高廣軍，劉操,，張琰，于堯，李健，王家斌,3

(1. 中南大學(xué) 重載快捷大功率電力機(jī)車全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075；2. 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 長沙，410075；3. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽，621000)

截至2021 年12 月底，我國鐵路運(yùn)營總里程超過15 萬km，可繞地球1 周。其中高速鐵路已達(dá)4 萬km，居世界首位。然而，有多種氣象自然災(zāi)害如雪災(zāi)、颶風(fēng)、泥石流等會(huì)直接影響鐵路的運(yùn)行安全，其中，雪災(zāi)對(duì)鐵路運(yùn)行安全的危害尤為嚴(yán)重[1]。隨著我國多條高寒鐵路如哈大高鐵、京張高鐵等相繼開通，越來越多的高速列車需要在高寒風(fēng)雪條件下長時(shí)間運(yùn)行[2]。除了線路上的積雪結(jié)冰問題外，列車底部轉(zhuǎn)向架區(qū)域極易發(fā)生嚴(yán)重積雪結(jié)冰現(xiàn)象，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行性能甚至危及行車安全，若得不到有效處理，則極有可能引發(fā)安全事故。高寒動(dòng)車組在高寒豐雪地區(qū)高速度、長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，在列車底部高速強(qiáng)剪切、大分離氣流作用下，環(huán)境中的積雪經(jīng)過流場時(shí)會(huì)受到空氣動(dòng)力的裹挾而被卷入高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域，進(jìn)而在轉(zhuǎn)向架表面發(fā)生明顯的撞擊黏附作用[3]。同時(shí)，列車轉(zhuǎn)向架一系懸掛和二系懸掛被積雪積冰覆蓋時(shí)，減振部件運(yùn)動(dòng)受阻礙使列車振動(dòng)加劇，極大地降低列車運(yùn)行穩(wěn)定性和乘員舒適性[4-5]。列車制動(dòng)裝置是高速行駛車輛減速停車、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的重要保障，若制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重冰雪積聚，則其工作可靠性將大大降低，導(dǎo)致列車制動(dòng)距離延長，降低列車區(qū)間密度，甚至引發(fā)追尾沖突事故[6]。列車底部的制動(dòng)夾鉗、齒輪箱和牽引電機(jī)均為發(fā)熱裝置，黏附在其表面的雪花會(huì)迅速融化成水，顯著增強(qiáng)轉(zhuǎn)向架表面對(duì)雪粒的捕捉能力，加快轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒積聚過程。在強(qiáng)對(duì)流散熱效應(yīng)下，雪粒融化成的水又迅速凝結(jié)成冰，致使轉(zhuǎn)向架區(qū)域發(fā)生多相流動(dòng)、多態(tài)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜演化過程。我國高寒高速鐵路均為列車全線運(yùn)行的長交路，列車在高寒豐雪環(huán)境下運(yùn)行時(shí)間長，雪—水—冰復(fù)雜相變過程導(dǎo)致列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域大量冰雪積聚更加嚴(yán)重[7]。

為解決高寒高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的嚴(yán)重積雪結(jié)冰問題，國內(nèi)外研究者開展了大量研究。法國國鐵公司以TVG 高速列車為模板開展了轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，探究了高寒高速列車底部轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的積雪分布情況[8-9]。北歐地區(qū)鐵路發(fā)達(dá)國家多采用防雪柵欄[10]或使用各種發(fā)熱融雪裝置[11]來減少高寒高速列車冬季大雪環(huán)境下運(yùn)行品質(zhì)和行車安全保障問題。在國內(nèi)，韓運(yùn)動(dòng)等[12]結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)車試驗(yàn)2種方法探究了轉(zhuǎn)向架區(qū)域高速氣流進(jìn)出特性，并進(jìn)一步推測了轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒運(yùn)動(dòng)特性。LIU等[13]采用商業(yè)軟件STAR-CCM+對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域風(fēng)雪兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并獲取了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒堆積分布規(guī)律。XIE等[14]采用雷諾時(shí)均方法研究了簡化列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的流場特性，并通過離散相模型揭示了雪粒運(yùn)動(dòng)演化特性。蔡路等[15]采用拉格朗日模型追蹤了轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪粒運(yùn)動(dòng)軌跡，并分析了轉(zhuǎn)向架表面的雪粒撞擊分布規(guī)律。WANG 等[16]開展了縮比CRH2 列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用木屑替代雪粒，通過多重篩選和濕度調(diào)整使木屑尺寸和密度與真實(shí)雪粒保持一致，并采用高速攝影獲取了木屑在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

