王家斌，張琰，張潔，姜琛，王田天，高廣軍

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2.軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

自1999年秦沈客運(yùn)專線開(kāi)通以來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)里程一直保持高速穩(wěn)定增長(zhǎng)。截至2020年底，我國(guó)高速鐵路總里程突破3.79 萬(wàn)km，占世界高速鐵路里程的2/3以上。我國(guó)地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，尤其是在我國(guó)東北、新疆北部及青藏高原部分地區(qū)，冬季氣候寒冷，降雪量較大。隨著我國(guó)高速鐵路總里程不斷增加，越來(lái)越多具有戰(zhàn)略意義的高速鐵路延伸至高寒豐雪地區(qū)[1]。高速列車在高寒鐵路上運(yùn)行時(shí)，其底部的強(qiáng)剪切流動(dòng)會(huì)將道床上的積雪卷入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的雪粒堆積[2]。轉(zhuǎn)向架大面積覆雪會(huì)造成一系列問(wèn)題，如：彈性懸掛處的積雪因彈簧不斷擠壓會(huì)變得越來(lái)越密實(shí)，進(jìn)而限制彈簧的垂向位移并導(dǎo)致列車振動(dòng)加劇、乘員舒適性降低[3-4]；列車機(jī)械傳動(dòng)裝置的覆雪則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷增加，甚至超過(guò)電機(jī)負(fù)荷而使列車發(fā)生故障[5]。更為嚴(yán)重的是，制動(dòng)夾鉗會(huì)因其表面嚴(yán)重積雪發(fā)生運(yùn)動(dòng)阻滯而導(dǎo)致列車制動(dòng)失效，進(jìn)而嚴(yán)重威脅列車冬季行車安全[6-7]，因此，必須對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪防治措施展開(kāi)相關(guān)研究。針對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪嚴(yán)重難題，國(guó)外鐵路運(yùn)營(yíng)單位主要從工程角度出發(fā)，對(duì)高寒鐵路防/除雪技術(shù)和列車轉(zhuǎn)向架回庫(kù)融雪技術(shù)進(jìn)行了大量研究。在高寒鐵路防/除雪技術(shù)方面，日本的上越新干線和東海道新干線采用線路噴淋裝置來(lái)減少道床上的積雪，以緩解高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪問(wèn)題[8]。日本的東北新干線通過(guò)修建高效除雪高架橋梁來(lái)提升線路除雪效率[8]。挪威卑爾根鐵路采用防雪柵欄阻隔雪花進(jìn)入線路中，從而減少車底設(shè)備表面的雪粒積聚[9]。為提升回庫(kù)列車轉(zhuǎn)向架融雪效率，瑞典鐵路采用循環(huán)加熱環(huán)保材料丙二醇對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行快速融雪處理，極大程度地提高了轉(zhuǎn)向架除雪效率[10]。芬蘭赫爾辛基車輛段采用熱水噴淋裝置對(duì)回庫(kù)列車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行自動(dòng)融雪處理[11]。我國(guó)高寒地區(qū)的高速鐵路距離跨度長(zhǎng)，列車單程運(yùn)行時(shí)間久，采用上述轉(zhuǎn)向架防雪措施無(wú)法對(duì)在線運(yùn)營(yíng)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)除雪處理，導(dǎo)致列車運(yùn)行安全仍舊面臨極大隱患。韓運(yùn)動(dòng)等[12]采用實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究了轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)風(fēng)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)氣流由列車底部以及兩側(cè)裙板灌入轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)，流經(jīng)端板時(shí)產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，大部分氣流由端板底部及兩側(cè)裙板后部流出轉(zhuǎn)向架區(qū)域。蔡路等[13]采用分離渦數(shù)值模擬方法對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣流動(dòng)趨勢(shì)和復(fù)雜渦流演化規(guī)律展開(kāi)精細(xì)化分析，并基于三維流場(chǎng)結(jié)果推演了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律。LIU等[14]采用改進(jìn)的延時(shí)分離渦算法對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣流動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了研究，并采用STAR-CCM+中內(nèi)嵌雪粒追蹤模型研究了轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件表面的雪粒堆積分布特征。

