間流場差別很大，具體體現(xiàn)在：

1) 在轉(zhuǎn)向架1區(qū)域，由于車體端面距離轉(zhuǎn)向架較遠(yuǎn)、轉(zhuǎn)向架裙板較短，轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)區(qū)域空隙較大(如圖5(a)所示)，導(dǎo)致氣流通過車體底板、轉(zhuǎn)向架裙板后上揚并作用在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，造成轉(zhuǎn)向架1區(qū)域流線紊亂；同時，由于受到設(shè)備艙端面和轉(zhuǎn)向架各個部件之間的阻擋影響，導(dǎo)致氣流反射，在彈簧懸掛裝置、制動裝置、牽引電機等形成漩渦。但在背風(fēng)側(cè)，端板傾斜，從而可以將氣流引出轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成較少漩渦，有效防止雪花停留。

圖5 各轉(zhuǎn)向架區(qū)域周圍車體結(jié)構(gòu)縱向剖面

2) 在轉(zhuǎn)向架2中，整體情況相比于轉(zhuǎn)向架1較好，主要是由于轉(zhuǎn)向架前端空隙距離比轉(zhuǎn)向架1的要小，相對設(shè)備艙距離較近(如圖5(b)所示)，導(dǎo)致氣流揚起不夠，大部分氣流只能從轉(zhuǎn)向架下部流過；同時，轉(zhuǎn)向架后端底板傾斜且距離地面較高，氣流未受到阻擋，形成漩渦較少。但由于氣流受到轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)阻擋，加之裙板較短，致使轉(zhuǎn)向架區(qū)域構(gòu)架中心、制動裝置、彈簧懸掛裝置等存在漩渦，形成較少積雪。

3) 在轉(zhuǎn)向架3處，由于“頭?中間車”間風(fēng)擋最低點、中間車端部底板距離地面較高以及轉(zhuǎn)向架裙板較短(如圖5(c)所示)，導(dǎo)致大部分氣流揚起并覆蓋在整個轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上，直接沖刷轉(zhuǎn)向架各部件迎風(fēng)側(cè)；同時，轉(zhuǎn)向架后端氣流受到設(shè)備艙垂直端面阻礙，造成反射，在轉(zhuǎn)向架背風(fēng)側(cè)形成漩渦，致使雪花停留、黏附，整個轉(zhuǎn)向架嚴(yán)重積雪。

4) 在轉(zhuǎn)向架6中，由于受到車頭曲面的影響，導(dǎo)致氣流通過面積增大(如圖5(d)所示)，大部分氣流較難流入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，只在轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域形成較少漩渦，并沒有大量氣流直接作用在轉(zhuǎn)向架上，但轉(zhuǎn)向架“前制動裝置”受到氣流直接作用、中后部區(qū)域受到氣流反射作用，仍然能形成少量積雪。

3.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域壓力

在轉(zhuǎn)向架中間位置取水平截面顯示空間壓力云圖，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)域空間壓力

從圖6可見：轉(zhuǎn)向架3周圍為較大面積的正壓區(qū)，主要是氣流直接上揚作用在轉(zhuǎn)向架上所致；轉(zhuǎn)向架1和轉(zhuǎn)向架2的正壓區(qū)較少，由于少部分氣流越過轉(zhuǎn)向架，造成轉(zhuǎn)向架存在部分極值較大的低壓區(qū)；轉(zhuǎn)向架6處在比較均勻的小負(fù)壓區(qū)，很少受到氣流的揚起作用。結(jié)合轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線可知：當(dāng)流線未揚起，直接從轉(zhuǎn)向架下部通過時，將造成轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域形成1個較小的均勻負(fù)壓區(qū)，從而改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場。

