列車(chē)人工氣候室飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性模擬研究

田忠浩 梁士民 張澤群 胡松濤 肖 健 張 君

(1 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 青島 266520；2 中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 株洲 412000；3 青島地鐵集團(tuán)有限公司 青島 266520)

列車(chē)在長(zhǎng)途行駛過(guò)程中，由于地域跨度較大，將面臨復(fù)雜多變氣候，其中暴風(fēng)雪天氣對(duì)列車(chē)的安全行駛影響最為嚴(yán)重，風(fēng)吹雪會(huì)降低司機(jī)視野能見(jiàn)度，極易導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行事故。為了預(yù)防此類(lèi)事故的發(fā)生[1-2]，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范CEN-TR 16251[3]中提出需要對(duì)列車(chē)進(jìn)行飄雪實(shí)驗(yàn)。因此，列車(chē)投運(yùn)前需在人工環(huán)境室通過(guò)模擬的自然飄雪過(guò)程，檢驗(yàn)列車(chē)在行駛過(guò)程中抵御風(fēng)吹雪影響的能力。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)冰雪顆粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究大多集中于自然環(huán)境[4-6]及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件下[7-9]，冰雪顆粒的運(yùn)動(dòng)特性研究均表明粒徑[10-11]、風(fēng)速[12-14]、密度[15-16]和溫度[17-19]等因素是影響雪粒運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵。然而，針對(duì)列車(chē)人工氣候室環(huán)境下飄雪過(guò)程研究較少，尤其在氣候室出風(fēng)和飄雪設(shè)備飄雪的多流體耦合影響下的冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性尚不清晰，因此，亟待開(kāi)展列車(chē)人工氣候室條件下飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性研究，為列車(chē)人工氣候室飄雪實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支持。在CEN-TR 16251規(guī)范中并未明確飄雪實(shí)施細(xì)則，且受人工室氣流和飄雪設(shè)備氣流耦合影響，導(dǎo)致人工環(huán)境室飄雪均勻性效果不佳。

本文依托某機(jī)車(chē)廠列車(chē)人工氣候?qū)嶒?yàn)室，采用數(shù)值模擬的方法，研究列車(chē)人工氣候室飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性，建立綜合多參數(shù)的冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)模型，研究結(jié)果可為列車(chē)氣候室飄雪實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施提供技術(shù)支持。

1 數(shù)值模型建立

1)列車(chē)人工氣候?qū)嶒?yàn)室物理模型

依托某機(jī)車(chē)廠列車(chē)人工氣候模擬實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣候室)，建立物理模型，如圖1所示，主要包括氣候室試驗(yàn)倉(cāng)、人工氣候室送風(fēng)格柵、太陽(yáng)能輻射燈、主輔造雪平臺(tái)和回風(fēng)口等，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 列車(chē)人工氣候?qū)嶒?yàn)室物理模型Fig.1 Physical model of train artificial climate laboratory

表1 物理模型詳細(xì)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Detailed technical parameters of the physical model

2)網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)三維立體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)約為2 300 000，網(wǎng)格最小尺寸為0.05 m。

圖2 物理模型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.2 Physical model unstructured grid

3)計(jì)算方法及模擬工況

采用三維不可壓縮的標(biāo)準(zhǔn)k-ε瞬態(tài)湍流方程，求解氣候室內(nèi)湍流流動(dòng)現(xiàn)象[20]。通過(guò)主輔造雪平臺(tái)釋放冰雪粒子，模擬飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性，冰雪粒子的運(yùn)動(dòng)選取歐拉-拉格朗日方法的氣液兩相流DPM模型[21]。對(duì)于列車(chē)人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的相互耦合，采用SIMPLE算法[22-25]，該算法可以滿足三維空間內(nèi)冰雪粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

為了準(zhǔn)確探究整車(chē)人工氣候室飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性，綜合考慮冰雪粒子直徑D、初速度v0、氣候室溫度T和氣候室送風(fēng)風(fēng)速v等關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)工況如表2所示。模型中人工氣候室送風(fēng)格柵設(shè)置為速度入口，風(fēng)速范圍為0～7.93 m/s。主輔造雪平臺(tái)出雪口也設(shè)置為速度入口，風(fēng)速范圍為0～7.82 m/s，回風(fēng)口設(shè)置為自由出流，主輔造雪平臺(tái)壁面、太陽(yáng)能輻射燈及燈架、人工氣候室壁面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面，具體信息如表3所示。此外，主輔造雪平臺(tái)造雪量為0.011 kg/s，冰雪粒子溫度為-10 ℃。