雪粒在列車底部高速剪切流動(dòng)的作用下被卷入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，因而，雪粒運(yùn)動(dòng)軌跡受車底空氣流動(dòng)特性影響巨大。列車底部結(jié)構(gòu)外形在影響轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)的同時(shí)，必將對(duì)雪粒運(yùn)動(dòng)軌跡和堆積分布特性產(chǎn)生顯著影響。研究表明，高速列車的排障器外形、轉(zhuǎn)向架艙長(zhǎng)度、裙板高度以及設(shè)備艙端板角度不僅對(duì)車底空氣流動(dòng)趨勢(shì)、氣動(dòng)能耗以及列車風(fēng)效應(yīng)影響很大[15-18]，而且會(huì)顯著改變轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及轉(zhuǎn)向架表面的雪粒堆積分布特性[10,19-20]。頭車排障器和一位端轉(zhuǎn)向架作為列車底部氣流分離的起點(diǎn)，將對(duì)下游轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時(shí)，將一位端轉(zhuǎn)向架向下游移動(dòng)50%D和100%D(D為轉(zhuǎn)向架軸距)可顯著改善列車下部車身周圍的空氣流動(dòng)特性，使軌側(cè)位置時(shí)均列車風(fēng)的最大值分別降低7.86%和12.86%，并使頭車氣動(dòng)阻力分別降低10.26%和17.46%[21]。然而，一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)列車底部風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響規(guī)律尚未可知。為此，本文對(duì)此進(jìn)行研究與分析，以便為高寒高速列車底部結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬設(shè)置

1.1 數(shù)學(xué)模型

基于Realizablek-ε湍流模型的非定常雷諾時(shí)均方法(URANS)模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)。雷諾時(shí)均方法在保證計(jì)算精度的同時(shí)還可極大減少計(jì)算資源，因而廣泛應(yīng)用于列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究。由于Realizablek-ε湍流模型能準(zhǔn)確模擬流線彎曲程度較大的流動(dòng)現(xiàn)象，因此，選用此湍流模型模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域的復(fù)雜流場(chǎng)。非定常雷諾時(shí)均方法的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和雷諾應(yīng)力方程以及Realizablek-ε湍流模型的k方程和ε方程見(jiàn)文獻(xiàn)[22]，本文采用DPM 離散相模型模擬雪粒在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及積雪結(jié)果。雪粒所受外力包括曳力、重力、虛假質(zhì)量力、Basset 力、Magnus升力、Saffman升力、壓力梯度力等，而本文中雪粒受力主要考慮曳力和重力，對(duì)其他作用力予以忽略，因此，雪粒受力平衡微分方程為：

其中：u為空氣流動(dòng)速度；up為雪粒速度；ρ為空氣密度；μ為動(dòng)力黏度。dp為粒子直徑，dp=0.15 mm；ρp為粒子密度，ρp=250 kg/m3；g為重力加速度；CD為曳力系數(shù)；Rep為相對(duì)雷諾數(shù)；α1，α2和α3為常數(shù)，α1=0.519 1，α2=-1 662.5，α3=5.146 7×106。選取環(huán)境溫度為-30 ℃，對(duì)應(yīng)的空氣密度和動(dòng)力黏度分別為ρ=1.453 kg/m3和μ=1.57×10-5Pa·s。

1.2 幾何模型

以往研究表明，高速列車頭車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪情況最嚴(yán)重，因此，本文針對(duì)頭車進(jìn)行研究。為避免頭車端面的大尺度流動(dòng)分離對(duì)頭車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣流動(dòng)特性產(chǎn)生影響，在頭車模型的基礎(chǔ)上保留了1/3長(zhǎng)度中間車體以及風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。選取列車高度H=3.7 m 為數(shù)值模擬中的特征長(zhǎng)度，頭車長(zhǎng)度(L)、寬度(W)以及轉(zhuǎn)向架艙長(zhǎng)度(C)分別為L(zhǎng)=6.86H，W=0.91H和C=1.03H。在數(shù)值模擬中采用復(fù)雜轉(zhuǎn)向架模型，充分保留列車轉(zhuǎn)向架的所有重要部件，如空氣彈簧、構(gòu)架、牽引電機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)夾鉗、電機(jī)吊座、牽引拉桿、軸箱等，但忽略轉(zhuǎn)向架模型的管路、線路和縫隙結(jié)構(gòu)，以便于轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分，如圖1(a)所示。為研究一位端轉(zhuǎn)向架后移對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)積雪分布的影響，在原始列車模型的基礎(chǔ)上將轉(zhuǎn)向架1 及其腔體區(qū)域向下游分別平移50%D和100%D，下游轉(zhuǎn)向架的位置保持不變，如圖1(b)所示。

