風(fēng)雪環(huán)境高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題研究與優(yōu)化

摘要：基于Realizable k-epsilon湍流模型和離散相模型，對(duì)100 m/s（高鐵速度360 km/h）運(yùn)行車速條件下，高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流場(chǎng)變化、積雪問題和防積雪優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析。研究結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)存在大量低速渦流，這些低速渦流周圍各部件上容易形成積雪；通過設(shè)計(jì)并加裝導(dǎo)流板和擾流板，能夠抑制轉(zhuǎn)向架下方氣流的上揚(yáng)和回流趨勢(shì)，顯著減少轉(zhuǎn)向架積雪量；通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板下斜距離為30 mm時(shí)，防雪性能最好，其可使轉(zhuǎn)向架積雪量減少95.50%。

關(guān)鍵詞：風(fēng)雪流；轉(zhuǎn)向架；臨界捕獲角度；臨界剪切速度；導(dǎo)流板

中圖分類號(hào)：U292.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0190-06

Abstract：Based on Realizable k-epsilon turbulence model and discrete phase model， numerical calculation and analysis of air flow field variation， snow accumulation and snow protection optimization in the bogie area of high-speed train at 100 m/s （high-speed rail at 360 km/h） were carried out. The results show that there are a lot of low-speed eddies in the bogie area， and the snow is easy to form on the parts around these low-speed eddies. By designing and installing the deflector and spoiler， the up-flow and back-flow trend of the air flow under the bogie is inhibited， and the snow accumulation of the bogie is reduced significantly. With the improved structure parameters， it is found that the deflector with a downslope distance of 30 mm has the best snow protection performance， which can reduce the snow amount of the bogie by 95.50%.

Keywords：snow drift; bogie; critical capture angle; critical shear speed; deflector

0引言

我國幅員遼闊，南北橫跨多個(gè)緯度，高緯度地區(qū)如東北三省和新疆北部地區(qū)，其氣溫可低至-40℃，積雪厚度可達(dá)20cm以上。在高寒地區(qū)，軌道和地面上的積雪會(huì)嚴(yán)重威脅高速列車的安全行駛，如軌道上的積雪會(huì)使轉(zhuǎn)向架輪對(duì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，減小轉(zhuǎn)向架輪對(duì)和軌道之間的摩擦力，降低列車行駛速度，威脅列車安全行駛；高速鐵路道岔上的積雪容易致使高速列車發(fā)生擠岔或出軌［1］。同時(shí)積雪中的雪粒容易在高速列車周圍列車風(fēng)的作用下脫離積雪表面，進(jìn)入空氣流場(chǎng)，并在高速列車轉(zhuǎn)向架上形成積雪。轉(zhuǎn)向架積雪會(huì)引起一系列列車行駛安全問題，如轉(zhuǎn)向架制動(dòng)裝置出現(xiàn)嚴(yán)重積雪時(shí)，會(huì)增加高速列車制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離，危害到高速列車的安全行駛［2］；空氣彈簧等的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到積雪的阻礙，其減震效果因此受到影響［3］；高速列車行駛過程中，轉(zhuǎn)向架的積雪容易脫落，損壞地面設(shè)施和車下設(shè)備［4］。轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題已經(jīng)成為高鐵設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中重點(diǎn)關(guān)注問題之一。

對(duì)于高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪研究，趙晨樂［5］設(shè)計(jì)了兩種防積雪方案——在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前端安裝前置導(dǎo)流板和在轉(zhuǎn)向架區(qū)域中間位置安裝中置導(dǎo)流板，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)45°中置導(dǎo)流板的防積雪效果最好。丁叁叁等［6］通過在轉(zhuǎn)向架前端板上安裝下斜橡膠板對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)橡膠板下斜距離越大，防積雪效果越好。蔡華閩［7］研究不同列車底面外形下的防積雪效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三角形列車底面防積雪效果比圓形列車地面好。ANDERSSON等［8］通過對(duì)轉(zhuǎn)向架部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)防積雪目的。王楓等［9］通過在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前后端板位置安裝導(dǎo)流板，來實(shí)現(xiàn)防積雪目的，同時(shí)運(yùn)用協(xié)同原理，降低導(dǎo)流板對(duì)列車阻力變化的影響。倪英瀚、蔡路、何德華等［10-12］通過在轉(zhuǎn)向架前方安裝擾流板、改變擾流板的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪效果。高峰等［13］通過在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前端、中間和后端位置各安裝一個(gè)導(dǎo)流板，對(duì)城際列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題進(jìn)行改善。LEIF等［14］建議在高速列車行駛過程中對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噴射混合液，以減少轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量。

