高寒動(dòng)車組走行部防冰雪擾流的空氣動(dòng)力學(xué)性能研究

李超輝， 何德華， 周新建， 陳厚嫦， 王剛義

(1　華東交通大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西南昌 330013；2　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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高寒動(dòng)車組走行部防冰雪擾流的空氣動(dòng)力學(xué)性能研究

李超輝1， 何德華2， 周新建1， 陳厚嫦2， 王剛義1

(1華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西南昌 330013；2中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

針對(duì)高寒動(dòng)車組冬季運(yùn)行走行部容易產(chǎn)生冰雪附著的問題，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)了多種可加裝于動(dòng)車組走行部附近的擾流結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)原車和加裝不同擾流結(jié)構(gòu)之后的走行部氣動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明：加裝優(yōu)化后的防雪擾流裝置可有效改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)，擾流板的防冰雪效果與其形狀和高度密切相關(guān)，改進(jìn)方案最優(yōu)參數(shù)下遮蔽效果良好，轉(zhuǎn)向架部位進(jìn)雪量減少，轉(zhuǎn)向架空氣阻力系數(shù)降至原車的52%。

空氣動(dòng)力學(xué)； 防冰雪； 擾流技術(shù)； 高寒動(dòng)車組

高寒區(qū)列車的走行部冰雪附著問題會(huì)威脅列車運(yùn)行安全和影響列車維護(hù)，且動(dòng)車組運(yùn)行速度較高，此問題更為嚴(yán)重。當(dāng)動(dòng)車組走行部發(fā)生冰雪附著后，可能會(huì)發(fā)生凍住機(jī)電設(shè)備、冰塊撞擊高速運(yùn)動(dòng)部件等危險(xiǎn)情況。哈大高速鐵路冬季受冰雪天氣影響，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件結(jié)冰、制動(dòng)盤被硬質(zhì)顆粒劃傷等現(xiàn)象在高寒動(dòng)車組上大量出現(xiàn)，危及列車運(yùn)營(yíng)組織和行車安全[1]。

目前鐵路防冰雪技術(shù)大致分為被動(dòng)控制[2-4]、線上線下清掃、材料改進(jìn)和主動(dòng)控制[5]等，其中被動(dòng)控制技術(shù)無需額外能耗即可改變走行部的流動(dòng)特征，從根本上降低冰雪附著速率，是目前的主流技術(shù)。北山茂[2]在700系列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域加裝三角形擾流板，通過數(shù)值模擬的方法分析了轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)，但由于計(jì)算能力的限制使用了局部模型，實(shí)際車底流速和車體側(cè)方流速具有較大的速度差，在側(cè)向冰雪附著評(píng)估上存在較大的誤差。橋本克史[3]通過在列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域前后方安裝簡(jiǎn)便擾流結(jié)構(gòu)，擾流結(jié)構(gòu)在縱剖面上呈雙斜面三角形，在車寬方向有多種設(shè)計(jì)，但仿真模型結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)化，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。謙田慈[4]在列車側(cè)方裙板上添加三角形擾流結(jié)構(gòu)來抑制冰雪在轉(zhuǎn)向架側(cè)方的附著，通過風(fēng)洞試驗(yàn)宣稱獲得了較好的效果。日本Shishido[6]設(shè)計(jì)了在線冰雪附著實(shí)測(cè)裝置并開展了實(shí)際應(yīng)用，得到了典型的冰雪附著分布圖，為列車防冰雪提供了一定依據(jù)。李俊民[7]提出對(duì)動(dòng)車組設(shè)備艙導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)模型的流場(chǎng)和壓力分布進(jìn)行了仿真計(jì)算，但只對(duì)設(shè)備艙導(dǎo)流罩處積雪問題進(jìn)行了改進(jìn)，但對(duì)于走行部積雪更嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向架區(qū)域并未做研究。通過對(duì)3節(jié)編組某型動(dòng)車組模型走行部附近加裝擾流裝置，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)改進(jìn)模型的防雪效果進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，加裝防雪擾流裝置有效的達(dá)到了防冰雪的目的。

1　擾流結(jié)構(gòu)幾何模型設(shè)計(jì)

動(dòng)車組3節(jié)編組現(xiàn)車模型及轉(zhuǎn)向架區(qū)域幾何模型見圖1。從圖1(b)可以看出，靠近車端一側(cè)的轉(zhuǎn)向架區(qū)域的設(shè)備艙導(dǎo)流罩為斜面結(jié)構(gòu)，另一側(cè)的設(shè)備艙導(dǎo)流罩為垂直結(jié)構(gòu)。斜面的設(shè)備艙導(dǎo)流罩相對(duì)于垂直的導(dǎo)流罩在氣動(dòng)阻力和維護(hù)性等方面有優(yōu)勢(shì)，但斜面導(dǎo)流罩極易將含雪氣流帶入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冰雪附著。

