基于風雪兩相流的高速列車轉向架積雪特性分析與優化

王 楓，高永杰，趙 興

(1.大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連民族大學機電工程學院，遼寧 大連 116600)

0 引言

列車在風雪環境中運行時，雪花顆粒容易隨周圍列車風卷入轉向架區域形成堆積，直接影響空氣彈簧、制動裝置等重要部件的正常工作，嚴重惡化車輛動力學性能[1-4]。針對高速列車轉向架積雪問題，國內外學者主要從以下2個方面展開研究：在轉向架的氣動流場方面，韓運動等[5]對高速列車轉向架艙內流場進行了實車測試和數值模擬，從流場的角度分析了轉向架區域氣流流動規律，Iglesias等[6]研究發現氣流在進入轉向架區域后，會圍繞各部件形成復雜的紊流；在轉向架防積雪措施的研究方面，蔡華閩[7]針對車體底部外形設計了三角形車底外形和圓弧形車底外形模型，防積雪性能分別提升了37.83%和29.35%，Andersson等[8]對高寒地區運行的高速列車車體外形和轉向架進行了優化，對列車制動、懸掛系統等積雪嚴重部位進行了改進。

一方面，目前大多數的研究僅從單相流(風場)角度考慮轉向架區域流場特性，但事實上單相流因為沒有考慮雪花顆粒特性(包括速度、位移、直徑、質量流量和密度等)，因此對轉向架積雪成因會存在一定偏差[9]。另一方面，對于轉向架區域設計添加導流板，缺少一個通用的設計依據，難以保證加裝后防積雪的效果。研究結果表明，利用流動場協同理論可以實現對流場的優化，因為其依據最小機械能原理，對速度和速度梯度場進行協同，能夠獲得流動阻力最小時的最佳流場[10]，因此以協同流場中的流線作為導流板設計依據，可以實現對導流板安裝位置和形狀的優化。

本文基于三維非定常不可壓縮N-S方程和離散相模型,對風雪兩相流條件下轉向架積雪成因進行了分析，并利用流動場協同原理對轉向架區域加裝的防積雪導流板裝置進行了結構優化，有效減少了轉向架區域雪花顆粒的堆積，得到了轉向架防積雪的優化方案。

1 計算流體力學基本理論

1.1 基于歐拉法的N-S方程

1.1.1 質量守恒方程

計算流體動力學宏觀上假設流體是連續的，流體質點可以充滿整個計算空間，即單位時間增加的流體微元體質量與流入微元體質量的凈質量相等。數學表達式為

(1)

u、v、w分別為x、y、z方向的速度矢量;ρ為流體密度;t為時間。

1.1.2 動量守恒方程

動量守恒是對于所有研究的流體，其在動量上的變化率等于作用在其上面的表面力與體積力的總和。動量守恒方程也被稱為Navier-Stokes (N-S)方程。數學表達式為

(2)

μ為動粘性系數；τij為粘性應力；δij為克羅內克函數。

1.2 離散相顆粒模型

離散相模型是將氣流看作連續相，雪花顆粒看作離散相來計算，它把顆粒與氣體之間、顆粒與顆粒之間的相互作用都考慮了進去。由于雪花顆粒的體積較小，質量較輕，分布的體積濃度小于10%，因此本文選用拉格朗日離散相模型對雪花顆粒進行離散相分析。把雪花顆粒的質量、動量的交換與連續相進行耦合計算，表達式為：

(3)

(4)

nk、mk為第k組粒子的密度數；Fj為離散相與連續相耦合作用力；mp為顆粒質量流率；Δt為時間步長。

1.3 流動場協同方程

流體在流動過程中所受阻力主要來源于機械能的粘性耗散，因此在考慮給定約束條件下通過對粘性耗散函數求最小值，可以獲得流動阻力最小時的最佳流場。粘性耗散函數為

(5)

對黏性耗散函數構造拉格朗日函數求極值，聯合流動N-S方程，可以得到原N-S方程中附加體積力為

(6)