圖1 高速列車幾何模型Fig.1 Geometry of high-speed train used in numerical simulations

1.3 計(jì)算域及邊界條件

圖2(a)所示為數(shù)值仿真計(jì)算域的尺寸、相對(duì)位置以及邊界條件類型。在計(jì)算域中，速度入口設(shè)定幅值為Uinf=55.56 m/s 的均勻流速，對(duì)壓力出口設(shè)定零靜壓邊界條件，即P=0 Pa。對(duì)計(jì)算域的頂面和側(cè)面設(shè)為對(duì)稱邊界，通過(guò)鏡像流場(chǎng)將計(jì)算區(qū)域虛擬擴(kuò)大。為模擬列車與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將列車和轉(zhuǎn)向架模型設(shè)定為靜止壁面，將路基和地面均設(shè)定為運(yùn)動(dòng)壁面，且路基和地面的運(yùn)動(dòng)速度與速度入口的自由來(lái)流速度保持一致，即Uwall=55.56 m/s。針對(duì)離散相邊界條件設(shè)置，計(jì)算區(qū)域的速度入口、壓力出口、頂面、側(cè)面和地面設(shè)置為逃逸邊界條件。本文的研究重點(diǎn)是轉(zhuǎn)向架表面和設(shè)備艙端板的積雪分布，為保證更多的雪粒運(yùn)動(dòng)至列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域，將路基、軌道和列車表面設(shè)置為反射邊界條件，對(duì)列車轉(zhuǎn)向架艙的前、后端板以及轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、牽引電機(jī)、制動(dòng)夾鉗、齒輪箱、輪對(duì)、電機(jī)吊座和空簧等所有零部件設(shè)置為捕捉邊界條件。

圖2 計(jì)算區(qū)域和計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational domain and grid

數(shù)值模擬采用的計(jì)算網(wǎng)格是六面體為主的笛卡爾混合網(wǎng)格，此網(wǎng)格技術(shù)支持復(fù)雜幾何表面的網(wǎng)格快速生成，并可靈活調(diào)整局部網(wǎng)格的分辨率，因而，此類型網(wǎng)格在列車周圍非定常流場(chǎng)的數(shù)值仿真研究中獲得廣泛應(yīng)用。為準(zhǔn)確了解列車底部流場(chǎng)邊界層內(nèi)的空氣流動(dòng)規(guī)律，在車身表面以及轉(zhuǎn)向架表面設(shè)置15 層棱柱層網(wǎng)格，棱柱層網(wǎng)格的法向增長(zhǎng)率為1.2。為保證高速列車底部以及周圍流場(chǎng)的模擬精度，在列車底部以及車體周圍增設(shè)2個(gè)空間網(wǎng)格加密區(qū)域，如圖2(b)所示。網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證細(xì)節(jié)如表1所示。列車模型物面網(wǎng)格法向量綱一厚度n+=uτn/v=45，流向網(wǎng)格量綱一尺寸Δl+=uτΔl/v=450，展向網(wǎng)格量綱一尺寸Δs+=uτΔs/v=450(其中，uτ為車身壁面剪切流速；n，Δl和Δs分別為車身物面網(wǎng)格在法向、流向和展向的空間尺寸；v為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度)。進(jìn)一步加密此網(wǎng)格分辨率并不會(huì)引起風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果的顯著變化，可用于高速列車底部風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬研究[20]。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證細(xì)節(jié)Table 1 Mesh information for grid independence validation

