基于離散相的高速動車組轉向架區域積雪問題研究

韓俊臣，宋春元，徐芳，高廣軍，張琰，田振

基于離散相的高速動車組轉向架區域積雪問題研究

韓俊臣1，宋春元1，徐芳1，高廣軍2，張琰2，田振2

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2. 中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

為了研究高速動車組轉向架區域的積雪結冰問題，針對簡化的車體和轉向架模型，采用三維非定常雷諾時均Realizable-湍流模型(URANS)，耦合離散相模型(DPM)流場仿真計算，模擬高速動車組轉向架區域流場和雪粒子分布情況。研究結果表明：轉向架底部高速氣流攜帶雪花從轉向架中部和后方向上折返進入轉向架上方區域，并形成低速漩渦，雪花在狹窄處逐漸堆積；轉向架底部各零部件迎風側表面受到氣流直接沖擊，表面呈現較為明顯的正壓，在發熱零件表面極易形成積雪積冰。另外，沿著列車運行方向，后3臺拖車轉向架比第1臺拖車轉向架表面的粒子黏附情況依次減少56.43%，95.42%，95.47%，第2臺動車轉向架比第1臺動車轉向架表面黏附粒子數減少51.74%。

高速動車組；轉向架；積雪結冰；離散相模型；數值模擬

我國高速鐵路線線路長、區域跨度大，列車在越來越復雜多變的環境下運行，面臨著在強風雪等惡劣環境下運行的挑戰。高寒線路如哈大高速鐵路，北起黑龍江省哈爾濱市，南抵遼寧省大連市，線路縱貫東北三省，是我國目前在最北端的嚴寒地區設計建設標準最高的高速鐵路[1]。在冬季時由于天降大雪或線路周圍覆蓋大雪，列車高速運行時形成的列車風、列車底部和地面之間的強剪切流動以及轉向架的擾動會將線路上積雪卷起來，擾動后的雪花在轉向架區域流過，部分雪花在高速運動中和轉向架結構相碰撞，導致積雪在轉向架上黏附。轉向架是連接高速列車空氣動力及車軌動力的關鍵部分，當轉向架上的積雪達到一定程度時，將降低減振系統、制動裝置等作用效果，從而影響到高速列車的運行安全穩定性。轉向架積雪問題成為高鐵部門及相關高鐵車輛制造公司亟待解決的問題之一，引起了高速列車國家的高度重視[2]。近年來，國內外相關學者針對高速列車轉向架積雪問題，通過設定空氣?連續相和雪花?離散相(Discrete Particle Model，簡稱DPM)等研究方法，分析轉向架區域的流場特性和積雪成因。苗秀娟等[3]通過對高速列車底部流場研究，研究高速列車轉向架區域積雪問題的原因，并提出轉向架區域流場流動控制方法，有效減少進入轉向架區域的氣流，改善流場結構以減少冰雪堆積。WANG等[4?8]基于DPM方法，通過對CRH2高速動車組轉向架區域流動特性、不同湍流模型結果對比、轉向架區域邊界優化等研究, 在凈風場和兩相流風洞實驗中，驗證數值仿真方法的正確性，分析高速動車組積雪結冰成因和可能堆積位置，歸納總結轉向架區域積雪結冰機理，提出相應的優化方案并通過仿真計算驗證優化方案的防積雪效果，完善了高速列車轉向架區域積雪結冰研究和防治體系。Allian等[9]為研究雪在高速列車中的堆積機理，在氣候風洞中進行多次試驗以進行數值模擬的驗證。馮永華[10]等人對不同運行速度下高寒車轉向架區域速度場和壓力場進行研究，分析高寒動車組轉向架表面積雪成因。本文基于DPM方法，通過模擬高速動車組三車模型在明線上運行，比較數值仿真結果中轉向架區域的流場和離散相粒子分布特性，分析高速動車組轉向架區域積雪結冰成因，為今后的防治積雪結冰方案研究奠定基礎。

1 數值仿真方法

1.1 計算模型

采用基于Realizable-湍流模型的三維、不可壓縮和瞬態RANS方法研究的轉向架區域的流動現象，并基于DPM方法，通過向空氣中添加模擬雪花的粒子，模擬雪花在高速動車組轉向架區域的運動和堆積情況。其中空氣和雪粒子分別視為連續相和離散相且相互影響。控制方程及相關參數選取詳見參考文獻[11]。DPM離散相模型用于研究轉向架區域中雪粒子的運動情況。根據牛頓第二定律和參考文獻[12]，離散相粒子的運動方程參見參考文 獻[13]。針對連續相和離散相，WANG[4]和XIE等[13]分別用大縮比模型進行凈風場和離散相風洞試驗，驗證本數值仿真計算結果和風洞試驗具有一定的一致性，故本研究中采用相同的數值仿真計算模型。