4 防積雪設(shè)計

由于高速列車的轉(zhuǎn)向架是經(jīng)過完善的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究設(shè)計的產(chǎn)物，因此，在設(shè)計防積雪方案時，不考慮改變轉(zhuǎn)向架自身的外形和結(jié)構(gòu)。防積雪方案主要基于原模型車進行轉(zhuǎn)向架周圍車體結(jié)構(gòu)改進，而保持轉(zhuǎn)向架位置、結(jié)構(gòu)等與現(xiàn)有動車組的一致性。由于最靠近車頭和車尾的2個轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場受車體外形影響較大，在實際運行和數(shù)值計算中，中間車轉(zhuǎn)向架的積雪情況較嚴(yán)重，而頭、尾車轉(zhuǎn)向架并不會有嚴(yán)重的積雪問題。在對原型車數(shù)值計算結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，3號轉(zhuǎn)向架是積雪最為嚴(yán)重的區(qū)域，因此，在設(shè)計改進方案時選取該轉(zhuǎn)向架進行重點分析。根據(jù)前面的流線分析可知，轉(zhuǎn)向架1，2和6區(qū)域內(nèi)的氣流比轉(zhuǎn)向架3區(qū)域的小。從轉(zhuǎn)向架區(qū)域周圍底架結(jié)構(gòu)看，各個轉(zhuǎn)向架區(qū)域與轉(zhuǎn)向架3前后兩端的端板存在很大區(qū)別：與轉(zhuǎn)向架3相比，轉(zhuǎn)向架1，2和6的上風(fēng)側(cè)端面底部距離軌道面較近，且轉(zhuǎn)向架1和轉(zhuǎn)向架2的端板與轉(zhuǎn)向架的距離也較近，從而導(dǎo)致上揚而進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流較少；而轉(zhuǎn)向架1，2和6的下風(fēng)側(cè)端板均存在傾斜結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)向架3下風(fēng)側(cè)端板的垂直結(jié)構(gòu)不同，將經(jīng)過轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流引導(dǎo)出轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成較少漩渦。防積雪方案設(shè)計主要有2種思路：一種是減少進入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域的高速氣流，從而減少雪花進入量，即通過流動控制方法引導(dǎo)氣流從轉(zhuǎn)向架底部通過，盡量避免氣流與轉(zhuǎn)向架接觸；另一種則是通過稀疏轉(zhuǎn)向架自身結(jié)構(gòu)或?qū)μ囟C構(gòu)(如空氣、彈簧)采取隔離措施，從而減少進入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流中的雪花在轉(zhuǎn)向架區(qū)域堆積。結(jié)合實際情況與流場分析，本文采取引導(dǎo)來流的方式，設(shè)計了如下防積雪方案：將上風(fēng)側(cè)車體底架端面高度拉低至與底罩平齊，前后兩側(cè)端板與轉(zhuǎn)向架之間的距離均拉近至0.16 m，在靠近轉(zhuǎn)向架前后兩端的底罩處各構(gòu)造1個三棱柱導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。具體方案措施見圖7。

三棱柱導(dǎo)流槽的結(jié)構(gòu)見圖8，其遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架一側(cè)斜角為15.5°，靠近轉(zhuǎn)向架一側(cè)斜角為35.5°，沿列車長度方向為1.3 m；沿列車寬度方向為1.4 m，最高點到底部端面距離為0.2 m。

對于將防積雪方案，采取與原始方案同樣的方法進行流場數(shù)值模擬，從而得到原始方案與防積雪方案的轉(zhuǎn)向架3區(qū)域空氣流線對比，見圖9。

雪花隨著氣流懸移，可以通過進風(fēng)量來間接對比雪花顆粒進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的量，如圖10所示。在轉(zhuǎn)向架的四周以及底面分別作切片，這5個切片與轉(zhuǎn)向架上端的車體底面將轉(zhuǎn)向架區(qū)域完全包裹在內(nèi)。定義垂直于上述各個面且流向指向轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部的氣流的風(fēng)速在各個面上的積分為進風(fēng)量，通過計算得到2種不同方案下轉(zhuǎn)向架3區(qū)域的進風(fēng)量，如表1所示。

