高寒動車組走行部防冰雪擾流的空氣動力學性能研究

李超輝， 何德華， 周新建， 陳厚嫦， 王剛義

(1　華東交通大學　機電工程學院載運工具與裝備教育部重點實驗室， 江西南昌 330013；2　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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高寒動車組走行部防冰雪擾流的空氣動力學性能研究

李超輝1， 何德華2， 周新建1， 陳厚嫦2， 王剛義1

(1華東交通大學機電工程學院載運工具與裝備教育部重點實驗室， 江西南昌 330013；2中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

針對高寒動車組冬季運行走行部容易產生冰雪附著的問題，根據空氣動力學原理設計了多種可加裝于動車組走行部附近的擾流結構，并采用數值模擬的方法對原車和加裝不同擾流結構之后的走行部氣動流場進行對比分析。計算結果表明：加裝優化后的防雪擾流裝置可有效改善轉向架區域的流場，擾流板的防冰雪效果與其形狀和高度密切相關，改進方案最優參數下遮蔽效果良好，轉向架部位進雪量減少，轉向架空氣阻力系數降至原車的52%。

空氣動力學； 防冰雪； 擾流技術； 高寒動車組

高寒區列車的走行部冰雪附著問題會威脅列車運行安全和影響列車維護，且動車組運行速度較高，此問題更為嚴重。當動車組走行部發生冰雪附著后，可能會發生凍住機電設備、冰塊撞擊高速運動部件等危險情況。哈大高速鐵路冬季受冰雪天氣影響，動車組轉向架關鍵部件結冰、制動盤被硬質顆粒劃傷等現象在高寒動車組上大量出現，危及列車運營組織和行車安全[1]。

目前鐵路防冰雪技術大致分為被動控制[2-4]、線上線下清掃、材料改進和主動控制[5]等，其中被動控制技術無需額外能耗即可改變走行部的流動特征，從根本上降低冰雪附著速率，是目前的主流技術。北山茂[2]在700系列車轉向架區域加裝三角形擾流板，通過數值模擬的方法分析了轉向架區域流場，但由于計算能力的限制使用了局部模型，實際車底流速和車體側方流速具有較大的速度差，在側向冰雪附著評估上存在較大的誤差。橋本克史[3]通過在列車轉向架區域前后方安裝簡便擾流結構，擾流結構在縱剖面上呈雙斜面三角形，在車寬方向有多種設計，但仿真模型結構過于簡化，會對轉向架區域流場計算結果產生較大影響。謙田慈[4]在列車側方裙板上添加三角形擾流結構來抑制冰雪在轉向架側方的附著，通過風洞試驗宣稱獲得了較好的效果。日本Shishido[6]設計了在線冰雪附著實測裝置并開展了實際應用，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。李俊民[7]提出對動車組設備艙導流罩結構進行改進，并對模型的流場和壓力分布進行了仿真計算，但只對設備艙導流罩處積雪問題進行了改進，但對于走行部積雪更嚴重的轉向架區域并未做研究。通過對3節編組某型動車組模型走行部附近加裝擾流裝置，采用數值模擬的方法，對改進模型的防雪效果進行仿真分析。分析結果表明，加裝防雪擾流裝置有效的達到了防冰雪的目的。

1　擾流結構幾何模型設計

動車組3節編組現車模型及轉向架區域幾何模型見圖1。從圖1(b)可以看出，靠近車端一側的轉向架區域的設備艙導流罩為斜面結構，另一側的設備艙導流罩為垂直結構。斜面的設備艙導流罩相對于垂直的導流罩在氣動阻力和維護性等方面有優勢，但斜面導流罩極易將含雪氣流帶入轉向架區域，導致轉向架結構產生冰雪附著。

為減少因斜面導流罩造成的冰雪附著，設計了安裝在斜面導流罩前方的擾流結構，通過改變車底氣流，減少含雪氣流進入轉向架區域，擾流結構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構的棱柱，主要將車底來流引導向地面，見圖2(a)。而流線型擾流板在將車底來流向地面引導的同時還向擾流板兩側引導，見圖2(b)。

圖1　動車組幾何模型

圖2　擾流結構

另外，通過列車車廂連接處的縱剖面圖3(a)可以看出，氣流到達后車走行部區域時，將連續經過3個臺階，臺階不僅會增加列車的空氣阻力，而且轉向架受到高速氣流直吹的迎風面積也會增加。在不改動車廂連接處結構的條件下，去除后車與風擋連接時的下沉(臺階2)作為流線型結構的改進設計，為第3種擾流結構設計，見圖3(b)。