通過建立不可壓縮湍流場協同減阻模型，修改模型動量方程的源項，可以求解得到一個理想化的“完全場協同流場”[11]。

2 風雪兩相流條件下轉向架積雪分析

空間流線分布可以直觀顯示列車轉向架氣流流向、流速和渦流狀況，通過分析轉向架區域流線，對研究轉向架積雪原因和分布具有重要意義。在列車運行時，由于高速氣流的作用，轉向架部件受氣流沖擊表現為正壓的區域易產生積雪問題。因此，可以從轉向架各部件表面壓力云圖來分析轉向架區域積雪的原因。由于慣性力的存在，轉向架區域內雪花顆粒的實際運動軌跡與氣流軌跡會有一定的偏移，因此采用離散相模型對雪花顆粒運動特性進行模擬仿真，進一步分析轉向架積雪原因。

2.1 轉向架計算模型

利用離散相模型對風雪兩相流條件下雪花顆粒的運動特性進行仿真時，考慮到雪花顆粒不適用相似性準則[12]，故計算模型比例應保持1∶1，若采用3節組整車模型，網格數量會非常多，離散相方法的計算也會特別大。研究發現車頭和車尾距離轉向架區域較遠，其外形變化對于轉向架流場影響較小，綜合考慮后取轉向架及其臨近區域進行仿真[13]，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2.2 計算域與網格劃分

數值仿真計算域的建立應與風洞試驗裝置保持一致[14]。本文選取計算域如圖2所示。

圖2 轉向架計算域示意圖

采用ICEM進行網格劃分，網格類型為非結構四面體網格。網格尺寸設置：外流場最大網格尺寸為200 mm，車體最大尺寸為50 mm，轉向架最大尺寸為10 mm(空氣彈簧、構架、枕梁和中心牽引)，最小尺寸為5 mm(牽引電機、齒輪箱和軸箱)，此外，在轉向架各部件表面設置8層附面層網格。網格總數量2 800萬，網格模型如圖3所示。

圖3 對稱面的外流場體網格

2.3 邊界條件設置

考慮到列車運行時的流場是湍流流動，因此在對計算模型進行數值仿真時使用RNGk-ω兩方程湍流模型，同時為了提高計算精度，對流項采用二階迎風格式進行離散，并采用SIMPLE算法進行仿真計算。對于風雪兩相流的數值仿真計算邊界可分為空氣相邊界(參數如表1所示)和離散相邊界(參數如表2所示)。

表1 空氣相流場邊界條件

表2 離散相流場邊界條件

2.4 轉向架區域積雪原因分析

2.4.1 轉向架區域流場特性分析

轉向架主要由牽引電機、空氣彈簧、齒輪箱和構架等部件組成。為了更準確地分析轉向架區域流場，在各主要部件位置處作切面，如圖4所示。

圖4 轉向架切片位置

從圖5a可以看出，氣流主要從列車底部進入轉向架區域，在流經轉向架區域前段時，由于空間瞬間擴大，一部分氣流會在輪對、牽引電機和齒輪箱等部件的迎風側發生不同程度的偏轉，其中大部分氣流上揚進入轉向架上方區域，并在隔墻傾角處形成大面積渦流。還有一部分氣流在前后輪對處上揚進入轉向架區域上方。

圖5 轉向架截面流線

從圖5b可看出，當列車運行速度為300 km/h時，轉向架內部大部分氣流速度小于30 m/s，氣流速度較低的區域主要集中在枕梁、牽引電機與齒輪箱附近。大面積渦流主要出現在轉向架前后隔墻傾角處。從圖5c可以看出，小型渦流集中在牽引電機與輪對附近、空氣彈簧與構架下端附近。由于大量低速渦流的存在，雪花顆粒會在流經渦流后，在低速氣流區域落下形成堆積。