雪粒作為輕質(zhì)細(xì)觀離散顆粒，其運(yùn)動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)特性緊密相關(guān)，因此，可基于流動(dòng)控制原理，通過設(shè)計(jì)相關(guān)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)來優(yōu)化轉(zhuǎn)向架區(qū)域的強(qiáng)剪切流動(dòng)特性，進(jìn)而減少雪粒在轉(zhuǎn)向架表面的黏附堆積。高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域縮比模型兩相流試驗(yàn)結(jié)果表明[17]，在列車底部安裝5.14°和10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)降低轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪分布效果明顯。鑒于兩相流試驗(yàn)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)采集較困難，兩相流試驗(yàn)中僅采用高速攝影獲取單個(gè)1/4縮比簡化轉(zhuǎn)向架區(qū)域及部件表面粒子分布特征，導(dǎo)致人們對(duì)5.14°和10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)特性影響機(jī)理尚不清楚，且5.14°和10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)提升真實(shí)列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的適應(yīng)性仍需進(jìn)一步探討。為此，本文以三車編組全比例真實(shí)高寒高速列車模型為基礎(chǔ)，對(duì)5.14°和10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的防轉(zhuǎn)向架積雪性能開展數(shù)值仿真研究，以探明5.14°和10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域防冰雪性能的影響機(jī)理，為今后高寒高速列車底部槽型引流式防積雪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬設(shè)置

1.1 數(shù)學(xué)模型

采用非定常雷諾時(shí)均方法(URANS)與離散相模型(DPM)對(duì)高寒高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣流動(dòng)特性和雪粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究。雷諾時(shí)均方法在列車空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可在計(jì)算成本與計(jì)算精確度兩者之間達(dá)到良好平衡[17]。基于Realizablek-ε湍流模型的非定常雷諾時(shí)均方法可以精確模擬流線具有較大彎曲程度的空氣流動(dòng)及轉(zhuǎn)向架區(qū)域復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)。非定常雷諾時(shí)均方法中Realizablek-ε湍流模型的湍流脈動(dòng)動(dòng)能k和湍流耗散率ε輸運(yùn)方程見文獻(xiàn)[18]。本文使用DPM 離散相模型模擬雪粒時(shí)，忽略Basset 力、虛假質(zhì)量力等對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪粒運(yùn)動(dòng)幾乎無影響的外力，主要考慮雪粒的曳力與重力作用，得到雪粒受力平衡微分方程，分別如式(1)、(2)和(3)所示。

其中：u為空氣流動(dòng)速度；up為雪粒速度；dp為粒子直徑，dp=0.15 mm；ρp為粒子密度，ρp=250 kg/m3；g為重力加速度量；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；μt為湍流黏性系數(shù)；ρ為空氣密度；μ為動(dòng)力黏度。選取環(huán)境溫度為-30 ℃，對(duì)應(yīng)的空氣密度ρ和動(dòng)力黏度μ取值分別為1.453 kg/m3和1.57×10-5Pa·s。

1.2 幾何模型

列車模型由頭車、中車和尾車3節(jié)車組成，模型中包含風(fēng)擋和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。由于本文主要考慮列車底部及轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)特性，而受電弓、空調(diào)等車頂結(jié)構(gòu)對(duì)車底風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)特性的影響可忽略不計(jì)，且受電弓和空調(diào)出風(fēng)口細(xì)微結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量和模擬成本顯著增加，因此，本文列車模型忽略了受電弓、空調(diào)等頂部結(jié)構(gòu)。槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)的幾何外形及其安裝位置如圖1所示。選取列車高度H=3.7 m為風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬中的特征長度，量綱一的列車長度(L)和寬度(W)分別為20.6H和0.91H。為了探究槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)高寒高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪的影響，必須保留轉(zhuǎn)向架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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，但考慮到計(jì)算網(wǎng)格劃分的便利性，將轉(zhuǎn)向架各種線路、管路等細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理。為提升高寒高速列車在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的防積雪性能，提出了5.14°和10°這2種槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)。由于高速列車多雙向運(yùn)行，需在轉(zhuǎn)向架前后都安裝導(dǎo)流裝置，但受排障器特殊幾何結(jié)構(gòu)影響，在轉(zhuǎn)向架1上游和轉(zhuǎn)向架6下游未安裝導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。