上述研究均未對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪粒沉積條件進(jìn)行研究，本文采用Realizable k-epsilon湍流模型和離散相模型，對(duì)風(fēng)雪流條件下轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)和轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究；并基于流場(chǎng)結(jié)果和雪粒運(yùn)動(dòng)特性對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪形成過程和防積雪結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1數(shù)值模擬理論

1.1湍流模型

湍流流動(dòng)復(fù)雜，其物理參數(shù)變化無規(guī)律可言。在數(shù)值研究中選取Realizable k-epsilon兩方程模型進(jìn)行研究，其理論公式［15］如下：

式中：k為湍動(dòng)能；ε為動(dòng)能耗散率；ρ為流體相密度；Vj為流體速度在j方向上的分量；μ是流體黏度；μt為湍流黏性系數(shù)；σk和σε分別是k和ε的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε是源項(xiàng)。

1.2動(dòng)量方程

動(dòng)量方程又被稱為Navier-Stokes方程，其矢量形式［16］如下：

式中：t（ρV）表示非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)；SymbolQC@·（ρVV）表示對(duì)流項(xiàng)； －SymbolQC@p表示壓力項(xiàng)；μSymbolQC@2V表示擴(kuò)散項(xiàng)；S表示源項(xiàng)。

1.3雪粒力平衡方程

風(fēng)雪流中雪粒的運(yùn)動(dòng)受到自身重力和氣流之間的相互作用力，其受力平衡公式如下：

式中：L表示雪粒的位移；mp表示雪粒質(zhì)量；Fg表示雪粒所受重力；Fd表示雪粒所受阻力，其具體公式見GOSMAN［17］的研究；F表示雪粒所受額外力，如電磁力、虛擬質(zhì)量力等，本文不考慮額外力情況。

2計(jì)算模型

2.1研究對(duì)象

1）導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

對(duì)高速列車而言，轉(zhuǎn)向架下方的高速氣流存在上揚(yáng)趨勢(shì)和回流現(xiàn)象［18］。當(dāng)高速列車在積雪地區(qū)行駛時(shí)，上揚(yáng)和回流的氣流會(huì)攜帶雪粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架。為改善轉(zhuǎn)向架下方高速氣流的上揚(yáng)和回流趨勢(shì)，從而改善轉(zhuǎn)向架積雪情況，在轉(zhuǎn)向架前后端板上安裝導(dǎo)流板或擾流板以研究不同結(jié)構(gòu)的防積雪效果，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置導(dǎo)流板、直角擾流板和鈍角擾流板一共3種防積雪結(jié)構(gòu)，如圖1所示，研究導(dǎo)流板、直角擾流板和鈍角擾流板的防積雪效果。根據(jù)轉(zhuǎn)向架和列車的寬度，設(shè)置導(dǎo)流板、直角擾流板和鈍角擾流板的長(zhǎng)度為2 000mm；導(dǎo)流板的下斜距離和擾流板的垂直距離有20mm、25mm和30mm，以研究下導(dǎo)流板的下斜距離和擾流板的垂直距離變化對(duì)轉(zhuǎn)向架積雪量的影響。

2）流體域

流體域如圖2所示。其中流體域長(zhǎng)約230m，寬度為103m，高度為54m。沿頭車向尾車的方向，將轉(zhuǎn)向架排序?yàn)檗D(zhuǎn)向架1—轉(zhuǎn)向架6，同時(shí)在列車底部的區(qū)域上設(shè)置10個(gè)入射器，沿頭車向尾車的方向排序?yàn)槿肷淦?—入射器10。