1.4 求解參數(shù)設(shè)置及算法驗(yàn)證

本文所有的風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬均由計(jì)算流體力學(xué)仿真商用軟件ANSYS Fluent 完成。Fluent采用有限體積法將偏微分方程組離散成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組。相比于有限差分法和有限單元法，有限體積的離散方法具有更高的計(jì)算效率，因此，在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，數(shù)值模擬基于壓力求解器完成，并采用SIMPLEC算法耦合壓力-速度場(chǎng)。為提高風(fēng)雪兩相流運(yùn)動(dòng)的仿真精度，計(jì)算中空氣相和雪粒相采用雙向耦合算法求解。雪粒之間互不影響，且雪粒的物理參數(shù)(密度ρp=250 kg/m3和粒徑dp=0.15 mm)在仿真計(jì)算中不發(fā)生改變。在所有風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬仿真中，首先采用收斂的RANS仿真計(jì)算初始化列車周圍流場(chǎng)，隨后，雪粒從發(fā)射面釋放入計(jì)算域內(nèi)，風(fēng)雪兩相流的仿真總時(shí)長(zhǎng)為3.0 s。風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬中的時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.000 1 s，保證99%以上計(jì)算網(wǎng)格的網(wǎng)格庫(kù)朗數(shù)低于1.0，且計(jì)算域內(nèi)的最大庫(kù)朗數(shù)低于3.0。每個(gè)時(shí)間步內(nèi)共有3 600個(gè)雪粒包裹單元釋放入計(jì)算域內(nèi)。在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行30 次迭代以獲得合適的收斂殘差，從而進(jìn)一步保證計(jì)算求解精度。

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的正確性，進(jìn)行高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)研究。其中，轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)在中南大學(xué)高速列車研究中心進(jìn)行[23]。風(fēng)洞高速試驗(yàn)段的三維尺寸為3.4 m(長(zhǎng)度)×1.0 m(寬度)×0.8 m(高度)。試驗(yàn)風(fēng)洞具有流場(chǎng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，高速試驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0～60 m/s。高速試驗(yàn)段的進(jìn)口處設(shè)置有離散相釋放裝置，可用于開(kāi)展風(fēng)/沙/雪惡劣環(huán)境下高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。為更好獲取轉(zhuǎn)向架區(qū)域的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)試驗(yàn)列車及轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行透明化無(wú)反光處理。將透明轉(zhuǎn)向架及列車模型安裝于縮比為1∶4的軌道模型上方，軌道和列車模型放置于固定地板上。受試驗(yàn)條件和環(huán)境因素的限制，轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)中采用木屑代替風(fēng)雪環(huán)境下的雪粒。對(duì)木屑尺寸和密度進(jìn)行特殊處理，使其盡可能地與雪花粒子物理屬性保持一致。轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流試驗(yàn)及數(shù)值方法驗(yàn)證見(jiàn)圖3。從圖3 可見(jiàn)：轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流動(dòng)趨勢(shì)數(shù)值模擬結(jié)果與凈流場(chǎng)以及兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性，且風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬準(zhǔn)確反映了積雪在轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件表面的分布特性。以上結(jié)果證明本文采用的基于Realizablek-ε湍流模型的URANS+DPM 風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬方法具有較高的精度，并可用于研究高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪問(wèn)題[19-20,23]。

圖3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流試驗(yàn)及數(shù)值方法驗(yàn)證Fig.3 Information of two-phase flow of bogie region and validation of numerical method

2 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)列車底部流場(chǎng)的影響

2.1 空氣流動(dòng)趨勢(shì)

圖4所示為一位端轉(zhuǎn)向架位置后移對(duì)頭車轉(zhuǎn)向架1區(qū)域空氣流動(dòng)趨勢(shì)的影響。整體而言，一位端轉(zhuǎn)向架位置后移并未顯著改變轉(zhuǎn)向架下方區(qū)域的空氣流動(dòng)結(jié)構(gòu)，但引起轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域和后端板附近低速漩渦尺度和渦核位置發(fā)生變化，且一位端轉(zhuǎn)向架后移100%D將轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的空氣流動(dòng)變得更加順暢。從圖4(b)可見(jiàn)：一位端轉(zhuǎn)向架后移降低了轉(zhuǎn)向架1軌道內(nèi)部的氣流速度分布。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)向架1的后移導(dǎo)致排障器下表面流向尺寸增加，使得轉(zhuǎn)向架1上游車底附面層具有更大的發(fā)展空間而變厚，進(jìn)而削弱了轉(zhuǎn)向架1入口位置的空氣流量，降低了轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的空氣流速。從圖4(b)中切片2的速度可知，轉(zhuǎn)向架后移有效降低了后側(cè)齒輪箱上游的流向氣流速度，進(jìn)而抑制了高速氣流攜帶雪粒在后側(cè)發(fā)熱元件表面造成的沖擊作用。從圖4(b)中切片3的速度可知，轉(zhuǎn)向架后移在一定程度上抑制了氣流在轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，從而減小了轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的懸浮雪粒數(shù)量以及轉(zhuǎn)向架上表面積雪質(zhì)量。