為減少因斜面導(dǎo)流罩造成的冰雪附著，設(shè)計(jì)了安裝在斜面導(dǎo)流罩前方的擾流結(jié)構(gòu)，通過改變車底氣流，減少含雪氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，擾流結(jié)構(gòu)分為直線型和流線型兩種方案，見圖2。直線型擾流板為直三角形結(jié)構(gòu)的棱柱，主要將車底來流引導(dǎo)向地面，見圖2(a)。而流線型擾流板在將車底來流向地面引導(dǎo)的同時(shí)還向擾流板兩側(cè)引導(dǎo)，見圖2(b)。

圖1　動(dòng)車組幾何模型

圖2　擾流結(jié)構(gòu)

另外，通過列車車廂連接處的縱剖面圖3(a)可以看出，氣流到達(dá)后車走行部區(qū)域時(shí)，將連續(xù)經(jīng)過3個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階不僅會(huì)增加列車的空氣阻力，而且轉(zhuǎn)向架受到高速氣流直吹的迎風(fēng)面積也會(huì)增加。在不改動(dòng)車廂連接處結(jié)構(gòu)的條件下，去除后車與風(fēng)擋連接時(shí)的下沉(臺(tái)階2)作為流線型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，為第3種擾流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖3(b)。

圖3　改進(jìn)流線型擾流結(jié)構(gòu)

2　數(shù)值模擬計(jì)算

2.1數(shù)學(xué)模型

列車最大運(yùn)行速度為300 km/h，對(duì)應(yīng)馬赫數(shù)為0.25，小于0.3的不可壓標(biāo)準(zhǔn)，因此流動(dòng)可以作為不可壓縮流處理。采用基于RANS的k-ωSST的兩方程湍流模型，連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

k-ωSST模式的兩個(gè)輸運(yùn)方程分別為：

式中k和e分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率，ρ，ρm為空氣密度；P為空氣壓力；Pt為湍動(dòng)生成項(xiàng)，μt為湍流黏性系數(shù)，Ce1、Ce2、?e、?k等為模型常數(shù)，其取值見文獻(xiàn)[8]。

2.2流體網(wǎng)格的生成

采用trim + prism layer的六面體網(wǎng)格，trim網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜外形有較好的適應(yīng)性，也能保證生成的網(wǎng)格質(zhì)量。由于流場(chǎng)離列車越遠(yuǎn)越平穩(wěn)，因此對(duì)遠(yuǎn)離列車區(qū)域采用大尺寸網(wǎng)格，在流場(chǎng)變化大的區(qū)域以及走行部關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，采用從粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格逐層過渡的方案[9]。每個(gè)模型網(wǎng)格量均在4 500萬左右，網(wǎng)格劃分見圖4。

2.3邊界條件的設(shè)定

采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法模擬列車附近的外流場(chǎng)，設(shè)定列車靜止，地面移動(dòng)，空氣來流以及列車運(yùn)行速度等值

圖4　模型網(wǎng)格

反向的速度繞流列車。計(jì)算域邊界條件設(shè)定：入口為速度邊界，速度取列車運(yùn)行速度；出口為壓力邊界，出口壓力取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；列車表面設(shè)定為有摩擦的固壁邊界；采用移動(dòng)地面的方法，以消除地面效應(yīng)的影響，設(shè)定速度值為與氣流入口處的速度大小相等，方向相同；計(jì)算域上表面和左右側(cè)表面，由于選擇的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域足夠大，可認(rèn)為計(jì)算域外圍邊界對(duì)列車周圍的流場(chǎng)無影響，計(jì)算區(qū)域的外圍邊界設(shè)定為可滑移壁面邊界。

2.4計(jì)算工況

為了研究不同擾流板對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，分別對(duì)原車和加裝擾流結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行仿真計(jì)算。為研究最佳的擾流方案，對(duì)擾流結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、寬度和高度進(jìn)行修改，獲得不同列車模型，最終有18組工況，見表1。

表1　工況數(shù)　mm

3　計(jì)算結(jié)果分析

為方便對(duì)比擾流效果，擾流板只安裝在中間車上，每個(gè)轉(zhuǎn)向架一個(gè)，共2個(gè)，我們按照流動(dòng)方向(從左到右)將其分別稱為前擾流板和后擾流板，相應(yīng)的兩組轉(zhuǎn)向架分別稱為前轉(zhuǎn)向架和后轉(zhuǎn)向架。評(píng)價(jià)防冰雪有效性的首要判據(jù)是轉(zhuǎn)向架受到較好的遮蔽，對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)特征為高速氣流應(yīng)當(dāng)盡量少的沖擊轉(zhuǎn)向架區(qū)域，滯流區(qū)盡量大地包裹轉(zhuǎn)向架重要部件，轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流以低速局部的小環(huán)流為主。對(duì)于吸入的雪粒，當(dāng)其撞擊在轉(zhuǎn)向架時(shí)，高壓區(qū)和低壓區(qū)都會(huì)產(chǎn)生附著，因此認(rèn)為低壓區(qū)和高壓區(qū)都會(huì)造成冰雪附著。