圖1 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)的幾何外形及其安裝位置Fig. 1 Geometric shape and installation position of diversion-slot anti-snow structure

1.3 計(jì)算域及邊界條件

風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬計(jì)算域以及相關(guān)的邊界條件如圖2(a)所示。其中，x、y、z為笛卡爾坐標(biāo)系的3個(gè)方向，分別為流向、展向、法向。將均勻流速的速度入口來流風(fēng)速幅值設(shè)置為Uinf=55.56 m/s，計(jì)算域出口壓力需選取為零壓力出口(P=0 Pa)。計(jì)算域的側(cè)面和頂面設(shè)置為對(duì)稱平面，運(yùn)用鏡像方法將計(jì)算域虛擬擴(kuò)大。由于列車運(yùn)行時(shí)與地面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將列車模型設(shè)置為靜止壁面，路基和地面為運(yùn)動(dòng)壁面，賦予路基和地面與來流速度一樣的運(yùn)動(dòng)速度Uwall，且Uwall=Uinf=55.56 m/s。

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

本文主要探究槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域風(fēng)雪特性的影響，因此，將路基、軌道和列車表面屬性設(shè)置為可對(duì)雪粒發(fā)生反射，以保證更多的雪粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。計(jì)算域的其他邊界屬性設(shè)置為雪粒逃逸，而將設(shè)備艙端板和轉(zhuǎn)向架上重要部件如制動(dòng)夾鉗、齒輪箱、構(gòu)架等表面屬性均設(shè)置可對(duì)雪粒進(jìn)行捕捉。兩相流數(shù)值模擬采用的是以六面體為主的笛卡爾混合網(wǎng)格，如圖2(b)所示。在高速列車的表面和車底轉(zhuǎn)向架區(qū)域均設(shè)置15 層棱柱層網(wǎng)格，從而精確獲得邊界層內(nèi)的空氣流動(dòng)特性。為保證與六面體網(wǎng)格平滑過渡，設(shè)置法向增長率為1.2。列車模型物面網(wǎng)格法向量綱一厚度邊長n+=45，流向網(wǎng)格量綱一尺寸?l+=450，展向網(wǎng)格量綱一邊長?s+=450。WANG等[19]發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加此網(wǎng)格分辨率對(duì)提高模擬風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)規(guī)律精確度的影響很小，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算資源的平衡，此網(wǎng)格分辨率可用于高速列車底部風(fēng)雪兩相流運(yùn)動(dòng)仿真。

1.4 求解參數(shù)設(shè)置及算法驗(yàn)證

采用商用軟件ANSYS Fluent 對(duì)高寒高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域風(fēng)雪兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬基于壓力求解器完成，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，通過SIMPLEC算法耦合壓力-速度場，采用有限體積法將偏微分方程離散為網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組。風(fēng)雪兩相流中的空氣相和雪相設(shè)置為雙向耦合，即空氣相的流動(dòng)狀態(tài)能改變雪粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，雪粒亦能根據(jù)自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)流場產(chǎn)生相應(yīng)反饋。為了準(zhǔn)確得到高寒高速列車運(yùn)行時(shí)的風(fēng)雪特性，采用收斂的RANS仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)列車周圍尤其是轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場進(jìn)行初始化處理。隨后，在數(shù)值模擬中加入雪粒相，發(fā)射面在1 個(gè)時(shí)間步內(nèi)共發(fā)射3 600 個(gè)模擬雪粒進(jìn)入計(jì)算域，雪粒噴入計(jì)算區(qū)域的同時(shí)啟動(dòng)的采樣統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行平均處理。風(fēng)雪兩相流仿真模擬計(jì)算共持續(xù)3.0 s。為滿足庫朗數(shù)要求，將每一步的時(shí)間步長設(shè)置為?t=0.000 1 s，可使計(jì)算域中網(wǎng)格庫朗數(shù)幾乎均小于1.0，且列車鼻尖和排障器底部等高速區(qū)的最大庫朗數(shù)也低于3.0。為確保風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬精度，在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行30 次內(nèi)迭代，以保證殘差達(dá)到預(yù)設(shè)收斂要求。本文共設(shè)計(jì)3種工況進(jìn)行數(shù)值仿真，工況一為原始三車編組，工況二為5.14°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)三車編組，工況三為10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)三車編組。

