基于風雪兩相流的高寒動車組轉向架防冰雪擾流技術研究*

何德華， 王剛義， 陳厚嫦， 李超輝

(1　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081；2　華東交通大學　機電工程學院， 江西南昌 330013)

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基于風雪兩相流的高寒動車組轉向架防冰雪擾流技術研究*

何德華1， 王剛義2， 陳厚嫦1， 李超輝2

(1中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081；2華東交通大學機電工程學院， 江西南昌 330013)

針對高寒動車組冬季運行時轉向架處存在冰雪堆積的問題，運用商用軟件STAR-CCM+和拉格朗日顆粒模型，采用更為直觀的風雪兩相流技術對擾流設計后轉向架區(qū)域冰雪附著情況進行模擬分析，并以壁面上的雪顆粒入射質量通量(IMF)來評價轉向架區(qū)域的擾流板防冰雪效果。計算結果表明：雪強、雪顆粒附著特性、車速、擾流板高度對轉向架冰雪附著率均有影響；擾流效果比較好的2種方案是，①改進的流線型擾流板方案可使轉向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的54%，同時自身承受24%的附著量；②高200 mm的擾流板可使轉向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的70%，同時自身承受9%的附著量。并且擾流板上的附著量不會結冰，會隨著氣流流動的方向流向地面。

高寒動車組； 轉向架； 擾流板； 風雪兩相流；

高寒動車組轉向架區(qū)域冰雪堆積是現(xiàn)階段轉向架防冰雪亟待解決的問題[1]。在國外，北山茂等的論文《基于轉向架區(qū)域氣動特性改進的研究》通過相關數(shù)值方法討論了在700系列車轉向架上增加擾流板的方法防冰雪侵害，北山茂等建立了轉向架區(qū)域的局部CFD模型，采用單相氣流的模擬輸入方法，以壓力系數(shù)為冰雪附著的表征變量，開展了幾組數(shù)值模擬分析轉向架擾流板的防冰雪效果[2]；而我國現(xiàn)階段李俊民，單永林，林鵬的論文《高速動車組轉向架防冰雪導流罩的空氣動力學性能分析》通過改進車下的設備艙導流罩設計為傾斜結構，應用CFD對3編組動車組模型進行防風雪單向流分析[3]。相較于單向流模擬，兩相流有許多優(yōu)點，可更好的模擬現(xiàn)實環(huán)境，直觀的反映附著情況，這對于理解轉向架冰雪附著機制、改進轉向架擾流板防冰雪的設計有重要意義。目前，兩相流技術在汽車、飛機和建筑上的應用已經很廣泛[4-6]，但應用于高寒動車組轉向架區(qū)域擾流技術，進行冰雪附著情況的研究尚未見報道。基于風雪兩相流計算模型，運用STAR-CCM+模擬轉向架區(qū)域對不同高度的擾流板的冰雪附著情況，以期為防冰雪擾流技術提供性能優(yōu)良的擾流板。

1　控制方程和計算方法

1.1控制方程

描述流場流動除采用基本控制方程N-S方程[7]，還要添加兩相流的控制方程。跟單相流相比，兩相流的計算不但涉及兩相間相互作用,其中的顆粒相與邊界的相互作用還涉及到運動分析，其復雜性和計算量高于單相流的計算。目前可用于風雪兩相流計算的多相流模型主要有兩種：(1) 歐拉兩相流混合模型；(2)拉格朗日顆粒模型。

對于本文的數(shù)值計算，由于歐拉兩相流模型將第二相視為流體，從而較難描述壁面附著，且第二相顆粒尺寸受到網格分辨率的影響，難以用于合理地研究冰雪附著問題。因此使用拉格朗日顆粒模型，以突顯干濕雪顆粒在與壁面碰撞時的特點差異[8-9]。

拉格朗日兩相流模型分為歐拉流體部分和拉格朗日顆粒部分，其中歐拉流體部分與常規(guī)流動方程類似，而拉格朗日顆粒部分的基本方程如下：

(1)

(2)

(3)

顆粒在遇到壁面后可能發(fā)生彈開和附著，相應的方程如下：

(4)

(5)

