風雪環境高速列車轉向架區域積雪問題研究與優化

摘要：基于Realizable k-epsilon湍流模型和離散相模型，對100 m/s（高鐵速度360 km/h）運行車速條件下，高速列車轉向架區域空氣流場變化、積雪問題和防積雪優化進行數值計算和分析。研究結果表明：轉向架區域內存在大量低速渦流，這些低速渦流周圍各部件上容易形成積雪；通過設計并加裝導流板和擾流板，能夠抑制轉向架下方氣流的上揚和回流趨勢，顯著減少轉向架積雪量；通過改進結構參數，發現導流板下斜距離為30 mm時，防雪性能最好，其可使轉向架積雪量減少95.50%。

關鍵詞：風雪流；轉向架；臨界捕獲角度；臨界剪切速度；導流板

中圖分類號：U292.9文獻標志碼：A文章編號：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，南北橫跨多個緯度，高緯度地區如東北三省和新疆北部地區，其氣溫可低至-40℃，積雪厚度可達20cm以上。在高寒地區，軌道和地面上的積雪會嚴重威脅高速列車的安全行駛，如軌道上的積雪會使轉向架輪對出現打滑現象，減小轉向架輪對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生擠岔或出軌［1］。同時積雪中的雪粒容易在高速列車周圍列車風的作用下脫離積雪表面，進入空氣流場，并在高速列車轉向架上形成積雪。轉向架積雪會引起一系列列車行駛安全問題，如轉向架制動裝置出現嚴重積雪時，會增加高速列車制動時間和制動距離，危害到高速列車的安全行駛［2］；空氣彈簧等的運動會受到積雪的阻礙，其減震效果因此受到影響［3］；高速列車行駛過程中，轉向架的積雪容易脫落，損壞地面設施和車下設備［4］。轉向架區域積雪問題已經成為高鐵設計和生產過程中重點關注問題之一。

對于高速列車轉向架區域防積雪研究，趙晨樂［5］設計了兩種防積雪方案——在轉向架區域前端安裝前置導流板和在轉向架區域中間位置安裝中置導流板，其研究結果發現45°中置導流板的防積雪效果最好。丁叁叁等［6］通過在轉向架前端板上安裝下斜橡膠板對轉向架區域防積雪設計進行研究，發現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，結果發現三角形列車底面防積雪效果比圓形列車地面好。ANDERSSON等［8］通過對轉向架部件進行結構優化來實現防積雪目的。王楓等［9］通過在轉向架區域前后端板位置安裝導流板，來實現防積雪目的，同時運用協同原理，降低導流板對列車阻力變化的影響。倪英瀚、蔡路、何德華等［10-12］通過在轉向架前方安裝擾流板、改變擾流板的結構來實現轉向架區域防積雪效果。高峰等［13］通過在轉向架區域前端、中間和后端位置各安裝一個導流板，對城際列車轉向架區域積雪問題進行改善。LEIF等［14］建議在高速列車行駛過程中對轉向架區域噴射混合液，以減少轉向架區域積雪量。

上述研究均未對轉向架區域內雪粒沉積條件進行研究，本文采用Realizable k-epsilon湍流模型和離散相模型，對風雪流條件下轉向架區域流場和轉向架區域雪粒運動特性進行研究；并基于流場結果和雪粒運動特性對轉向架區域積雪形成過程和防積雪結構進行研究。

1數值模擬理論

1.1湍流模型

湍流流動復雜，其物理參數變化無規律可言。在數值研究中選取Realizable k-epsilon兩方程模型進行研究，其理論公式［15］如下：

式中：k為湍動能；ε為動能耗散率；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；σk和σε分別是k和ε的湍流Prandtl數；Sk和Sε是源項。

1.2動量方程

動量方程又被稱為Navier-Stokes方程，其矢量形式［16］如下：

式中：t（ρV）表示非穩態項；SymbolQC@·（ρVV）表示對流項； －SymbolQC@p表示壓力項；μSymbolQC@2V表示擴散項；S表示源項。

1.3雪粒力平衡方程

風雪流中雪粒的運動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、虛擬質量力等，本文不考慮額外力情況。

2計算模型

2.1研究對象

1）導流結構

對高速列車而言，轉向架下方的高速氣流存在上揚趨勢和回流現象［18］。當高速列車在積雪地區行駛時，上揚和回流的氣流會攜帶雪粒進入轉向架。為改善轉向架下方高速氣流的上揚和回流趨勢，從而改善轉向架積雪情況，在轉向架前后端板上安裝導流板或擾流板以研究不同結構的防積雪效果，進而對轉向架區域積雪問題進行優化。設置導流板、直角擾流板和鈍角擾流板一共3種防積雪結構，如圖1所示，研究導流板、直角擾流板和鈍角擾流板的防積雪效果。根據轉向架和列車的寬度，設置導流板、直角擾流板和鈍角擾流板的長度為2 000mm；導流板的下斜距離和擾流板的垂直距離有20mm、25mm和30mm，以研究下導流板的下斜距離和擾流板的垂直距離變化對轉向架積雪量的影響。

2）流體域

流體域如圖2所示。其中流體域長約230m，寬度為103m，高度為54m。沿頭車向尾車的方向，將轉向架排序為轉向架1—轉向架6，同時在列車底部的區域上設置10個入射器，沿頭車向尾車的方向排序為入射器1—入射器10。