3.1走行部氣動(dòng)特性分析

3.1.1列車整體流場(chǎng)分析

列車表面的壓力分布是列車氣動(dòng)力分布的基礎(chǔ)，首先給出列車表面整體壓力分布云圖和各個(gè)特征部位的壓力分布云圖，見圖5。

從圖5(a)可以看出，列車頭部鼻錐上存在比較明顯的高正壓區(qū)域，而在鼻錐兩側(cè)則因?yàn)闅饬鹘?jīng)過時(shí)流速較快而形成較低壓強(qiáng)。頭車前轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓力差別分明，車底流動(dòng)的阻力較大。由于轉(zhuǎn)向架區(qū)域的阻力，頭車后轉(zhuǎn)向架中部已經(jīng)形成滯流區(qū)，隨后氣流經(jīng)過列車連接處附近，此處有流道收縮，氣流加速，而后受到中間車前轉(zhuǎn)向架的阻礙再次滯留，見圖5(b)。中間車后轉(zhuǎn)向架和尾車前轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流因列車阻力的原因，氣流速度大幅降低，形成了較大的滯流區(qū)，見圖5(c)。

3.1.2轉(zhuǎn)向架區(qū)域典型流場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)向架區(qū)域主要關(guān)注轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架周圍導(dǎo)流罩區(qū)域的流場(chǎng)情況，以L×H×W:1 800×80×300的流線型擾流板在300 km/h速度條件下的情況為例，分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)情況，見圖6。列車中剖面為速度分布云圖，轉(zhuǎn)向架表面按壓力大小染色。

圖6　前后轉(zhuǎn)向架表面壓力分布及中剖面流場(chǎng)

從壓力圖中可以看出，前轉(zhuǎn)向架區(qū)域的壓力峰值點(diǎn)出現(xiàn)在前輪緣中下方、制動(dòng)盤中下部以及設(shè)備吊艙前緣等的迎風(fēng)面上，低壓區(qū)則分布在高壓區(qū)周圍。由于擾流板和轉(zhuǎn)向架導(dǎo)流罩的遮蔽作用，轉(zhuǎn)向架上部表面并未出現(xiàn)明顯的高、低壓區(qū)；從剖面速度云圖可以看出，擾流板后方區(qū)域形成了一個(gè)滯流區(qū)，滯流區(qū)內(nèi)存在一個(gè)局部環(huán)流結(jié)構(gòu)，整個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域上部為分散的多個(gè)環(huán)流。在后轉(zhuǎn)向架區(qū)域，垂直導(dǎo)流罩有較強(qiáng)的遮蔽效應(yīng)，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域上部形成了一個(gè)較大的局部環(huán)流，且其流速較小，不易吸入含雪氣流。

3.1.3擾流板形態(tài)對(duì)流場(chǎng)的影響

擾流板形態(tài)的不同，其最終效果也不相同，以300 km/h條件下無擾流板、直線型擾流板、流線型擾流板(L×H×W:1 800×80×300)、改進(jìn)流線型擾流板(L×H×W:1 800×80×300)為例討論擾流板形態(tài)對(duì)流場(chǎng)的影響，見圖7。

圖7　擾流板形態(tài)對(duì)前后轉(zhuǎn)向架中剖面流場(chǎng)的影響

對(duì)于前轉(zhuǎn)向架，從中剖面流場(chǎng)圖可以看出，改進(jìn)的流線型擾流板能更好的將氣流引導(dǎo)向地面方向，轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域形成了基本平直的滯流區(qū)，從而降低沖擊轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域的氣流速度，同時(shí)在轉(zhuǎn)向架上部會(huì)形成穩(wěn)定而低速的局部環(huán)流，進(jìn)而降低冰雪吸入和附著。而直線型和流線型擾流結(jié)構(gòu)均會(huì)被前方臺(tái)階產(chǎn)生的滯流區(qū)所影響，發(fā)揮的作用并不明顯。對(duì)于后轉(zhuǎn)向架，加裝擾流板能增大后轉(zhuǎn)向架區(qū)域的滯流區(qū)面積，降低轉(zhuǎn)向架上部流動(dòng)的環(huán)流流速，抑制整體環(huán)流的生成，但由于前方垂直導(dǎo)流罩的作用，改變并不明顯。

3.1.4擾流板高度對(duì)流場(chǎng)的影響

在此處我們討論擾流板高度對(duì)中間車前后轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)的影響，具體以300 km/h條件下，流線型擾流板在長(zhǎng)L1 800，高H×寬W為80×300，100×330，200×360，300×360 4組方案的流場(chǎng)作為分析，見圖8。