圖4 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)轉(zhuǎn)向架1區(qū)域空氣流動(dòng)趨勢(shì)的影響Fig.4 Effect of the first bogie position on flow characteristics in bogie regions

Z1 和Z2 線上的流向氣流速度(u)分布和X3 線上的垂向氣流速度(w)分布見(jiàn)圖5。監(jiān)測(cè)線Z1，Z2和X3線位于列車中心平面上(y/W=0)，且垂向監(jiān)測(cè)線Z1 和Z2 線距離轉(zhuǎn)向架1 中心的距離均為0.5H，流向監(jiān)測(cè)線X3 距離路基頂面的垂向高度為0.071 4H。由圖5(b)和圖5(c)可見(jiàn)：一位端轉(zhuǎn)向架位置后移明顯降低轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的空氣流速分布，且流向氣流速度隨著后移長(zhǎng)度的增加而降低；一位端轉(zhuǎn)向架的后移降低了轉(zhuǎn)向架1后端板迎風(fēng)側(cè)的氣流速度，證明一位端轉(zhuǎn)向架位置后移可有效緩解氣流對(duì)轉(zhuǎn)向架1 區(qū)域設(shè)備艙后端板的沖擊作用。從圖5(d)可見(jiàn)：一位端轉(zhuǎn)向架位置后移主要影響了轉(zhuǎn)向架1下方的氣流垂向速度分布，然而，其對(duì)轉(zhuǎn)向架2下方氣流垂向速度分布的影響并不明顯。具體而言，一位端轉(zhuǎn)向架位置后移有效降低了轉(zhuǎn)向架1下方的氣流垂向速度幅值，進(jìn)而有效抑制了氣流攜帶雪粒在轉(zhuǎn)向架1 中間區(qū)域的上揚(yáng)及爬升運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖5 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)頭車下方空氣流速的影響Fig.5 Influence of the first bogie position on stream-wise and vertical velocity components beneath the head car

圖6所示為一位端轉(zhuǎn)向架位置后移對(duì)列車底面中心線及下方X3 線上空間壓力分布系數(shù)(Cp)的影響。由圖6(a)可知：一位端轉(zhuǎn)向架位置后移主要影響轉(zhuǎn)向架1腔體表面壓力分布變化，對(duì)轉(zhuǎn)向架2腔體表面的壓力變化并不明顯；后移轉(zhuǎn)向架1顯著降低了轉(zhuǎn)向架1后端板表面的沖擊壓力，且一位端轉(zhuǎn)向架后移長(zhǎng)度越大，車底高速氣流在設(shè)備艙后端板表面造成的沖擊壓力越弱。由圖6(b)可見(jiàn)：后移一位端轉(zhuǎn)向架主要影響排障器及轉(zhuǎn)向架1下方空間壓力波動(dòng)幅值，并推遲了轉(zhuǎn)向架1下方空間壓力峰值的出現(xiàn)位置，但對(duì)轉(zhuǎn)向架2下方的空間壓力幾乎無(wú)影響。相比于原始高速列車，一位端轉(zhuǎn)向架后移50%D和100%D分別將X3線上的壓力系數(shù)峰峰值降低14.1%和23.1%。此外，一位端轉(zhuǎn)向架后移有效降低了轉(zhuǎn)向架1下方的負(fù)壓峰值，進(jìn)而降低了高速列車排障器附近負(fù)壓效應(yīng)所卷起的雪粒數(shù)量。

圖6 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)車底表面壓力和空間壓力分布的影響Fig.6 Impact of the first bogie position on surface pressure and spatial pressure distribution beneath the head car