圖3　改進流線型擾流結構

2　數值模擬計算

2.1數學模型

列車最大運行速度為300 km/h，對應馬赫數為0.25，小于0.3的不可壓標準，因此流動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，連續性方程為：

動量方程為：

k-ωSST模式的兩個輸運方程分別為：

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

2.2流體網格的生成

采用trim + prism layer的六面體網格，trim網格對復雜外形有較好的適應性，也能保證生成的網格質量。由于流場離列車越遠越平穩，因此對遠離列車區域采用大尺寸網格，在流場變化大的區域以及走行部關鍵區域進行網格細化，采用從粗網格到細網格逐層過渡的方案[9]。每個模型網格量均在4 500萬左右，網格劃分見圖4。

2.3邊界條件的設定

采用相對運動的方法模擬列車附近的外流場，設定列車靜止，地面移動，空氣來流以及列車運行速度等值

圖4　模型網格

反向的速度繞流列車。計算域邊界條件設定：入口為速度邊界，速度取列車運行速度；出口為壓力邊界，出口壓力取一個標準大氣壓強；列車表面設定為有摩擦的固壁邊界；采用移動地面的方法，以消除地面效應的影響，設定速度值為與氣流入口處的速度大小相等，方向相同；計算域上表面和左右側表面，由于選擇的流場計算區域足夠大，可認為計算域外圍邊界對列車周圍的流場無影響，計算區域的外圍邊界設定為可滑移壁面邊界。

2.4計算工況

為了研究不同擾流板對列車氣動性能的影響，分別對原車和加裝擾流結構的模型進行仿真計算。為研究最佳的擾流方案，對擾流結構的長度、寬度和高度進行修改，獲得不同列車模型，最終有18組工況，見表1。

表1　工況數　mm

3　計算結果分析

為方便對比擾流效果，擾流板只安裝在中間車上，每個轉向架一個，共2個，我們按照流動方向(從左到右)將其分別稱為前擾流板和后擾流板，相應的兩組轉向架分別稱為前轉向架和后轉向架。評價防冰雪有效性的首要判據是轉向架受到較好的遮蔽，對應的流場特征為高速氣流應當盡量少的沖擊轉向架區域，滯流區盡量大地包裹轉向架重要部件，轉向架區域氣流以低速局部的小環流為主。對于吸入的雪粒，當其撞擊在轉向架時，高壓區和低壓區都會產生附著，因此認為低壓區和高壓區都會造成冰雪附著。

3.1走行部氣動特性分析

3.1.1列車整體流場分析

列車表面的壓力分布是列車氣動力分布的基礎，首先給出列車表面整體壓力分布云圖和各個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域，而在鼻錐兩側則因為氣流經過時流速較快而形成較低壓強。頭車前轉向架迎風面和背風面壓力差別分明，車底流動的阻力較大。由于轉向架區域的阻力，頭車后轉向架中部已經形成滯流區，隨后氣流經過列車連接處附近，此處有流道收縮，氣流加速，而后受到中間車前轉向架的阻礙再次滯留，見圖5(b)。中間車后轉向架和尾車前轉向架區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，見圖5(c)。

3.1.2轉向架區域典型流場分析

轉向架區域主要關注轉向架和轉向架周圍導流罩區域的流場情況，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，分析轉向架區域的流場情況，見圖6。列車中剖面為速度分布云圖，轉向架表面按壓力大小染色。

圖6　前后轉向架表面壓力分布及中剖面流場

從壓力圖中可以看出，前轉向架區域的壓力峰值點出現在前輪緣中下方、制動盤中下部以及設備吊艙前緣等的迎風面上，低壓區則分布在高壓區周圍。由于擾流板和轉向架導流罩的遮蔽作用，轉向架上部表面并未出現明顯的高、低壓區；從剖面速度云圖可以看出，擾流板后方區域形成了一個滯流區，滯流區內存在一個局部環流結構，整個轉向架區域上部為分散的多個環流。在后轉向架區域，垂直導流罩有較強的遮蔽效應，在轉向架區域上部形成了一個較大的局部環流，且其流速較小，不易吸入含雪氣流。