3）流體域網格劃分

對流體進行網格，流體域最大體網格為5 000mm；車體最大面網格為64mm，局部加密面網格為16mm；轉向架最大面網格為16mm，局部加密面網格為8mm，其表面網格如圖3所示，車體和轉向架表面設置6層附面層，底層附面層厚度為0.39mm，附面層厚度增長率和為1.2。

2.2雪粒沉積條件

如圖4所示，根據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。當雪粒撞擊角度大于雪粒臨界沉積角度時，雪粒將被反彈；當雪粒撞擊角度小于臨界沉積角度時，雪粒發生沉積，而沉積的雪粒會受到氣流的剪切作用，當氣流的剪切作用大于雪粒臨界剪切速度時，沉積的雪粒會再次進入空氣流場［20-21］。該邊界條件稱為Trenker準則邊界［22］。

2.3邊界條件的設置

選取Realizable k-epsilon兩方程模型對空氣流場進行研究，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。先對高速列車周圍的空氣流場進行穩態計算，流場結果收斂后再進行雪粒運動的非穩態計算；雪粒的密度為250kg/m3［23］，粒徑為0.2mm［24］；連續相和離散相的非穩態計算時間長均采用10-4 s，計算步數為20 000步。仿真的邊界條件如表1所示。

3仿真結果

3.1列車阻力特性分析

為驗證數值計算結果的可靠性，采用Realizable k-epsilon湍流模型，對文獻［25］中列車阻力特性進行研究，計算結果如表2所示。

對比數值計算結果和風洞實驗結果可知，頭車和尾車阻力系數相對誤差分別為4.83%、1.25%，滿足計算精度要求。

3.2轉向架區域流場變化

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

3.3轉向架表面壓力分布變化

圖6為轉向架1區域壓力分布圖。由圖6可知，轉向架制動盤和輪對的迎風側承受較高的正壓，而背風側承受負壓；轉向架后輪對和后端板之間的區域內壓力高于轉向架前后輪對之間區域內的壓力，說明后輪對和后端板之間的區域存在回流現象；導流板和擾流板可降低轉向架各部件迎風側的正壓，減小轉向架區域內壓力值，降低后輪對前后區域的壓力差，抑制回流現象。

4轉向架雪粒沉積情況分析

4.1入射器粒子釋放數計算

入射器雪粒釋放數由風雪流理論［26］計算結果確定。由風雪流理論公式可知，入射器雪粒釋放數取決于入射器表面切應力和雪粒臨界剪切速度。當雪粒臨界剪切速度一定時，入射器表面切應力越大，單位面積單位時間內入射器雪粒釋放數越多。單位時間內各入射器雪粒釋放數計算結果如圖7所示。

4.2轉向架區域的積雪量變化

1）導流板作用下轉向架區域積雪量變化

圖8為導流板影響下轉向架區域積雪量變化圖。由圖8可知，無導流板時，雪粒沉積數最多的轉向架區域是轉向架5區域，其雪粒沉積數占各轉向架區域雪粒沉積數之和的42.99%；雪粒沉積數最少的是轉向架1區域，其并未發生雪粒沉積情況，這是因為入射器的位置在列車正下方，具體如圖1（a）所示。因研究的是列車風起動雪粒在轉向架區域的堆積問題，由列車風起動的雪粒、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個量級，當雪粒隨空氣水平方向運動到轉向架1區域的正下方時，雪粒垂直方向運動高度低于轉向架1區域高度，雪粒并未進入轉向架1區域，因此轉向架1區域內不存在雪粒沉積問題。下斜距離20mm、25mm和30mm的導流板后，可使轉向架區域雪粒沉積總數分別減少72.16%、89.93%和95.50%，說明導流板下斜距離越大，其防積雪效果越好。圖8中也顯示出轉向架區域的車體板件仍然是轉向架區域積雪最嚴重的部位，其上積雪量分別占對應工況積雪總數的63.75%，62.34%和58.78%。

2）直角擾流板作用下轉向架區域積雪量變化

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

3）鈍角擾流板作用下轉向架區域積雪量變化

圖10為鈍角擾流板作用下轉向架區域積雪量變化圖。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，轉向架區域積雪總量分別減少73.91%、70.45%和77.50%。

5結語

本文采用數值模擬方法，對風雪流條件下轉向架區域的流場特性、雪粒的運動特性和轉向架區域積雪問題進行研究，并通過在轉向架前后端板上安裝導流板，并研究導流板的防積雪效果。根據上述研究，本文得出如下結論。

1）轉向架和前端板之間、轉向架前后輪對之間的高速氣流存在上揚趨勢；轉向架和后端板之間的氣流區域存在回流現象；上揚和回流的氣流會攜帶雪粒進入轉向架區域，在轉向架區域內發生堆積。

2） 轉向架構架、后端板和后輪對附近的雪粒分布最多；轉向架區域積雪最嚴重的部位是車體板件，其積雪量占積雪總量的81.41%；轉向架1區域沒有發生積雪問題，積雪量為0。

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

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收稿日期：20230425

基金項目：國家自然科學基金項目（11972171）；中國博士后科學基金項目（2018M630513）；國家數值風洞工程（NNW）

第一作者簡介：聶建（1997—），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為風雪兩相流，3161350090@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.038