表2 模擬工況Tab.2 Simulation conditions

表3 模型邊界條件及屬性信息Tab.3 Model boundary conditions and attribute information

2 數(shù)值模擬結(jié)果與驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，在原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)模擬工況條件進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，在圖中標(biāo)記位置分別布置4個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)和溫度測(cè)點(diǎn)，其中風(fēng)速測(cè)點(diǎn)采用6006型熱式風(fēng)速儀(測(cè)量范圍：0.01～20.00 m/s，測(cè)量精度：±0.05 m/s)，每隔10 min記錄一次風(fēng)速，最終取該測(cè)點(diǎn)的平均值。溫度測(cè)點(diǎn)采用Pt100(測(cè)量范圍：-50～150 ℃，測(cè)量精度：±0.1 ℃)，逐時(shí)記錄溫度波動(dòng)，測(cè)量時(shí)間為1 h，為了更加準(zhǔn)確的表示溫度真值，最終各測(cè)點(diǎn)溫度采用平均值。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Side point layout distribution map

測(cè)點(diǎn)位置風(fēng)速的測(cè)試值和模擬值對(duì)比結(jié)果如圖4(a)所示，測(cè)試值和模擬值誤差均在-9.66%～9.97%之間。圖4(b)為1 h內(nèi)溫度為-5 ℃工況下各測(cè)點(diǎn)溫度的模擬值與測(cè)試值對(duì)比，測(cè)試值和模擬值誤差均在-5.66%～8.23%之間?？芍獪y(cè)試結(jié)果表明溫度和速度的相對(duì)誤差率均符合±10%以內(nèi)，模擬條件下的結(jié)果是可信的。

圖4 模擬工況條件下不同測(cè)點(diǎn)的模擬值與測(cè)試值對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and measured values at different measuring points under simulated working conditions

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為了研究列車(chē)人工氣候模擬實(shí)驗(yàn)室條件下飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性，針對(duì)不同冰雪粒子直徑、初速度、氣候室溫度和氣候室送風(fēng)風(fēng)速等條件分別進(jìn)行數(shù)值模擬。

不同粒徑下氣候室內(nèi)冰雪粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5(a)所示。粒徑為1.6 mm的冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出明顯“上下兩束”的分層形態(tài)，而粒徑為2.4 mm和3.2 mm的運(yùn)動(dòng)軌跡則表現(xiàn)為相對(duì)集中的一束流體。同時(shí)可以看到，軌跡的斜率隨著粒徑的增大而增大，且落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度分別近似為25.2°、36.6°、46.1°。此外，隨著粒徑的增大，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域逐漸縮小，覆雪面積分別達(dá)到了24.90、6.87、6.69 m2，且落雪區(qū)域中心位置逐漸靠近主/輔造雪平臺(tái)，落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪平臺(tái)的底部平均距離依次為6.51、4.13、2.95 m。綜上分析，冰雪粒子直徑增大1倍，傾斜角增大82.9%，落雪面積減少73.1%，落雪距離縮短54.7%。

圖5 人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)冰雪粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of the trajectory of ice and snow particles in the artificial climate laboratory

不同初始風(fēng)速下冰雪粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5(b)所示。初始風(fēng)速為4.67 m/s的冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出明顯“主次分明”的多束流形態(tài)，而初始風(fēng)速為6.26 m/s和7.82 m/s的運(yùn)動(dòng)軌跡則表現(xiàn)為相對(duì)集中的一束流體。同時(shí)可以看到，軌跡的斜率幾乎無(wú)變化，且落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度分別近似為36.1°、36.6°、7.9°。此外，隨著初始風(fēng)速的增大，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域逐漸縮小，覆雪面積分別達(dá)到17.50、6.87、6.43 m2，且落雪區(qū)域中心位置距主/輔造雪平臺(tái)的距離相近，落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪平臺(tái)的底部平均距離依次為4.21、4.13、3.94 m。綜上分析，冰雪粒子初始風(fēng)速增大67.5%，傾斜角增大5%，落雪面積減少63.3%，落雪距離縮短6.41%。

不同氣候室風(fēng)速下冰雪粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5(c)所示。氣候室風(fēng)速為6.00 m/s的冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出明顯“星飛云散”的零亂形態(tài)，而氣候室風(fēng)速為1.98 m/s和3.97 m/s的運(yùn)動(dòng)軌跡則表現(xiàn)為相對(duì)集中的一束流體。同時(shí)可以看到，軌跡的斜率隨著氣候室風(fēng)速的增大而減小，且落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度分別近似為65.5°、36.6°、21.4°。此外，隨著氣候室風(fēng)速的增大，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域逐漸增大，覆雪面積分別達(dá)到5.84、6.87、34.5 m2，且落雪區(qū)域中心位置逐漸遠(yuǎn)離主/輔造雪平臺(tái)，落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪平臺(tái)的底部平均距離依次為1.40、4.13、7.83 m。綜上分析，人工氣候室風(fēng)速增大約2倍，傾斜角減小67.3%，落雪面積增大約500%，落雪距離延長(zhǎng)約460%。