2.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)風(fēng)量

雪粒在列車底部氣流的驅(qū)動(dòng)下流入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，轉(zhuǎn)向架區(qū)域透風(fēng)面的通風(fēng)率與轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒數(shù)量存在明顯的正相關(guān)性。一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域透風(fēng)包裹面通風(fēng)率RA的影響如圖7所示。從圖7(a)可見(jiàn)：列車轉(zhuǎn)向架封閉區(qū)域的包裹面由透風(fēng)面和非透風(fēng)面組成，其中，透風(fēng)面由迎風(fēng)面、背風(fēng)面、左側(cè)面、右側(cè)面和底面組成，非通風(fēng)面由設(shè)備艙前、后端板、轉(zhuǎn)向架兩側(cè)裙板以及車底平面組成。迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別位于設(shè)備艙前后端板的正下方，左側(cè)面和右側(cè)面均處于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)裙板的正下方。底面為軌頂高度的水平面，且其邊界與迎風(fēng)面、背風(fēng)面、左側(cè)面和右側(cè)面無(wú)縫相接。通風(fēng)率為透風(fēng)包裹面法向氣流速度分量(un)在透風(fēng)包裹面上的面積分，其定義見(jiàn)式(4)。迎風(fēng)面和背風(fēng)面的法向空氣流速均是朝向x軸正方向，因此，迎風(fēng)面和背風(fēng)面透風(fēng)率均為正值。左側(cè)面和右側(cè)面的空氣沿著y軸的負(fù)方向和正方向流動(dòng)，因而，左側(cè)面和右側(cè)面的通風(fēng)率分別為負(fù)值和正值。

圖7 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域透風(fēng)包裹面通風(fēng)率的影響Fig.7 Influence of the first bogie position on airflow rate of ventilated surfaces of bogie regions

如圖7(b)所示，后移一位端轉(zhuǎn)向架在顯著降低了轉(zhuǎn)向架1迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)率的同時(shí)，還增加了轉(zhuǎn)向架1背風(fēng)面的出風(fēng)率。相比于原始轉(zhuǎn)向架位置，一位端轉(zhuǎn)向架位置后移50%D和100%D使轉(zhuǎn)向架1迎風(fēng)面的進(jìn)風(fēng)率分別降低了9.4%和12.7%，相應(yīng)地，將轉(zhuǎn)向架1背風(fēng)面的出風(fēng)率提高了27.5%和32.1%。相比于原始轉(zhuǎn)向架位置工況，一位端轉(zhuǎn)向架位置向后移動(dòng)50%D和100%D時(shí)分別將轉(zhuǎn)向架2區(qū)域迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)率提高了16.6%和26.8%，背風(fēng)面出風(fēng)率的對(duì)應(yīng)提升幅度分別為17.2%和29.1%。由圖7(b)可知：迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別是轉(zhuǎn)向架區(qū)域的主要進(jìn)風(fēng)源和出風(fēng)源，后移一位端轉(zhuǎn)向架可提升迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)率與背風(fēng)面出風(fēng)率的差值，提升了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的風(fēng)雪流通性，進(jìn)而可降低轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪量。

3 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)雪粒運(yùn)動(dòng)及積雪特性的影響

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒運(yùn)動(dòng)及濃度特性

后移一位端轉(zhuǎn)向架對(duì)轉(zhuǎn)向架1入口和出口位置雪粒流向速度(up)分布特性的影響見(jiàn)圖8。垂向監(jiān)測(cè)線Z1和Z2位于高速列車中心面上(y/H=0)且在流向上距離轉(zhuǎn)向架中心均為車高的一半(即0.5H，如圖5(a)所示)。整體上，一位端轉(zhuǎn)向架位置后移對(duì)轉(zhuǎn)向架1 區(qū)域的雪粒流向速度分布產(chǎn)生了顯著影響，且轉(zhuǎn)向架1位置后移距離越長(zhǎng)，對(duì)雪粒流向速度的影響越明顯。由于一位端轉(zhuǎn)向架位置后移顯著降低了轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的雪粒流向速度，進(jìn)而明顯削弱了轉(zhuǎn)向架入口位置大量雪粒對(duì)轉(zhuǎn)向架表面造成的沖擊作用。圖8(c)所示為雪粒垂向速度(wp)在水平監(jiān)測(cè)線X3上的分布特性，X3監(jiān)測(cè)線位于高速列車中心面上(y/H=0)，且距離路基頂面高度為0.072H(見(jiàn)圖5(a))。由圖8(c)可知：后移轉(zhuǎn)向架1主要降低了轉(zhuǎn)向架1下方的雪粒垂向速度，對(duì)轉(zhuǎn)向架2下方的垂向雪粒速度分布幾乎沒(méi)有產(chǎn)生影響，且一位端轉(zhuǎn)向架位置向后移動(dòng)50%D和100%D分別將X3線上轉(zhuǎn)向架1 下方的雪粒垂向速度最大值降低了10.5%和18.9%，證明一位端轉(zhuǎn)向架后移有效抑制轉(zhuǎn)向架1下方雪粒的垂向上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，可有效減少轉(zhuǎn)向架下表面的積雪。