圖7 優(yōu)化方案模型

圖8 三棱柱導(dǎo)流槽

圖9 轉(zhuǎn)向架3區(qū)域流線

圖10 轉(zhuǎn)向架區(qū)域進風(fēng)量示意圖

表1 轉(zhuǎn)向架3區(qū)域進風(fēng)量

對比轉(zhuǎn)向架3區(qū)域的原始方案與防積雪方案二維流線發(fā)現(xiàn)：與原始模型相比，進行防積雪改進之后上風(fēng)側(cè)底板拉低，端板向轉(zhuǎn)向架拉近，且安裝有導(dǎo)流裝置，因而，大部分氣流沿著導(dǎo)流裝置向下流動，未被揚起，減少了氣流直接對轉(zhuǎn)向架區(qū)域各部件的沖刷，轉(zhuǎn)向架前部流場明顯改善；后端雖然增加了引流結(jié)構(gòu)，但仍然受端面影響，部分氣流受阻，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部形成少量漩渦，對流場起到了一定的副作用。從三維空間流線圖可以看出：采用防積雪方案之后，上風(fēng)側(cè)氣流受到導(dǎo)流裝置的影響，并未在轉(zhuǎn)向架區(qū)域上揚，進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣大幅度減少，有效地阻擋了大量氣流夾帶雪花顆粒進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場結(jié)構(gòu)得到明顯改善。通過定量分析進一步驗證了防積雪方案的進風(fēng)量與原始方案相比降低46.51%，對轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪結(jié)冰起到了積極作用。目前，該防積雪方案已得到了實車實驗性研究，取得了較好效果。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)轉(zhuǎn)向架前端與設(shè)備艙(或車體端板)距離較近時，積雪較少；列車往返1次行駛后，頭尾車前端轉(zhuǎn)向架(頭部下方轉(zhuǎn)向架)積雪比其他轉(zhuǎn)向架的少。

2) 風(fēng)擋、底板最低點到軌面的距離決定了轉(zhuǎn)向架積雪的嚴(yán)重程度；當(dāng)距離較大時，積雪嚴(yán)重；當(dāng)距離較小時，積雪較少。

3) 形成積雪的主要原因是：氣流上揚直接作用在轉(zhuǎn)向架各部件上，將雪花帶至轉(zhuǎn)向架各死角處；轉(zhuǎn)向架區(qū)域存在大量的低速漩渦，導(dǎo)致從車體前方夾帶雪花而來的高速氣流在附近滯留，以致雪花黏附。

4) 制動裝置、彈簧懸掛裝置、心盤以及轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)等是主要的積雪部位。

5) 本文所設(shè)計的拉近車體端板、降低底板端面高度并在車體底板設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流裝置的優(yōu)化方案能使得氣流在經(jīng)過轉(zhuǎn)向架區(qū)域時未上揚進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，直接從轉(zhuǎn)向架下部通過，從而改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的進風(fēng)量比原始車型減少了46.51%，有效地防止了積雪進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。

[1] 李俊民, 單永林, 林鵬. 高速動車組轉(zhuǎn)向架防冰雪導(dǎo)流罩的空氣動力學(xué)性能分析[J]. 計算機輔助工程, 2013, 22(2): 20?26.LI Junmin, 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, 22(2): 20?26.

[2] IGLESIAS E L, THOMPSON D J, SMITH, M G. Component- based model for aerodynamic noise of high-speed trains[J]. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 2015, 126(1): 481?488.

[3] 黃莎, 楊明智, 李志偉, 等. 高速列車轉(zhuǎn)向架部位氣動噪聲數(shù)值模擬及降噪研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 42(12): 3899?3904. HUANG Sha, YANG Mingzhi, LI Zhiwei, et al. Aerodynamic noise numerical simulation and noise reduction of high-speed train bogie section[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(12): 3899?3904.

[4] FLYNN D, HEMIDA H, SOPER D. Detached-eddy simulation of the slipstream of an operational freight train[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 132(1): 1?12.

[5] 鄭循皓, 張繼業(yè), 張衛(wèi)華. 高速列車轉(zhuǎn)向架空氣阻力的數(shù)值模擬[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2011, 11(2): 45?51. ZHENG Xunhao, ZHANG Jiye, ZHANG Weihua. Numerical simulation of aerodynamic drag for high-speed train bogie[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2011, 11(2): 45?51.

[6] ORELLANO A, SCHOBER M. On side-wind stability of high- speed trains[J]. Vehicle System Dynamic, 2002, 40(1): 143?159.

[7] FUJII T, KAWASHIMA K, IIKURA S, et al. Preventive measures against snow for high-speed train operation in Japan[C]// 11th International Conference on Cold Regions Engineering. Anchorage, America, 2002: 448?459.

[8] KIM M S, JANG D U, HONG J S, et al. Thermal modeling of railroad with installed snow melting system[J]. Cold Regions Science and Technology, 2015, 109(1): 18?27.

[9] AZUMA T, HORIKAWA S, FUJINO K. Countermeasure against snow[J]. Jr East Technical Review, 2010, 16: 31?34.

[10] 韓運動, 姚松, 陳大偉, 等. 高速列車轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)流場實車測試與數(shù)值模擬[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2015, 15(6): 51?60. HAN Yundeng, YAO Song, CHEN Dawei, et al. Real vehicle test and numerical simulation of flow field in high-speed train bogie cabin[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2015, 15(6): 51?60.