結(jié)合高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域凈流場風(fēng)洞和兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)采用的數(shù)值模擬方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。其中，轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)在中南大學(xué)高速列車研究中心開口環(huán)境風(fēng)洞的高速試驗(yàn)段進(jìn)行[20]。風(fēng)洞高速試驗(yàn)段的三維尺寸(長度×寬度×高度)為3.4 m×1.0 m×0.8 m。試驗(yàn)風(fēng)洞流場穩(wěn)定且品質(zhì)較高，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)研究工作。為了更好地獲取轉(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)采用木屑代替風(fēng)雪環(huán)境下的雪粒。通過對(duì)木屑的尺寸和密度進(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。風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬方法與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證如圖3所示。轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流動(dòng)趨勢數(shù)值模擬結(jié)果與凈流場以及兩相流風(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)值模擬能準(zhǔn)確捕捉到積雪在轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件表面的分布特性，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，可用于研究高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題[21-22]。

圖3 風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬方法與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig. 3 Comparison experiment of numerical simulation methods and wind tunnel tests for wind and snow two-phase flow

2 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流動(dòng)特性的影響

轉(zhuǎn)向架區(qū)域和底部區(qū)域流場采樣線位置分布如圖4 所示，X1、X2 為x方向上的采樣線，Z1～Z12 為z方向上的采樣線且均位于幾何中心平面(y/W=0)。槽型引流結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)空氣流向速度uˉ分布的影響如圖5 所示。由圖5 中空氣流速可知：車底高速氣流在流經(jīng)轉(zhuǎn)向架腔前部設(shè)備艙端板底部時(shí)會(huì)發(fā)生猛烈的強(qiáng)剪切氣流分離現(xiàn)象，剪切層的存在導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的空氣流速呈現(xiàn)明顯的分層特點(diǎn)，在路基頂面和車底之間的空氣流速較高，而在轉(zhuǎn)向架腔體內(nèi)部的流向空氣速度極低。由于轉(zhuǎn)向架1上游并未安裝槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)，在3種工況下，轉(zhuǎn)向架入口位置的氣流流向速度分布保持一致；當(dāng)空氣流動(dòng)至轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)時(shí)，3種工況下轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)流向空氣流速差異較大。槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)除增加列車底部氣流的負(fù)向垂向動(dòng)能外，還降低了氣流的流向動(dòng)能。相比于原始工況，安裝了槽型的引流防積雪結(jié)構(gòu)明顯降低了轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的氣流流向速度，且10°導(dǎo)流槽工況中的流向氣流速度最低；此外，槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)降低了車底和路基之間的流向氣流速度，對(duì)端板附近空氣流向速度的影響可忽略不計(jì)。

圖4 高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域和底部區(qū)域流場采樣線位置分布Fig. 4 Location distribution of flow field sampling line in bogie area and bottom area of high-speed train

圖5 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)流向空氣速度分布的影響Fig. 5 Influence of diversion-slot anti-snow structure on flow direction air velocity distribution in bogie area