3）流體域網(wǎng)格劃分

對(duì)流體進(jìn)行網(wǎng)格，流體域最大體網(wǎng)格為5 000mm；車體最大面網(wǎng)格為64mm，局部加密面網(wǎng)格為16mm；轉(zhuǎn)向架最大面網(wǎng)格為16mm，局部加密面網(wǎng)格為8mm，其表面網(wǎng)格如圖3所示，車體和轉(zhuǎn)向架表面設(shè)置6層附面層，底層附面層厚度為0.39mm，附面層厚度增長(zhǎng)率和為1.2。

2.2雪粒沉積條件

如圖4所示，根據(jù)雪粒撞擊壁面的撞擊角度和壁面處的臨界剪切速度［19］來判斷，雪粒在撞擊壁面后是反彈、剪切或粘附。當(dāng)雪粒撞擊角度大于雪粒臨界沉積角度時(shí)，雪粒將被反彈；當(dāng)雪粒撞擊角度小于臨界沉積角度時(shí)，雪粒發(fā)生沉積，而沉積的雪粒會(huì)受到氣流的剪切作用，當(dāng)氣流的剪切作用大于雪粒臨界剪切速度時(shí)，沉積的雪粒會(huì)再次進(jìn)入空氣流場(chǎng)［20-21］。該邊界條件稱為Trenker準(zhǔn)則邊界［22］。

2.3邊界條件的設(shè)置

選取Realizable k-epsilon兩方程模型對(duì)空氣流場(chǎng)進(jìn)行研究，空氣相的速度為V=100m/s，密度為1.453kg/m3，黏度為1.57×10-5 Pa·s。先對(duì)高速列車周圍的空氣流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，流場(chǎng)結(jié)果收斂后再進(jìn)行雪粒運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算；雪粒的密度為250kg/m3［23］，粒徑為0.2mm［24］；連續(xù)相和離散相的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)均采用10-4 s，計(jì)算步數(shù)為20 000步。仿真的邊界條件如表1所示。

3仿真結(jié)果

3.1列車阻力特性分析

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，采用Realizable k-epsilon湍流模型，對(duì)文獻(xiàn)［25］中列車阻力特性進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，頭車和尾車阻力系數(shù)相對(duì)誤差分別為4.83%、1.25%，滿足計(jì)算精度要求。

3.2轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)變化

圖5所示分別為y=0m截面上在25mm導(dǎo)流板、直角擾流板和鈍角擾流板影響下轉(zhuǎn)向架1區(qū)域流場(chǎng)的變化。由圖5（a）可知，轉(zhuǎn)向架下方的高速氣流存在上揚(yáng)和回流趨勢(shì)，上揚(yáng)和回流的氣流在轉(zhuǎn)向架區(qū)域形成渦流，渦流主要集中在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、前后端板和車體板件附近，這些部件附近內(nèi)的雪粒容易發(fā)生堆積，形成積雪；圖5（b）—圖5（d）顯出導(dǎo)流板和擾流板能夠抑制高速氣流的回流和上揚(yáng)趨勢(shì)，上揚(yáng)氣流形成的渦流被限制在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架下方，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的進(jìn)氣量減少。隨著氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒減少，積雪發(fā)生的可能性降低，積雪量減少。

3.3轉(zhuǎn)向架表面壓力分布變化

圖6為轉(zhuǎn)向架1區(qū)域壓力分布圖。由圖6可知，轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤和輪對(duì)的迎風(fēng)側(cè)承受較高的正壓，而背風(fēng)側(cè)承受負(fù)壓；轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)和后端板之間的區(qū)域內(nèi)壓力高于轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)之間區(qū)域內(nèi)的壓力，說明后輪對(duì)和后端板之間的區(qū)域存在回流現(xiàn)象；導(dǎo)流板和擾流板可降低轉(zhuǎn)向架各部件迎風(fēng)側(cè)的正壓，減小轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)壓力值，降低后輪對(duì)前后區(qū)域的壓力差，抑制回流現(xiàn)象。