圖8 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)頭車下方雪粒運(yùn)動(dòng)速度的影響Fig.8 Effect of the first bogie position on stream-wise and vertical velocity of snow particles beneath the head car

圖9所示為不同一位端轉(zhuǎn)向架位置條件下頭車轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒濃度分布特性。一位端轉(zhuǎn)向架位置后移明顯降低了轉(zhuǎn)向架1下方區(qū)域高濃度雪粒的垂向分布高度，且后移長(zhǎng)度越大，轉(zhuǎn)向架1下方的高濃度雪粒分布范圍越小。這是因?yàn)橐晃欢宿D(zhuǎn)向架的向后移動(dòng)增加了排障器下方的附面層發(fā)展長(zhǎng)度，更厚的附面層會(huì)將排障器下方的高速氣流壓向地面，雪粒在跟隨性的作用下緊隨高速氣流向轉(zhuǎn)向架1區(qū)域流動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架1區(qū)域高濃度雪粒垂向分布隨著轉(zhuǎn)向架1的后移而逐漸降低。從圖9(a)中切片3可見(jiàn)，由于一位端轉(zhuǎn)向架后移降低了轉(zhuǎn)向架1下方的雪粒垂向速度分布，進(jìn)而有效抑制了轉(zhuǎn)向架1 中間區(qū)域的雪粒上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)。從圖9(b)可見(jiàn)：一位端轉(zhuǎn)向架后移對(duì)轉(zhuǎn)向架2下方的高濃度雪粒垂向分布范圍并未產(chǎn)生顯著影響，但明顯降低了轉(zhuǎn)向架2上方區(qū)域以及設(shè)備艙端板附近的雪粒濃度分布，且后移長(zhǎng)度越大，轉(zhuǎn)向架2后側(cè)制動(dòng)夾鉗、牽引電機(jī)和齒輪箱等關(guān)鍵發(fā)熱部件附近的雪粒濃度越低，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵發(fā)熱部件表面的雪粒堆積范圍逐漸減小。

圖9 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)頭車轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒質(zhì)量濃度分布的影響Fig.9 Impact of the first bogie position on snow concentration distribution in bogie regions beneath the head car

3.2 轉(zhuǎn)向架表面雪粒堆積分布及質(zhì)量

圖10所示為一位端轉(zhuǎn)向架位置后移對(duì)頭車轉(zhuǎn)向架表面積雪分布特性的影響。從圖10(a)可見(jiàn)：后移一位端轉(zhuǎn)向架對(duì)減少轉(zhuǎn)向架1和轉(zhuǎn)向架2表面的積雪分布有明顯效果。在轉(zhuǎn)向架1下表面，一位端轉(zhuǎn)向架的后移有效減小了后側(cè)H 型橫梁、牽引電機(jī)和齒輪箱表面的積雪分布。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)向架1中間區(qū)域的雪粒垂向速度因一位端轉(zhuǎn)向架的后移運(yùn)動(dòng)而顯著降低，雪粒在中間區(qū)域的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)受到抑制，雪粒對(duì)后側(cè)轉(zhuǎn)向架的迎風(fēng)面沖擊、黏附運(yùn)動(dòng)被削弱。另外，由于雪粒在轉(zhuǎn)向架1中間區(qū)域的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)受到抑制，從轉(zhuǎn)向架1中間區(qū)域進(jìn)入轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的雪粒數(shù)量也會(huì)隨之降低，進(jìn)而在一定程度上減小了轉(zhuǎn)向架1上表面的積雪分布。從圖10(b)可見(jiàn)：一位端轉(zhuǎn)向架位置后移主要降低了轉(zhuǎn)向架2構(gòu)架、電機(jī)吊座和牽引拉桿下表面的積雪分布，對(duì)牽引電機(jī)、齒輪箱等發(fā)熱部件下表面的積雪分布影響并不顯著，但有效減小了轉(zhuǎn)向架2上表面的積雪分布，尤其是減小了構(gòu)架、齒輪箱和空氣彈簧上表面的積雪分布，且一位端轉(zhuǎn)向架位置后移距離越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向架2 表面的積雪覆蓋范圍越小。