對(duì)導(dǎo)流槽防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)列車底部垂向空氣速度分布的影響進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖6 所示。從圖6可見：整體上，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的垂向速度波動(dòng)幅值沿列車長度方向逐漸降低，僅在尾車流線型部位轉(zhuǎn)向架下方呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)值垂向速度分布；相比于原始高寒動(dòng)車組底部垂向氣流速度分布，在安裝5.14°和10°導(dǎo)流槽后，除轉(zhuǎn)向架1及其上游區(qū)域外，列車底部的垂向氣流速度的波動(dòng)幅值明顯比原始工況下的低，且10°導(dǎo)流槽工況下的氣流垂向速度波動(dòng)幅值最低，顯著抑制了氣流攜帶雪粒在轉(zhuǎn)向架下方的上揚(yáng)趨勢，進(jìn)而有效降低了風(fēng)雪流對(duì)轉(zhuǎn)向架底面的沖擊作用以及進(jìn)入轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的懸浮雪粒數(shù)量，從而有效減少了附著在轉(zhuǎn)向架底面和頂面的雪粒數(shù)量。

圖6 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)列車底部垂向空氣速度分布的影響Fig. 6 Influence of diversion-slot anti-snow structure on vertical air velocity distribution at the bottom of train

為分析槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)列車底部空氣流動(dòng)特性的影響，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)截取6個(gè)流向切片以分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域主要發(fā)熱部件處的流場特性。6 個(gè)切片的具體截取位置見圖7，槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)空氣流動(dòng)趨勢的影響見圖8。雖然導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)沒有改變轉(zhuǎn)向架上游剪切層的發(fā)生高度，但促使剪切層提前出現(xiàn)，使得導(dǎo)流槽工況中的剪切層具有更長的發(fā)展距離。另外，導(dǎo)流槽內(nèi)的流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)會(huì)將剪切層向下排擠，且導(dǎo)流角度越大，導(dǎo)流槽內(nèi)的分離結(jié)構(gòu)尺度越大，剪切層在轉(zhuǎn)向架入口位置的高度越低，因此，10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)明顯減小了轉(zhuǎn)向架入口位置的氣流運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而有效降低了轉(zhuǎn)向架下方高速氣流的垂向分布范圍，有效避免了車底高速氣流對(duì)轉(zhuǎn)向架主要發(fā)熱部件的沖擊作用。同時(shí)，10°導(dǎo)流槽防積雪結(jié)構(gòu)還明顯抑制了氣流在轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域和后端板位置的向上爬升運(yùn)動(dòng)，對(duì)減少轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域內(nèi)的懸浮雪粒數(shù)量具有明顯效果。10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)還增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域內(nèi)空氣流通的順暢性，極大減小了原始工況內(nèi)轉(zhuǎn)向架上方的低速空氣漩渦結(jié)構(gòu)數(shù)量，有助于轉(zhuǎn)向架上方懸浮雪粒流出轉(zhuǎn)向架腔體區(qū)域。

圖7 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場切片位置Fig. 7 Location of flow field slice in bogie area

圖8 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架2區(qū)域空氣流動(dòng)趨勢的影響Fig. 8 Influence of diversion-slot anti-snow structure on air flow trend in bogie 2 area

3種工況下的列車底部空間壓力分布見圖9(圖中，Cp為壓力系數(shù))。從圖9 可見：相比于原始工況，安裝導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)有效降低了轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的空間壓力波動(dòng)幅值，使得轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的壓力分布更加平穩(wěn)；同時(shí)，導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)明顯降低了列車底部壓力峰峰值，且導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度越大，頭車鼻尖下方的壓力峰峰值越低，進(jìn)而有效緩解了道床上沉積雪粒因頭車排障器下方的極強(qiáng)負(fù)壓分布而卷入列車底部流場內(nèi)的速率，從而有助于減小轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒數(shù)量。

圖9 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)列車底部空間壓力分布的影響Fig.9 Influence of diversion-slot anti-snow structure on spatial pressure distribution at the bottom of train