1.2計算方法

本文研究的問題可視為定常不可壓縮問題，其計算方法簡單描述為：采用基于RANS(雷諾平均法)的SST(剪切應力輸運)兩方程k-ω模型描述湍流行為；采用All y+方式描述壁面；采用有限體積法離散質量和動量控制方程，但模型中聯(lián)立能量控制方程，將過程近似視為等溫；采用二階迎風格式離散對流項和擴散項，避免數(shù)值假擴散帶來的誤差；采用分離式SIMPLE求解器處理離散所得方程組[10]。

2　模型的建立

2.1計算域的確定

列車運行時的外流場是無限大的，但在數(shù)值模擬計算時，一般采用有限計算區(qū)域來代替無限計算區(qū)域。計算區(qū)域的選取很重要，要保證流場發(fā)展充分，應取得足夠大；而計算區(qū)域過大，網格數(shù)和計算時間將也會增大，因此要有效地準確地進行數(shù)值模擬，需選擇合適的計算區(qū)域。綜合這兩方面的考慮，采用的高寒動車組計算模型及計算區(qū)域如圖1所示，計算區(qū)域為長方體，計算區(qū)域的選為：車頭前100 m，車后250 m，車身上方100 m，車身左右各100 m。

圖1　計算模型

2.2計算模型及網格劃分

考慮到計算工作量大，采用某型三編組的局部計算模型，如圖1所示。使用CFD軟件STAR-CCM+[11]進行模擬計算。根據試算，在本項目的計算中，采用Trim + Prism Layer的體網格類型進行網格劃分。對于網格劃分，在整個空間計算域采用較大尺寸的網格，在流場變化大的區(qū)域以及本例所關心的區(qū)域進行網格細化，在擾流板附近、中間車的轉向架及其周邊區(qū)域進行特別細化，從細網格到粗網格采用逐層過渡的方案，這樣就能保證計算要求也能提高計算效率。

治理和防范高寒列車走行部冰雪附著問題有不少技術方案，最為根本和有效的是改變走行部的氣動條件，減少冰雪附著量，避免關鍵部位出現(xiàn)高強度附著。在不改變現(xiàn)有列車的基本結構條件下，在適當區(qū)域添加擾流裝置，影響走行部氣動條件，是一種簡單而高效的方法。所以，針對研究的某型動車組底部三維幾何結構，設計了與之相匹配的擾流結構，其幾何結構如圖2。通過試算，長度a和寬度h的長度取為定值2 000 mm和330 mm，而高b的值取0，100,200,300 mm。

圖2　擾流板幾何結構

2.3邊界條件的確定

(1)入口邊界條件：由于計算量限制，僅能選取局部車體進行兩相流計算。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，頭車中部區(qū)域速度場結構較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為外部流速較均勻，接近于自由來流流速，而車底流速則明顯較小，但在垂直于流向的平面上整體上較均勻。因此設置內外兩個列車風的速度入口條件，外部為高速區(qū)，內部(主要是底部)為低速區(qū)，經過試算發(fā)現(xiàn)這種設置所得下游流場與整車計算很相近。因此在每個入口區(qū)內，假設入口邊界來流的三維速度分布沒有受到模型的擾動，除運動方向外，另外兩個方向的速度分量為零，沿運動方向的速度在另外兩個方向上均勻分布，并且雪顆粒與周圍氣流具有相同流速。

(2)出口邊界條件：取一個標準大氣壓強；雪顆?？梢宰杂闪鞒?。

(3)地面邊界條件：采用移動地板的做法，以消除地面效應的影響，假定高寒動車組風條件下地面雪顆粒揚起和沉積達到動態(tài)平衡，在地面處設置為顆粒和壁面完全彈性碰撞。

(4)列車表面邊界條件：由于在列車表面存在邊界層效應的影響，故列車表面設定為有摩擦的固壁邊界(無滑移邊界)，接近于實際情況，可較為精確的計算出列車表面的摩擦阻力，即黏性剪切力，以及表面的壓力分布等參數(shù)；由于本研究需要準確計算轉向架流動，因此車輪的轉動不可忽略，在車輪和車軸上設置了轉動條件，轉動軸為相應車軸中心，轉動角速度由運行速度求出。