[11] LUDVIGSEN J, KL?BOE R. Extreme weather impacts on freight railways in Europe[J]. Natural Hazards, 2012, 70(4): 767?787.

[12] 王廷亮. 鐵路風(fēng)吹雪災(zāi)害數(shù)值模擬及防治技術(shù)研究[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 2009: 30?32. WANG Tingliang. Study on numerical simulation and prevention measures of the drifting snow disaster along railway[D]. Lanzhou: Lanzhou University. School of Civil Engineering and Mechanics, 2009: 30?32.

[13] 夏超, 單希壯, 楊志剛, 等. 不同湍流模型在列車外流場計算中的比較[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 42(11): 1687?1693. XIA Chao, SHAN Xizhuang, YANG Zhigang, et al. A comparative study of different turbulence models in computation of flow around simplified train[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2014, 42(11): 1687?1693.

[14] 毛軍, 郗艷紅, 楊國偉. 側(cè)風(fēng)風(fēng)場特征對高速列車氣動性能作用的研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2011, 33(4): 22?33. MAO Jun, XI Yehong, YANG Guowei. Research on influence of characteristics of cross wind field on aerodynamic performance of a high-speed train[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(4): 22?33.

[15] 郗艷紅, 毛軍, 李明高. 高速列車側(cè)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報, 2010, 34(1): 14?19. XI Yehong, MAO Jun, LI Minggao. Numerical study on the crosswind effects of high-speed train[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2010, 34(1): 14?19.

[16] 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析: CFD 軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 120?131. WANG Fujun. Analysis computational fluid dynamics: theory and application of CFD software[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 120?131.

[17] KHIER W, BREUER M, DURST F. Flow structure around trains under side wind conditions: a numerical study[J]. Computers and Fluids, 2000, 29(2): 179?195.

[18] ZHANG J, LI J J, TIAN H Q, et al. Impact of ground and wheel boundary conditions on numerical simulation of the high-speed train aerodynamic performance[J]. Journal of Fluids and Structures, 2016, 61(4): 249?261.

[19] 李靚娟, 張潔, 劉堂紅. 動車組車輪流場數(shù)值模擬分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)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.

(編輯 陳燦華)

Cause analysis of snow packing in high-speed train’s bogie regions and anti-snow packing design

MIAO Xiujuan1, 2, HE Kan3

(1. Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle, Hunan Province, Changsha 410076, China; 2. College of Automobile and Machinery Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China; 3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

To solve the serious problems of snow packing in high-speed train’s bogies under the blizzard environment, the flow structure in bogie regions of a CRH380 high-speed train was simulated by the three-dimensional Reynolds-averaged SST?two-equation turbulence model and finite volume method. The cause of snow packing and the location that was easily covered snow were analyzed. A flow control method was proposed. The results show that airflow coming from the bottom of the train increases with a tilt angle in the bogie regions, which can impact the windward side of the bogies and lead to snow packing. Meanwhile, snowflakes carried by the decelerated airflow are stranded and trapped in blind corners of bogies. Braking systems, spring suspensions, core plates and the windward side of bogies are the configurations which are mainly covered snow. The raising angles of airflow entering into the bogie regions are directly influenced by the height between the rail level and the bottom close to the bogies. The uniform height for the car bottom is proposed. The designed flow control device can effectively reduce the airflow rushing into the bogie regions by 46.51%. Therefore, the flow structures in the bogie regions are improved.

high-speed train; bogie; causes of accumulated snow; flow control; numerical simulation

U271.91

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.032

1672?7207(2018)03?0756?08

2017?03?10；

2017?05?15

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB1200403)；高鐵聯(lián)合基金資助項目(U1534210)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(14JJ1003)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51605044)；湖南省自然科學(xué)基金青年基金資助項目(2016JJ3004)；工程車輛安全性設(shè)計與可靠性技術(shù)湖南省重點實驗室開放基金資助項目(KF1607) (Project(2016YFB1200403) supported bythe National Key Research and Development Program of China; Project(U1534210) supported by the High Speed Railway Union Fund; Project(14JJ1003) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51605044) supported by the Youth Foundation of National Natural Science Foundation of China; Project(2016JJ3004) supported by the Youth Foundation of Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(KF1607) supported by the Open Fund of Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle of Hunan Province)

何侃，博士，從事軌道交通空氣動力學(xué)與行車安全研究；E-mail：k_he@foxmail.com