3 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒運(yùn)動(dòng)及積雪分布的影響

由圖5可知，導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)大幅度降低了氣流的流向速度分布，從而降低了雪粒流向速度分布。導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)列車底部雪粒時(shí)空運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響見圖10(圖中，為雪粒垂向速度)。從圖10可見：導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)顯著降低了轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的正向雪粒垂向速度幅值及其波動(dòng)程度，證明導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)有效提升了雪粒在轉(zhuǎn)向架下方的垂向運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)程度；在轉(zhuǎn)向架腔兩側(cè)安裝導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)明顯抑制了雪粒在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，在有效緩解雪粒對(duì)轉(zhuǎn)向架底面的沖擊作用的同時(shí)，還能在一定程度上減少轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的懸浮雪粒數(shù)量，有效減小轉(zhuǎn)向架表面的積雪分布范圍；此外，導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)在一定程度上影響了列車近尾流區(qū)域內(nèi)雪粒垂向速度分布，但尾流區(qū)內(nèi)雪粒垂向速度始終為負(fù)值，證明高寒動(dòng)車組安裝導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)并不會(huì)加劇列車尾部現(xiàn)象的“雪煙”現(xiàn)象。3種工況下轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪粒流向速度分布如圖11 所示。從圖11可見：在3種工況下，轉(zhuǎn)向架腔體內(nèi)端板附近的雪粒流向速度幾乎相同，與圖5中空氣流向速度分布特征表現(xiàn)一致，但導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)車底和路基之間的雪粒流向速度分布產(chǎn)生了明顯影響，且導(dǎo)流角度越大，雪粒流向速度越低。這是因?yàn)檐嚨缀吐坊g空氣流速較高，雪粒在跟隨性的作用下將緊隨高速氣流運(yùn)動(dòng)。

圖10 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)雪粒時(shí)空運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響Fig. 10 Effect of diversion-slot anti-snow structure on temporal and spatial motion of snow particles

圖11 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪粒流向速度分布的影響Fig. 11 Influence of diversion-slot anti-snow structure on velocity distribution of snow particles in bogie area

槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)雪粒濃度空間分布的影響見圖12。從圖12 可知：導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)顯著改變了雪粒在轉(zhuǎn)向架入口位置的運(yùn)動(dòng)軌跡，有效降低了轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的高濃度雪粒的垂向分布范圍，尤其是降低了在牽引電機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)夾鉗等轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵發(fā)熱部件周圍的雪粒濃度，進(jìn)而有效抑制轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件表面的雪粒黏附堆積和相變覆冰過程。此外，10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)有效抑制了雪粒在運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)向架中部和底部時(shí)的上揚(yáng)翻涌趨勢，進(jìn)而有效降低了轉(zhuǎn)向架上方懸浮雪粒數(shù)量，減少了轉(zhuǎn)向架頂面的沉積雪粒數(shù)量。

圖12 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)雪粒濃度分布的影響Fig. 12 Influence of diversion-slot anti-snow structure on snow particle concentration distribution in bogie 2 area

槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架2表面積雪分布的影響見圖13。從圖13 可見：相比于原始工況，導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)向架入口位置的雪粒導(dǎo)向地面，有效緩解了雪粒對(duì)轉(zhuǎn)向架前側(cè)結(jié)構(gòu)造成的猛烈沖刷作用，進(jìn)而有效減小了前側(cè)牽引電機(jī)、齒輪箱和構(gòu)架表面的積雪分布范圍；此外，導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)明顯降低了高濃度雪粒的垂向分布范圍，抑制了風(fēng)雪流在轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，緩解了雪粒在后側(cè)轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)面造成的撞擊和黏附作用，從而有效減少了堆積在中心銷、后側(cè)電機(jī)吊座以及后側(cè)構(gòu)架表面的積雪分布；導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)有效減少了從轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域和后端板位置進(jìn)入轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域內(nèi)的雪粒數(shù)量，因此，明顯減少了轉(zhuǎn)向架上表面的積雪分布范圍；導(dǎo)流槽的防積雪性能隨著導(dǎo)流角度的增加而增強(qiáng)，相比于5.14°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)，10°導(dǎo)流槽工況內(nèi)的雪粒濃度在轉(zhuǎn)向架重要部件周圍的分布明顯較低，并在轉(zhuǎn)向架表面造成積雪分布更小。

圖13 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架2表面積雪分布的影響Fig. 13 Influence of diversion-slot anti-snow structure on snow distribution on bogie 2 surface area

轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)不同工況時(shí)的各個(gè)發(fā)熱部件在120.6Tinf～128Tinf時(shí)間間隔內(nèi)所捕獲的積雪質(zhì)量和列車各轉(zhuǎn)向架積雪質(zhì)量分別見圖14(a)和圖14(b)，其中，量綱一時(shí)間Tinf表示氣流流經(jīng)轉(zhuǎn)向架艙前后端板所需要的時(shí)間。以往研究結(jié)論表明：在風(fēng)雪兩相流模擬中時(shí)間達(dá)到量綱一時(shí)間106Tinf后，在7.4Tinf時(shí)，高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的積雪質(zhì)量基本保持穩(wěn)定，因此，本文選取120.6Tinf～128Tinf時(shí)間內(nèi)的雪粒堆積質(zhì)量作為槽型引流結(jié)構(gòu)防雪性能的橫向比較依據(jù)[20]。從圖14(a)可見：相比于原始工況，5.14°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)向架2 構(gòu)架、牽引電機(jī)、齒輪箱以及制動(dòng)夾鉗的表面積雪質(zhì)量分別降低了18.5%、17.2%、15.8%和17.5%，10°導(dǎo)流槽工況下轉(zhuǎn)向架2 關(guān)鍵部件的表面積雪質(zhì)量分別降低了38.5%、35.3%、33.4%和39.1%。從圖14(b)可以發(fā)現(xiàn)：由于頭車排障器下方并未安裝導(dǎo)流槽裝置，故轉(zhuǎn)向架1表面的積雪質(zhì)量幾乎保持不變，但導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)顯著降低了下游轉(zhuǎn)向架表面積雪質(zhì)量，且角度越大的導(dǎo)流槽具有更好的防積雪效果；相比于原始工況，10°導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)向架2、3、4、5 和6表面積雪質(zhì)量分別降低了36.8%、30.2%、28.6%、24.6%和16.4%；5.14°和10°導(dǎo)流槽防積雪結(jié)構(gòu)分別使HST-3轉(zhuǎn)向架表面的積雪總質(zhì)量降低了19.6%和28.3%。綜上所述，安裝10°導(dǎo)流槽防積雪結(jié)構(gòu)可有效緩解列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪情況。

圖14 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)對(duì)列車轉(zhuǎn)向架表面積雪質(zhì)量的影響Fig. 14 Influence of diversion-slot anti-snow structure on snow quality of train bogie surface area

4 結(jié)論

1) 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)促使剪切層提前出現(xiàn)并具有更長的發(fā)展距離，減少了轉(zhuǎn)向架腔體內(nèi)部低速空氣漩渦結(jié)構(gòu)數(shù)量，高寒高速列車風(fēng)雪流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)可以改變車底剪切層空間分布特性。

2) 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)明顯降低了列車底部壓力峰峰值，且導(dǎo)流角度越大，頭車鼻尖下方的壓力峰峰值越低，有效減小了排障器下方強(qiáng)壓力波動(dòng)作用將道床頂面沉積雪粒卷入列車底部流場的速度。

3) 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)主要降低了車底和路基之間的風(fēng)雪流向運(yùn)動(dòng)速度，抑制了列車底部的風(fēng)雪流垂向速度波動(dòng)幅值，緩解了風(fēng)雪流對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的猛烈沖刷作用并減少了轉(zhuǎn)向架上方懸浮雪粒數(shù)量。

4) 槽型引流防積雪結(jié)構(gòu)有效降低轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵發(fā)熱部件周圍以及轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的雪粒濃度，進(jìn)而有效削弱了高濃度雪粒在轉(zhuǎn)向架底面的撞擊黏附以及低濃度雪粒在轉(zhuǎn)向架頂面的下落沉積作用。

5) 相比于5.14°槽型引流結(jié)構(gòu)，10°槽型引流結(jié)構(gòu)的防積雪性能更優(yōu)，可將3車編組高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架積雪總質(zhì)量降低28.3%，并分別使轉(zhuǎn)向架2、3、4、5 和6 表面積雪質(zhì)量降低36.8%、30.2%、28.6%、24.6%和16.4%。

6) 本文研究工作主要基于3車編組高速列車模型開展，就轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流動(dòng)和雪粒積聚特性而言，短編列車與8 車編組或重聯(lián)16 車編組的長編高速列車存在一定差異。下一步將深入研究長編高速列車底部風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)時(shí)空演化規(guī)律，并針對(duì)槽型引流結(jié)構(gòu)對(duì)長編高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪適應(yīng)性進(jìn)行探討。