1.2 幾何模型

目前，在我國現有鐵路線上運行的動車組均為8車及以上的長編組。列車周圍流場沿著鼻尖流動至車身一定距離(小于1輛車輛長度)后，列車周圍的流場結構趨于穩定，縮短的模型并不改變列車周圍流場基本特征，故計算模型采用3車編組，即頭車+中車+尾車，頭車和尾車配有兩臺拖車轉向架，中車配有兩臺動車轉向架，計算模型如圖1所示。

本文著重研究高速動車組轉向架區域的流場情況和雪粒子分布情況，精細化研究轉向架表面的雪花分布情況，對車體和轉向架模型進行簡化。在省略制動管線等細小結構、調整間隙以適應網格劃分的基礎上，轉向架保留了制動裝置、制動盤、電機、齒輪箱等部件較為完整的細節，計算時重點關注這些發熱部件，如圖1(b)所示。

1.3 計算域、邊界條件等參數設定

動車實際運行環境較為開闊，而數值仿真受到計算資源和規模限制，需建立足夠大的計算域以使結果更為接近真實運行環境。建立的計算區域如圖2所示。為了真實模擬轉向架底部流場結構和特性，保證流場充分發展，選取列車車高為特征長度，設定列車中心距離前端入口邊界距離為20，列車尾部區域則為40，計算域高度為10，同時橫向方向上，迎風側和背風側均設定為10。通常高速列車的流場仿真采用相對運動原則，將實際運行環境中的地面固定、列車向前運動改為列車及轉向架固定、地面和路堤向后運行，并給定列車前方為向后的氣流，從而減小計算規模和節省計算資源。因此，面給定速度入口，來流速度為69.44 m/s；為壓力出口，給定壓力=0 Pa；前后2個側面，和頂面為對稱平面，虛擬增加計算區域；底面和路基為移動壁面，滑移速度與來流速度相同，為69.44 m/s。根據參考文獻[14]，輪對旋轉的壁面條件對車體流場分布的影響較小，可忽略不計，因此車體和轉向架表面均設置為固定壁面。

(a) 三車編組模型；(b) 拖車轉向架和動車轉向架

圖2 計算域

對于離散相，在頭車前方底部建立與車等寬、高度介于路基和排障器之間的粒子發射面，每秒發射3 000個密度為916 kg/m3、直徑為0.15 mm的模擬雪粒子。計算域各邊界對于離散相的設定分為逃逸(Escape)、反射(Reflect)和捕捉(Trap)3種，其中，面，，，和為逃逸邊界條件，即粒子觸碰到上述邊界，粒子的迭代將終止；車體、路基和面被設定為反射，法向和切向的反射系數設置為1.0；轉向架各零部件表面設定為捕捉，即表面黏性設置為無窮大，粒子觸碰即被捕捉并停止迭代，以黏附更多的雪粒子。

圖3 (a)流場網格和(b)車體邊界層網格

1.4 計算網格

采用3節高速動車組為計算模型，車體和轉向架模型均在保留一定細節的前提下進行簡化后，對整個計算域和物體表面進行網格離散。運用Open FOAM 5.0中的SnappyHexMesh網格離散工具進行離散以六面體網格為主的混合網格，車體物面網格為3.9 mm，轉向架網格大小為4 mm，車體和轉向架邊界層為6層，路基軌道的邊界層為4層，附面層網格厚度分別為0.39 mm和0.4 mm。車體和轉向架周圍進行空間加密，保證車體和轉向架周圍的流場計算準確。整個計算網格的單元數約為3 100萬，流場局部網格和車體表面邊界層如圖3所示。

2 轉向架區域非定常流場

2.1 速度場分析

為分析動車轉向架以及拖車區域關鍵部件的空氣繞流特性，在轉向架輪對中心線、前后電機中心線、前后齒輪箱中心線處垂直于軸做切片。針對拖車轉向架，在中間制動盤位置上做1個垂直于軸的切片(=0)，針對動車轉向架，在制動裝置、電機和齒輪箱位置做2個垂直于軸的切片。