4轉(zhuǎn)向架雪粒沉積情況分析

4.1入射器粒子釋放數(shù)計(jì)算

入射器雪粒釋放數(shù)由風(fēng)雪流理論［26］計(jì)算結(jié)果確定。由風(fēng)雪流理論公式可知，入射器雪粒釋放數(shù)取決于入射器表面切應(yīng)力和雪粒臨界剪切速度。當(dāng)雪粒臨界剪切速度一定時(shí)，入射器表面切應(yīng)力越大，單位面積單位時(shí)間內(nèi)入射器雪粒釋放數(shù)越多。單位時(shí)間內(nèi)各入射器雪粒釋放數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

4.2轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪量變化

1）導(dǎo)流板作用下轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量變化

圖8為導(dǎo)流板影響下轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量變化圖。由圖8可知，無導(dǎo)流板時(shí)，雪粒沉積數(shù)最多的轉(zhuǎn)向架區(qū)域是轉(zhuǎn)向架5區(qū)域，其雪粒沉積數(shù)占各轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒沉積數(shù)之和的42.99%；雪粒沉積數(shù)最少的是轉(zhuǎn)向架1區(qū)域，其并未發(fā)生雪粒沉積情況，這是因?yàn)槿肷淦鞯奈恢迷诹熊囌路剑唧w如圖1（a）所示。因研究的是列車風(fēng)起動(dòng)雪粒在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的堆積問題，由列車風(fēng)起動(dòng)的雪粒、初始速度（0.062 6m/s）僅在垂直方向且初始速度小，和空氣相速度相差4個(gè)量級(jí)，當(dāng)雪粒隨空氣水平方向運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的正下方時(shí)，雪粒垂直方向運(yùn)動(dòng)高度低于轉(zhuǎn)向架1區(qū)域高度，雪粒并未進(jìn)入轉(zhuǎn)向架1區(qū)域，因此轉(zhuǎn)向架1區(qū)域內(nèi)不存在雪粒沉積問題。下斜距離20mm、25mm和30mm的導(dǎo)流板后，可使轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒沉積總數(shù)分別減少72.16%、89.93%和95.50%，說明導(dǎo)流板下斜距離越大，其防積雪效果越好。圖8中也顯示出轉(zhuǎn)向架區(qū)域的車體板件仍然是轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪最嚴(yán)重的部位，其上積雪量分別占對(duì)應(yīng)工況積雪總數(shù)的63.75%，62.34%和58.78%。

2）直角擾流板作用下轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量變化

由圖9可知，隨著直角擾流板垂直距離的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量逐漸減少，其中20mm、25mm和30mm直角擾流板分別使轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量減少73.07%、78.79%和71.56%。

3）鈍角擾流板作用下轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量變化

圖10為鈍角擾流板作用下轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量變化圖。由圖10（b）看出，鈍角擾流板的防積雪效果受其垂直距離的影響較小，其中20mm、25mm和30mm擾流板作用下，轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪總量分別減少73.91%、70.45%和77.50%。

5結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)風(fēng)雪流條件下轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)特性、雪粒的運(yùn)動(dòng)特性和轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題進(jìn)行研究，并通過在轉(zhuǎn)向架前后端板上安裝導(dǎo)流板，并研究導(dǎo)流板的防積雪效果。根據(jù)上述研究，本文得出如下結(jié)論。

1）轉(zhuǎn)向架和前端板之間、轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)之間的高速氣流存在上揚(yáng)趨勢(shì)；轉(zhuǎn)向架和后端板之間的氣流區(qū)域存在回流現(xiàn)象；上揚(yáng)和回流的氣流會(huì)攜帶雪粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)發(fā)生堆積。

2） 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、后端板和后輪對(duì)附近的雪粒分布最多；轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪最嚴(yán)重的部位是車體板件，其積雪量占積雪總量的81.41%；轉(zhuǎn)向架1區(qū)域沒有發(fā)生積雪問題，積雪量為0。

3） 導(dǎo)流板和擾流板能抑制轉(zhuǎn)向架下方高速氣流的上揚(yáng)趨勢(shì)和后端板前方的回流趨勢(shì)，減少進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流量，進(jìn)而減少進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒；30mm直角擾流板的防積雪效果最好，其能使轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪總量減少95.50%。

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收稿日期：20230425

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11972171）；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2018M630513）；國家數(shù)值風(fēng)洞工程（NNW）

第一作者簡(jiǎn)介：聶建（1997—），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)雪兩相流，3161350090@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.038