不同氣候室溫度下冰雪粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5(d)所示。冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)明顯差異，且運(yùn)動(dòng)軌跡則一致表現(xiàn)為相對(duì)集中的一束流體。同時(shí)可以看到，軌跡的斜率不隨著氣候室溫度降低而變化，且落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度均近似為36.6°。此外，隨著氣候室溫度的降低，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域大同小異，覆雪面積均達(dá)到6.87 m2，且落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪平臺(tái)的底部的平均距離為4.13 m。

3 多參數(shù)耦合下冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)模型與驗(yàn)證

綜合上述分析，根據(jù)模擬結(jié)果明確了冰雪粒徑、初始風(fēng)速和人工氣候室風(fēng)速等是影響冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)鍵因素。多參數(shù)耦合條件下冰雪粒子的模擬結(jié)果如表4所示。為了有效表征冰雪粒徑、冰雪粒子初始風(fēng)速和人工氣候室風(fēng)速等因素耦合影響下的運(yùn)動(dòng)軌跡，依據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行擬合，建立冰雪粒徑、冰雪粒子初始風(fēng)速和人工氣候室風(fēng)速等參數(shù)耦合下的預(yù)測(cè)模型，分別如式(1)～式(3)所示，相關(guān)系數(shù)R2依次分別達(dá)到了0.98、0.96和0.83，擬合度較高。該模型適用范圍：冰雪粒子粒徑0～3.2 mm、初始風(fēng)速0～7.82 m/s、氣候室風(fēng)速0～6.00 m/s和氣候室溫度處于0 ℃以下環(huán)境。

表4 多參數(shù)耦合條件下冰雪粒子的模擬結(jié)果Tab.4 Simulation results of ice and snow particles under multi-parameter coupling conditions

L=3.93-2.23D-0.08v0+1.6v

(1)

θ=arctan(1.28-0.73D-0.03v0+0.52v)

(2)

S=35.47-1.14D-3.51v0+7.15v

(3)

式中：L為冰雪粒子落雪區(qū)域中心位置到主/輔造雪平臺(tái)的距離，m；S為冰雪粒子平均落雪區(qū)域面積，m2；θ為落點(diǎn)的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度，(°)；D為冰雪粒子直徑，mm;v0為冰雪粒子初始風(fēng)速，m/s;v為人工氣候室風(fēng)速，m/s。

為了揭示該模型的準(zhǔn)確性，依據(jù)模擬條件設(shè)置4個(gè)工況(工況2、工況4、工況6和工況7)進(jìn)行測(cè)試，研究多參數(shù)耦合下冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)的適用性。不同模擬工況條件下L和S的模擬值與測(cè)試值對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，兩種結(jié)果下L的偏差均在-0.26～0.71 m之間，相對(duì)誤差均在-4.2%～8.3%之間；S的偏差均在-2.09～1.52 m2之間，相對(duì)誤差均在-9.2%～8.6%之間。

圖6 不同模擬工況條件下L和S的模擬值與測(cè)試值對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated and measured values of L and S under different simulated conditions

4 結(jié)論

本文依托某機(jī)車(chē)廠列車(chē)人工氣候?qū)嶒?yàn)室，采用數(shù)值模擬方法，研究了列車(chē)人工氣候室環(huán)境下飄雪過(guò)程冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性，得到如下結(jié)論：

1)氣候室內(nèi)影響冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)鍵因素為冰雪粒子粒徑、初始風(fēng)速和人工氣候室風(fēng)速等。當(dāng)冰雪粒徑從1.6 mm增至3.2 mm時(shí)，軌跡傾角增大82.9%，落雪面積減少73.1%，落雪距離縮短54.7%。；初始風(fēng)速?gòu)?.67 m/s增至7.82 m/s時(shí)，軌跡傾角增大5%，落雪面積減少63.3%，落雪距離縮短6.41%；當(dāng)氣候室風(fēng)速?gòu)?.98 m/s增至6.00 m/s時(shí)，軌跡傾角減小67.3%，落雪面積增大約500%，落雪距離延長(zhǎng)約460%。同時(shí)結(jié)果表明，人工氣候室溫度的變化對(duì)冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的無(wú)影響。

2)根據(jù)耦合冰雪粒子粒徑、初始風(fēng)速和人工氣候室風(fēng)速等參數(shù)，建立了漂浮距離、落雪區(qū)域及軌跡斜率等表征冰雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的特征參數(shù)計(jì)算模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冰雪粒子運(yùn)動(dòng)特性，該模型適用范圍：冰雪粒子粒徑0～3.2 mm、初始風(fēng)速0～7.82 m/s、氣候室風(fēng)速0～6.00 m/s。