如圖4所示，為拖車轉向架1，2，5和6的區域速度流線切片。其中轉向架區域流速進行無量綱化，=/ref，為轉向架流場的當地速度，ref為自由來流速度69.44 m/s。從圖中可以看出，頭車第1臺拖車轉向架區域內的空氣流速最高，第2臺轉向架區域速度較低，第5臺轉向架底部氣流速度最低，最后一臺轉向架底部氣流的速度升高，與第2臺轉向架的氣流速度接近。高速氣流主要沿著轉向架底部流過，其中部分底部氣流從轉向架中間和后側向上運動至轉向架上方區域，并向前運動，存在明顯的回流現象。轉向架上方氣流除了部分氣流在狹窄處略微加速，大部分氣流速度較低，在制動盤、制動裝置周圍氣流速度較低，存在復雜的空氣漩渦。尤其是第1臺和第2臺轉向架上方的低速氣流速度依然有在10 m/s以上的分布，研究表面，當起動風速大于10.7 m/s時雪花會跟隨氣流運動[15]。所以這些氣流中依然包含較多的雪花，極有可能在狹窄的位置附著在表面，形成積雪。同時，轉向架底部的高速氣流對制動盤和制動裝置以及轉向架構架的底部造成了沖刷，其中攜帶的大量雪粒子沖刷上述位置，尤其制動盤和制動裝置表面在制動時會發熱，雪花觸碰將融化，在其表面形成液膜，后續雪花將不斷黏附于此并不斷積累。

圖4 拖車流線切片

如圖5所示，為動車轉向架3和4的區域速度流線切片。整體氣流速度相對較低，底部氣流從轉向架中部和后部上揚進入轉向架上方區域并在轉向架上方形成回流和低速漩渦，其中的雪花易附著于周圍的轉向架部件，尤其是電機、齒輪箱等發熱部件表面，雪花在此融化，后續雪花逐漸積累形成嚴重積雪結冰。同時電機、齒輪箱等底部迎風側受氣流直接沖擊，在表面發熱的前提下依然存在積雪的可能。

2.2 壓力場分析

圖6是轉向架以及轉向架區域的壓力分布情況，其中C為無量綱化壓力系數，C=/0.52ref，為當地壓強數值，為空氣密度。由于轉向架區域的空氣流速較高，轉向架1前部分表面的壓力呈現出極低的負壓，但是在轉向架1的后半部分，尤其是后側制動盤和制動夾鉗的迎風側呈現出明顯的正壓。在轉向架2表面絕大多數均為正壓；轉向架3至5表面的也呈現出與轉向架2表面相似的壓力分布特點，由于氣流速度沿著車體方向之間降低，導致正壓面積分布也沿著車體方向逐漸降低。由于轉向架6的區域的氣流加速效應，轉向架6表面呈現出極低的負壓分布特征。正壓區域是由于氣流直接沖擊在轉向架表面所造成的，根據之前的分析可知，大量的雪粒子會脫離繞流流線，直接撞擊并黏附在轉向架表面并造成的積雪結冰現象。尤其是在轉向架的正壓區域內的積雪結冰較為嚴重。此外，由于轉向架1區域的氣流速度最高，氣流對轉向架的沖擊也較為嚴重，轉向架1的積雪量也是可觀的。此外，拖車轉向架的制動盤和制動夾鉗以及動車轉向架的齒輪箱體和牽引電機迎風面均處于較高的正壓環境，發熱元件的會將其表面積雪融化，在強冷環境下凝結成冰。尤其是拖車的制動盤高速轉動會將表面的液態水甩至轉向架區域關鍵部件，如車輛高度閥等，可能會對零部件功能造成不良影響。

圖5 動車流線切片

圖6 轉向架表面壓力分布

3 轉向架離散相數值仿真分析

3.1 空間雪粒子濃度分布分析

如圖7所示，為6個轉向架空間離散相分布濃度切片圖。總體來看，大部分雪花主要分布在轉向架底部，部分粒子跟隨氣流從轉向架底部上揚進入轉向架上方，極有可能在速度較低處形成堆積。對于拖車轉向架1和2，轉向架底部有大量的雪花分布，尤其是在制動盤和制動裝置周圍，易對其底部造成嚴重積雪堆積情況。對動力轉向架3和4，其底部的雪花濃度有所減少，但其空間依然分布較多的雪粒子，尤其轉向架后方由于氣流作用，大量雪花上揚至轉向架上方區域，電機和齒輪箱周圍有較高濃度的雪花粒子。對于拖車轉向架5和6，其底部雪粒子濃度較少，空間粒子濃度也較少，轉向架各部件堆積粒子數量相對于前面轉向架減少。

圖7 轉向架空間雪花濃度分布

3.2 轉向架表面積雪粒子數分析

表1和表2分別為拖車和動車轉向架表面黏附的雪粒子數目統計。從表1中可以看出，拖車轉向架表面的雪花黏附數量不斷減少，其中，頭車第1臺轉向架表面的雪粒子數最多，第2臺、第5臺、第6臺轉向架依次減少56.43%，95.42%和95.47%。同時各個零部件表面上的雪粒子黏附數量，制動裝置和制動盤表面的雪粒子數量明顯減少；頭車2臺轉向架表面雪粒子數量差異較大，尾車2個轉向架表面雪粒子數量差異較小。