2.4.2 轉向架區域壓力場特性分析

從圖6a可以看出，列車在運行過程中會在轉向架部件迎風側產生較大的正壓，此處的雪花顆粒隨高速氣流快速運動，不易造成堆積。但轉向架區域內部緊湊復雜的結構會對高速氣流產生較大的阻礙作用，攜帶雪花顆粒的氣流在速度較低的負壓區域會因重力因素堆積到轉向架部件表面。

從圖6b可以看出，輪對所處位置為車體底板下方，直接受氣流沖擊影響較大，由圖5知此處附近氣流流速最高，因此所受壓力最大，構架和牽引電機次之，其中輪對、枕梁和齒輪箱等部件周圍壓力差較大，尤其是輪對附近，前輪對正面受正壓，背面受負壓影響，后輪對正面壓力小于背面壓力，說明氣流在轉向架輪對附近速度較快，發生了繞流現象，雪花顆粒容易在后端區域回流進入轉向架。后期在對轉向架設計加裝整流裝置時，需要考慮轉向架后端區域回流現象的發生。

圖6 轉向架壓力云圖

2.4.3 風雪兩相流條件下雪花顆粒運動特性分析

為了更加清楚地分析雪花顆粒在轉向架區域的運動特性，選擇1組雪花顆粒從進入到流出轉向架的1個時間周期進行觀察。當時間t=0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s、0.6 s、0.7 s時,雪花顆粒運動仿真結果如圖7所示。

圖7 雪花顆粒不同時刻運動軌跡

從圖7可以看出，t=0.2 s時雪花顆粒開始進入轉向架前端區域，一部分雪花顆粒隨列車底部高速氣流最先到達轉向架構架前端、前牽引電機、前齒輪箱與前輪對處；t=0.3 s時，一部分雪花顆粒隨氣流在前牽引電機、前齒輪箱等部件迎風側開始上揚進入轉向架區域上方，還有一部分雪花顆粒在前輪對處發生繞流，進入轉向架中部區域；t=0.4 s時，進入轉向架上方區域的雪花顆粒一部分仍處于渦流中，另一部分雪花顆粒隨低速氣流落在渦流附近的轉向架部件表面進而形成堆積；t=0.5 s時，大部分雪花顆粒隨氣流開始向轉向架區域后方運動，主要聚集在后齒輪箱與牽引電機附近，由圖5c可知，后齒輪箱與牽引電機附近存在大量低速渦流，此處積雪情況較為嚴重；t=0.7 s時，轉向架區域后方的雪花顆粒隨氣流在隔墻傾角處流出轉向架。

通過分析雪花顆粒的運動特性可以得出，雪花顆粒的運動軌跡與氣流軌跡類似，二者均在構架前端、前齒輪箱與前牽引電機等部件迎風側發生偏轉進入轉向架區域上方，并在轉向架內部區域形成大大小小的繞流。因此，雪花顆粒的運動特性與轉向架的流場特性有著密切的關系，通過改善轉向架的流場結構可以有效減少轉向架積雪量。

通過對轉向架空間流線、壓力場、雪花顆粒運動特性分析，可以知道：一部分雪花顆粒隨高速氣流分別在區域前端和構架中部上揚進入轉向架，另一部分雪花顆粒在后端折返回流進入轉向架，在大面積低速渦流的作用下，堆積到轉向架各部件表面。基于上述研究結果，可以考慮在轉向架區域前后兩端安裝導流板，抑制雪花顆粒前端上揚以及后端回流進入轉向架的趨勢。

3 轉向架防積雪導流板設計優化

3.1 導流板結構設計

基于上述分析結果，通過在前后端面處安裝下斜導流板，減少轉向架區域的積雪，導流板結構如圖8所示。

圖8 導流板結構

在考慮整車阻力、升力和傾覆力矩的前提下，以轉向架高度為基準，前端導流板下斜距離h最高取轉向架高度H的70%。

3.2 導流板下斜高度對轉向架積雪的影響

分別對導流板下斜高度0%H、10%H、20%H、30%H、40%H、50%H、60%H、70%H進行仿真分析，結果如圖9所示。

從圖9a可以看出，原始轉向架流場中，前端氣流在進入轉向架區域時，發生明顯的上揚偏轉，從而在轉向架區域前端形成大面積渦流；從圖9b～圖9h可以看出，在轉向架前端設置下斜導流板能夠有效抑制氣流上揚進入轉向架的趨勢，而且隨著下斜高度的增大，上揚進入轉向架區域的氣流越少，流經轉向架底端的氣流越多。