圖10 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)頭車轉(zhuǎn)向架表面積雪分布的影響Fig.10 Influence of the first bogie position on snow accumulation distribution on the bogies of the head car

為定量分析一位端轉(zhuǎn)向架位置的后移對(duì)轉(zhuǎn)向架表面積雪的影響，統(tǒng)計(jì)了3種一位端轉(zhuǎn)向架位置下頭車轉(zhuǎn)向架主要零部件在2.5～3.0 s 內(nèi)的積雪質(zhì)量，見(jiàn)圖11。從文獻(xiàn)[20]可知，當(dāng)風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬時(shí)間達(dá)到2.0 s 時(shí)，頭車轉(zhuǎn)向架主要零部件在0.5 s內(nèi)的表面積雪質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，2.5～3.0 s 內(nèi)的積雪質(zhì)量可作為高速列車頭車轉(zhuǎn)向架防雪性能的橫向比較依據(jù)。相比于原始位置工況，轉(zhuǎn)向架后移50%D使轉(zhuǎn)向架1構(gòu)架、牽引電機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)夾鉗的表面積雪質(zhì)量分別降低7.51%，16.50%，13.60%和3.76%；轉(zhuǎn)向架后移100%D使轉(zhuǎn)向架1構(gòu)架、牽引電機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)夾鉗的表面積雪質(zhì)量分別降低12.11%，20.82%，20.02%和19.31%。一位端轉(zhuǎn)向架后移50%D使轉(zhuǎn)向架2 構(gòu)架、牽引電機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)夾鉗的表面積雪質(zhì)量分別降低7.35%，4.59%，1.16%和7.12%；轉(zhuǎn)向架1后移100%D使轉(zhuǎn)向架2構(gòu)架、牽引電機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)夾鉗的表面積雪質(zhì)量分別降低13.10%，5.16%，4.24%和11.90%?？傮w來(lái)說(shuō)，一位端轉(zhuǎn)向架后移50%D和100%D使轉(zhuǎn)向架1積雪總質(zhì)量分別降低20.86%和31.85%，使轉(zhuǎn)向架2 積雪總質(zhì)量降低9.31%和14.11%，因此，一位端轉(zhuǎn)向架后移100%D防積雪效果明顯優(yōu)于后移50%D的防積雪效果。結(jié)合轉(zhuǎn)向架后移50%D和100%D對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪質(zhì)量的影響及其對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響[21]，在設(shè)計(jì)高寒高速列車的氣動(dòng)外形時(shí)，應(yīng)充分考慮后移轉(zhuǎn)向架1方案。

圖11 一位端轉(zhuǎn)向架位置對(duì)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件表面積雪質(zhì)量的影響Fig.11 Influence of the first bogie position on snow accumulation mass on bogies of the head car

4 結(jié)論

1)一位端轉(zhuǎn)向架后移顯著降低了轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的流向和垂向空氣速度分布，但其對(duì)轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)流向和垂向空氣流速的影響較小。

2)一位端轉(zhuǎn)向架后移主要抑制車底高速氣流對(duì)轉(zhuǎn)向架1區(qū)域設(shè)備艙后端板的沖擊作用，且明顯降低了頭車排障器和轉(zhuǎn)向架1下方的空間壓力波動(dòng)幅值。

3)一位端轉(zhuǎn)向架后移在降低頭車轉(zhuǎn)向架區(qū)域迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)率的同時(shí)還提升了背風(fēng)面的出風(fēng)率，進(jìn)而顯著提升了轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的風(fēng)雪流通性。

4)一位端轉(zhuǎn)向架后移抑制了頭車轉(zhuǎn)向架下方的雪粒垂向爬升趨勢(shì)，從而降低了轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件周圍的雪粒濃度分布以及轉(zhuǎn)向架表面的積雪分布范圍。

5)一位端轉(zhuǎn)向架后移主要影響轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的積雪質(zhì)量，且后移100%D的防積雪效果優(yōu)于50%D的防積雪效果，并使頭車轉(zhuǎn)向架1 和轉(zhuǎn)向架2積雪質(zhì)量分別降低31.85%和14.11%。

6)設(shè)計(jì)高寒高速列車的氣動(dòng)外形時(shí)，應(yīng)充分考慮一位端轉(zhuǎn)向架后移。