表1 拖車轉向架零部件表面粒子黏附數

表2分別為動車轉向架表面的黏附的雪粒子數目統計。從表2可以看出，動車轉向架表面的雪花黏附數量不斷減少，其中，中間車第1臺轉向架表面的雪粒子數最多，第2臺減少51.74%。同時各個零部件表面上的雪粒子黏附數量，第2臺動車轉向架電機和齒輪箱和制動裝置表面的雪粒子數量明顯減少。

表2 動車轉向架零部件表面粒子黏附數

轉向架區域流場中雪粒子主要重力和氣動力的作用，而且雪粒子受到氣動力與空氣流速緊密相關。轉向架上方區域的空氣流速極低，雪粒子所受氣動力趨近于零，因此雪粒子所受重力絕對占優，導致少量雪粒子在重力作用下落在轉向架的上表面并形成少量積雪。雪粒子在慣性作用下會脫離氣流并保持原方向繼續運動。因此，當氣流繞過牽引電機、齒輪箱和制動夾鉗等發熱元件時，雪粒子因慣性作用運動方向與氣流產生分離，并在慣性力作用下直接沖向制動夾鉗表面。雪粒子極易被夾鉗表面的熱量捕捉并在其表面迅速融化，液態水在寒冷天氣中發生相變，在制動夾鉗表面形成冰、水混合物。由于冰、水混合物的表面粗糙度和黏度均增大，對雪粒子的捕捉能力變得更強，導致制動夾鉗表面的積雪結冰越來越多，尤其是在制動夾鉗底部的滑槽產生大量積雪結冰會導致制動機構的產生運動阻滯，從而引發高速列車制動失效，嚴重威脅了高速列車運行安全。根據圖6中制動夾鉗表面底部壓力分布情況可知，氣流對后側制動夾鉗底部的沖刷作用強于前側，因此不難推斷，后側制動夾鉗底部的積雪結冰情況比前側夾鉗更為嚴重。

4 結論

1) 沿著列車運行方向，轉向架區域的氣流速度逐漸減小，較高速氣流將攜帶雪花中轉向架中部和后部折返到轉向架上方區域，并在轉向架狹窄區域形成低速漩渦。雪花在這些狹窄區域低速漩渦中將黏附于轉向架表面。同時，轉向架底部高速氣流直接沖擊轉向架表面，形成積雪。

2) 轉向架受沖擊表面的正壓數值及范圍沿列車運行方向上不同的轉向架而變化，同時整個轉向架區域的氣流速度的提高也導致轉向架區域的負壓數值及分布范圍明顯增加。

3) 大量的雪粒子主要集中在轉向架下方區域運動，拖車轉向架的積雪主要集中在制動盤、枕梁以及構架底部；動車轉向架主要集中在電機、齒輪箱底部上。轉向架下表面的積雪主要是大量的雪粒子跟隨高速氣流撞擊在轉向架的迎風側并黏附于轉向架表面造成的。

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Study on the snow issue in the bogie regions of the standard EMU with three cars based on DPM method

HAN Junchen1, SONG Chunyuan1, XU Fang1, GAO guangjun2, ZHANG Yan2, TIAN Zhen2

(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130062, China; 2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the snow issue in the bogie area of a high-speed EMU, the three-dimensional unsteady Reynolds-averaged Realizable-turbulence model and discrete phase model (DPM) were used to simulate the flow field and snow particle distribution in the bogie area of a simplified high-speed EMU. The results show that the high-speed airflow at the bottom of the bogie carries snow particles into the upper regions from the middle and rear of the bogie, forming some lower speed vortexes and thus the snow gradually accumulates in the narrow space. The windward surfaces of the bottom parts of bogie are directly impacted by the airflow, where exists obvious positive pressure. It is easy to form snow and ice on the surface of heating parts. In addition, along the train direction, the snow accumulation on the last three trailer bogies decrease by 56.43%, 95.42%, 95.47%, respectively, as compared to that on the first trailer bogie. The number of particles on the surface of the second motor bogie decreases by 51.74% compared with that of the first motor bogie.

high-speed EMU; bogie; snow and ice; DPM; numerical simulation

U271

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0280 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190551

2019?06?20

國家重點研發計劃資助項目(2016YFB1200404-04)；高鐵聯合基金資助項目(U1534210)；湖南省自然科學基金資助項目(14JJ1003)；國家自然科學基金青年基金資助項目(51605044)；湖南省自然科學基金青年基金資助項目(2016JJ3004)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃(2017J003-F)

宋春元(1980?)，男，遼寧義縣人，教授級高級工程師，從事轉向架技術研究；E?mail：chunyuansong@163.com

(編輯 蔣學東)