3.1.3擾流板形態對流場的影響

擾流板形態的不同，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)、改進流線型擾流板(L×H×W:1 800×80×300)為例討論擾流板形態對流場的影響，見圖7。

圖7　擾流板形態對前后轉向架中剖面流場的影響

對于前轉向架，從中剖面流場圖可以看出，改進的流線型擾流板能更好的將氣流引導向地面方向，轉向架上部區域形成了基本平直的滯流區，從而降低沖擊轉向架中間區域的氣流速度，同時在轉向架上部會形成穩定而低速的局部環流，進而降低冰雪吸入和附著。而直線型和流線型擾流結構均會被前方臺階產生的滯流區所影響，發揮的作用并不明顯。對于后轉向架，加裝擾流板能增大后轉向架區域的滯流區面積，降低轉向架上部流動的環流流速，抑制整體環流的生成，但由于前方垂直導流罩的作用，改變并不明顯。

3.1.4擾流板高度對流場的影響

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

圖8　擾流板高度對前后轉向架中剖面流場的影響

對于前轉向架，從中剖面流場圖可以看出，300 mm高的流線型擾流板效果最突出，轉向架上部區域形成了大片穩定的滯流區，明顯的降低了沖擊轉向架中間區域的氣流速度，進而能夠降低冰雪附著，而隨著擾流板高度的降低，滯流區的面積也隨之減少；同時300 mm高的流線型擾流板由于其明顯的遮蔽效應，明顯的抑制了轉向架上部的局部環流，使其幾乎難以識別，這對抑制雪粒的吸入有利。對于后轉向架，從流場圖可以看出3個案例的差別并不明顯，這是因為轉向架前方的垂直導流罩起到較大的阻擋作用。

3.2擾流結構評估

列車阻力系數采用阻力、車速與車體斷面面積無量綱化的計算方法，轉向架阻力系數降低，說明進入轉向架區域的含雪氣流減少，轉向架區域氣流速度降低，因此把轉向架阻力系數作為轉向架迎風面冰雪附著難易程度的指標，輔以升力系數作為轉向架底面冰雪附著難易程度的指標，對擾流結構進行評估。因后擾流結構對轉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，升力系數和中間車阻力系數也隨之增大，升力系數增大轉向架底面更易附著冰雪，阻力系數增大轉向架迎風面更易發生冰雪附著。從圖9(c)(d)可以看出改進的流線型擾流板(長L×高H×寬W為2 000×300×330)的中間車前轉向架阻力系數僅有原車型的52%，相對應的遮蔽效果最強，但中間車阻力系數比原車增加25%，3節編組增阻5%。比其長度小200 mm的改進流線型擾流板中間車增阻約20%，3節編組增阻4%。其余擾流結構的效果差別不明顯。

圖9　阻力系數和升力系數

4　結　論

(1)在轉向架區域前方加裝擾流板，引導流向轉向架區域的氣流流向，可以達到防冰雪的目的；

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

(3)改進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勢；

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

[1]中國鐵道科學研究院機車車輛研究所. 既有動車組運用優化研究-高寒動車組走行部關鍵部位防冰雪擾流技術研究, TY字第4128號[R]. 北京: 中國鐵道科學研究院，2015.

[2]北山茂，等. 《臺車周りの空力特性改善に関する研究》[C]. 日本機械學會第14回交通物流部門大會演講論文集, 2005, 12: 7-9.

[3]Onitake Yasuo. Snow accretion preventing device for express railway vehicle[P]. Japan Patent, 2006-117218.

[4]謙田慈. 移動體の著冰雪抑制構造[P]. Japan Patent, 2009-56942.

[5]Kim,M.S, et al. Thermal modeling of railroad with installed snow melting system[J]. Cold Regions Science and Technology, 2015,109: 18-27.

[6]Shishido. Development of a System for Measuring the Volume of Snow-Accretion to Running Train Car Bodies[C]. IWAIS XII Yokohama, 2007.

[7]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, 22(2):20-80.[8]Khierw, Breuerm, Durstf. Flow structure around trains under side wind condition : a umerical study[J]. Computers and Fluids, 2000, 29(2): 179-195.

[9]劉濤，劉鳳華，余以正等. 基于STAR-CCM +的高速列車空氣動力學性能數值分析[J]. 大連交通大學學報,2013, 24(2):24-27.

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