圖9 不同下斜高度下轉向架流場

由圖10可知，在轉向架前端加裝下斜導流板后，轉向架區域的積雪量減少，并且在一定范圍內導流板下斜高度越大，轉向架區域的積雪量就越少。但是隨著導流板下斜距離增加，整車阻力、升力和傾覆力矩較原型車會有所增加，綜合考慮取導流板下斜距離為50%H時進行流場優化。

圖10 導流板下斜高度與雪花顆粒堆積數量

4 轉向架流場優化

4.1 湍流場協同模型構建

基于流動場協同原理推導流動場協同方程，把推導出的方程通過編寫UDF給Fluent軟件中動量輸運方程添加源項，求解一個不可壓縮湍流的轉向架流場，得到“完全場協同流場”。并依據其中的流線作為導流板優化設計的依據，對轉向架流場進行優化，“完全場協同流場”如圖11所示。

圖11 完全場協同流場截面圖

由圖11可知，求解流動場協同方程后得到的“完全場協同流場”流線較為均勻，原始流場中的渦流結構和回流現象均消失了。為了讓優化后的流場更為貼近“完全場協同流場”，截取“完全場協同流場”流線段，并以該流線形式確定導流板形式及安裝位置，如圖12所示。

圖12 協同場導流板示意圖

4.2 協同場導流板優化結果

對添加協同場導流板后的轉向架在相同邊界條件下進行仿真，優化前后流場對比結果如圖13所示。

圖13 添加協同場導流板前后流場對比

通過優化前后轉向架流場對比可以看出，加裝了以“完全場協同流場”流線形狀為依據設計的導流板后，轉向架流場前隔墻傾角處的渦流結構得到了較大改善，牽引電機與輪對附近、空氣彈簧與構架下端附近的小型渦流也大量減少。優化前后同一時刻下雪花顆粒運動軌跡如圖14所示。

由圖14可知，雪花顆粒在流經轉向架時，由于前端導流板的阻礙作用，大部分雪花顆粒會從底部流出轉向架，前端上揚和后端回流進入轉向架區域的雪花顆粒也大量減少，流場優化后的轉向架區域積雪量減少了73.6%。

圖14 優化前后同一時刻雪花顆粒運動軌跡對比

5 結束語

本文采用CFD數值模擬方法研究了某高速列車轉向架區域積雪問題，分析了轉向架區域氣流流動特性、壓力特性、風雪兩相流條件下雪花顆粒運動特性，以及不同速度下轉向架積雪情況，分別在轉向架前端和后端設計添加了直線型導流板，并通過場協同理論對添加導流板后的流場進行了優化。基于上述研究得出如下結論：

a.雪花顆粒的運動軌跡與氣流流動軌跡類似，列車底部高速氣流攜帶雪花顆粒進入轉向架區域時發生上揚，在轉向架內部形成大量低速渦流，雪花顆粒在低速渦流附近形成堆積。

b.轉向架前端設置下斜導流板能夠有效抑制氣流上揚進入轉向架的趨勢，隨著導流板下斜距離的增加，轉向架區域積雪量明顯減少。

c.采用流動場協同原理，以“完全場協同流場”中的流線作為導流板優化設計的依據，對轉向架流場優化后，轉向架流場前隔墻傾角處的渦流結構得到了較大改善，牽引電機與輪對附近、空氣彈簧與構架下端附近的小型渦流也大量減少，積雪量相比原模型減少73.6%。