3　轉向架風雪兩相流的模擬分析

3.1局部模型流場分析

在目前的計算條件下開展三編組整車兩相流計算是非常困難的，并且對于研究轉向架擾流結構這一局部問題也沒有必要。針對走行部流動特點和兩相流計算的實際條件，以三編組頭車后半段和中間車前半段的下半部分作為計算對象。為了檢測采用局部模型是否有效，采用流線型擾流板(長2 000 mm，高300 mm，寬330 mm)、高寒動車組車速為300 km/h、降雪強度為50 mm/24 h、濕雪的條件為例進行模擬分析。首先給出在車速300 km/h車體和轉向架表面壓力分布云圖和各個特征部位的壓力分布云圖，如下圖3。

圖3　局部模型表面壓力分布云圖(300 km/h)

由圖3可知，前轉向架區(qū)域的壓力峰值點出現(xiàn)在前輪緣中下方、制動盤中下部以及設備吊艙前緣等迎風面上，低壓區(qū)則分布在高壓區(qū)周圍；后輪壓力峰值點位置類似，但壓力值較小，輪軸附近存在一個低壓區(qū)，由于擾流板和轉向架圍擋的遮蔽作用，轉向架上部表面并未出現(xiàn)明顯的高、低壓區(qū)；從壓力云圖可以看出，擾流板和斜面圍擋在其身后形成了一個滯流區(qū)，由于斜面的存在使得擾流板不能緊靠轉向架，氣流在擾流板后逐漸向上恢復，從而影響了滯流區(qū)的大小，同時在撞擊中軸后進一步向上，在轉向架上部區(qū)域產生了較大的流速；滯流區(qū)內存在一個局部環(huán)流結構，整個轉向架區(qū)域上部并未形成一個整體的環(huán)流，而是分散為多個環(huán)流。

而后轉向架區(qū)域起到遮蔽效應的主要是直立的轉向架圍擋，且其效果比較明顯，后轉向架區(qū)域的壓力峰值主要出現(xiàn)在后輪輪緣、制動盤以及側方結構的迎風面處，低壓區(qū)出現(xiàn)在其附近，此時整個轉向架區(qū)域上部形成了一個較大的局部環(huán)流，雖然其流速值相對較小，但環(huán)流下部距離高速氣流很近，可能吸入含雪氣流，進而產生局部冰雪附著?？梢钥闯?，斜面圍擋對后方車廂連接處的導流作用明顯，而擾流板由于尺寸和距離原因很難發(fā)揮作用，且其將會產生附帶的增阻影響，其增阻影響與其所阻滯的氣流速度分布有關。

通過比較發(fā)現(xiàn)，局部模型計算結果與整車模型計算結果很相近，這說明采用的局部模型符合要求并且設置的各種條件都滿足實際情況。

3.2擾流板高度對流場的顆粒分布的模擬分析

為了模擬出風雪兩相流的顆粒分布，通過壁面上的雪顆粒入射質量通量(Incident Mass Flux Snow，IMF)來評價轉向架區(qū)域冰雪的附著情況，在設置條件下該值等同于壁面處的顆粒附著速率。在300 km/h車速、50 mm/24 h雪強、濕雪條件下，圖4給出了不同擾流板高度條件下的顆粒附著速率分布。

圖4　不同擾流板高度條件下的顆粒附著速率分布

可以看到其與流動結構有明確的對應，前轉向架不受影響，完全相同。而隨著擾流板高度的增加，后轉向架上的附著速率呈減小趨勢，剎車片、吊艙等部件上的附著區(qū)域明顯減小，而與此同時，擾流板上的附著速率則明顯增加，這說明擾流板在替后方轉向架遮擋高速氣流的同時，本身也攔截了部分冰雪附著量，因此其作用是同時通過遮蔽(即導流)和代附著兩種機制發(fā)揮作用的。通過模擬計算分析，流線型擾流板(長2 000 mm，寬330 mm，高300 mm,高200 mm)方案為效果比較好，因為該擾流板方案可使轉向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的54%，同時自身承受24%的附著量；而高200 mm的擾流板可使轉向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的70%，同時自身承受9%的附著量。并且擾流板上的附著量不會結冰，會隨著氣流流向地面。