圖8　擾流板高度對(duì)前后轉(zhuǎn)向架中剖面流場(chǎng)的影響

對(duì)于前轉(zhuǎn)向架，從中剖面流場(chǎng)圖可以看出，300 mm高的流線型擾流板效果最突出，轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域形成了大片穩(wěn)定的滯流區(qū)，明顯的降低了沖擊轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域的氣流速度，進(jìn)而能夠降低冰雪附著，而隨著擾流板高度的降低，滯流區(qū)的面積也隨之減少；同時(shí)300 mm高的流線型擾流板由于其明顯的遮蔽效應(yīng)，明顯的抑制了轉(zhuǎn)向架上部的局部環(huán)流，使其幾乎難以識(shí)別，這對(duì)抑制雪粒的吸入有利。對(duì)于后轉(zhuǎn)向架，從流場(chǎng)圖可以看出3個(gè)案例的差別并不明顯，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)向架前方的垂直導(dǎo)流罩起到較大的阻擋作用。

3.2擾流結(jié)構(gòu)評(píng)估

列車阻力系數(shù)采用阻力、車速與車體斷面面積無量綱化的計(jì)算方法，轉(zhuǎn)向架阻力系數(shù)降低，說明進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的含雪氣流減少，轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流速度降低，因此把轉(zhuǎn)向架阻力系數(shù)作為轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)面冰雪附著難易程度的指標(biāo)，輔以升力系數(shù)作為轉(zhuǎn)向架底面冰雪附著難易程度的指標(biāo)，對(duì)擾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。因后擾流結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架阻力和升力均無明顯的影響，在這里不做具體討論。

由圖9(a)(b)可以看出隨著擾流高度的增加，升力系數(shù)和中間車阻力系數(shù)也隨之增大，升力系數(shù)增大轉(zhuǎn)向架底面更易附著冰雪，阻力系數(shù)增大轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)面更易發(fā)生冰雪附著。從圖9(c)(d)可以看出改進(jìn)的流線型擾流板(長(zhǎng)L×高H×寬W為2 000×300×330)的中間車前轉(zhuǎn)向架阻力系數(shù)僅有原車型的52%，相對(duì)應(yīng)的遮蔽效果最強(qiáng)，但中間車阻力系數(shù)比原車增加25%，3節(jié)編組增阻5%。比其長(zhǎng)度小200 mm的改進(jìn)流線型擾流板中間車增阻約20%，3節(jié)編組增阻4%。其余擾流結(jié)構(gòu)的效果差別不明顯。

圖9　阻力系數(shù)和升力系數(shù)

4　結(jié)　論

(1)在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前方加裝擾流板，引導(dǎo)流向轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流流向，可以達(dá)到防冰雪的目的；

(2)擾流板的防冰雪效果與擾流板的高度密切相關(guān)，高度越高，效果越好，同時(shí)增加的額外阻力也越大；

(3)改進(jìn)的流線型擾流板在相同擾流板高度的條件下，防冰雪效果比原方案具有明顯優(yōu)勢(shì)；

(4)通過分析所有工況的計(jì)算結(jié)果，改進(jìn)的流線型擾流板的兩組方案(長(zhǎng)L×高H×寬W為2 000×300×330)和(長(zhǎng)L×高H×寬W為1 800×300×330)是防冰雪效果和阻力的綜合最優(yōu)方案，加裝后轉(zhuǎn)向架區(qū)域的阻力系數(shù)是原車的52%。

[1]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所. 既有動(dòng)車組運(yùn)用優(yōu)化研究-高寒動(dòng)車組走行部關(guān)鍵部位防冰雪擾流技術(shù)研究, TY字第4128號(hào)[R]. 北京: 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2015.

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Research on the Aerodynamic Performance of Anti-ice/Snow Disturbed Flow of High-cold EMU Bogies

LIChaohui1，HEDehua2，ZHOUXinjian1,CHENHouchang2,WANGGangyi1

(1Key Laboratory of Ministry for Conveyance and Equipment, Electromechanical Engineering Institute， East China Jiaotong University， Nanchang 330013 Jiangxi， China； 2Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081，China)

For problem of ice and snow adhered to bogies of low temperature EMU in winter, various kinds of spoiler which installed nearby the bogies of EMU were designed based on aerodynamic theory, then numerical simulation were calculated between the original and improved model. Results shows the flow field of bogie area can be improved effectively after spoiler were installed, The effect of anti-ice/snow is related to its shape and height, under the best parameters of the improved scheme, the bogie drag coefficient drops to 52% of the original train.

aerodynamic, anti-ice /snow disturbed flow technique; low temperature EMU

1008-7842 (2016) 04-0028-07

??)男，碩士研究生(

2016-03-08)

U271.91

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.07