3.3計算結果分析

擾流板高度是影響附著率的一個關鍵因素，高度較大的后流線型擾流板能有效降低轉向架動壓，進而可能減少冰雪附著。圖5的結果驗證了這一結論，隨著擾流板高度的增加，后轉向架上的附著速率出現(xiàn)了明顯的下降，這是由于擾流板的增高加強了其遮蔽效應。由于局部來流速度更低，300 mm高度時后轉向架的冰雪附著甚至優(yōu)于較為理想的前轉向架；而若將后轉向架和擾流板綜合考慮，附著率降低效果在擾流板200 mm高時就已經穩(wěn)定，在100 mm以下則無明顯效果。需要指出，這里討論基于最不利工況，即默認參數(shù)+濕雪條件。

圖5　前后轉向架附著速率與擾流板高度的關系

4　結　論

基于轉向架擾流板的風雪兩相流的初步研究，通過理論分析和運用STAR-CCM+模擬在風雪兩相流輸入

情況下高寒動車組轉向架擾流板高度的防冰雪效果。結果表明：

(1)拉格朗日兩相流模型計算高寒動車組冰雪附著問題是可靠而實用，能更直觀、有效的體現(xiàn)高寒動車組冰雪實際附著的情況，對改進擾流板更有效果；

(2)在進行模擬分析時，發(fā)現(xiàn)雪強、雪顆粒附著特性、車速、擾流板高度對轉向架冰雪附著率均有影響；

(3)通過模擬計算分析，流線型擾流板方案可使轉向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的54%，同時自身承受24%的附著量；高200 mm的擾流板可使轉向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的70%，同時自身承受9%的附著量。并且擾流板上的附著量不會結冰，而是隨著氣流流向地面。

[1]別玉華. 高寒動車組車體保溫性能研究與優(yōu)化[D]. 青島：青島理工大學，2014.

[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川崎).

[3]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):20-26，80.

[4]李夢. 車身外部擾流器對汽車氣動特性的影響研究[D].吉林：吉林大學，2013.

[5]盛強，刑玉明，何超. 基于CFD的機翼結冰過程分析[J]. 航空計算技術. 2009，39(2)：37-40.

[6]劉曉述. 風雪流運動對屋面積雪荷載分布影響數(shù)值模擬分析[D]. 沈陽：沈陽建筑大學，2013.

[7]鐘錫昌，劉學宗. 計算流體力學[M]. 北京：科學出版社，1983.

[8]黃學輝. 轉向架對高速列車氣動特性影響研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[9]Evert Andersson, HIGH-SPEED TRAIN OPERATION IN WINTER CLIMATEA STUDY ON WINTER RELATED PROBLEMS AND SOLUTIONS APPLIED IN SWEDEN[R], NORWAY AND FINLAND, 2006, ETH, BVF5 Winter R1.1 060703.

[10]謝飛. 低馬赫數(shù)、低雷諾數(shù)翼型非定常流數(shù)值模擬[D].西安：西北工業(yè)大學，2003.

[11]李明，李明高. STAR-CCM+與流場計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

Analysis on Two-phase Flowing Anti-ice/Snow of Low-temperature EMU Bogie

HEDehua1，WANGGangyi2，CHENHouchang1，LIChaohui2

(1Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2Electromechanical Engineering Institute，East China Jiaotong University， Nanchang 330013 Jiangxi， China)

Facing the snow and ice accumulated problem of low-temperature EMU bogie in winter, we are using more intuitive technology of two-phase flowing to simulate and analyze the snow and ice accumulated situation of high-cold EMU bogie after designing of turbulence and evaluating the anti-ice/snow effect of bogie by the wall of snow particles incident on mass flux (IMF), which using commercial software STAR-CCM+ and Lagrangian particle model. The results show that: The snow and ice accumulated bogie are affected by strength of snowing, the attached characteristics of snow particles, speed of high-cold EMU and the height of spoiler; The improved streamlined spoilers(long 2000, high 300, wide 330) can cut the rate of snow and ice accumulated bogie by 54% than the train of non-spoilers while the spoilers bear 24% of attached volume; The spoilers(long 2000, high 200, wide 330) can cut the rate of snow and ice accumulated bogie by 70% than the train of non-spoilers while the spoilers bear 9% of attached volume. The volume which is attached on the spoiler will not freeze and flow to the surface with air.

high-cold EMU; bogie; spoiler; two-phase flowing

1008-7842 (2016) 04-0038-05

??)男，助理研究員(

2016-03-08)

U271.91

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.09

*中國鐵路總公司科技項目(2013YJ001)