何德華， 王剛義， 陳厚嫦， 李超輝

(1　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2　華東交通大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院， 江西南昌 330013)

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基于風(fēng)雪兩相流的高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架防冰雪擾流技術(shù)研究*

何德華1， 王剛義2， 陳厚嫦1， 李超輝2

(1中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江西南昌 330013)

針對(duì)高寒動(dòng)車組冬季運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架處存在冰雪堆積的問題，運(yùn)用商用軟件STAR-CCM+和拉格朗日顆粒模型，采用更為直觀的風(fēng)雪兩相流技術(shù)對(duì)擾流設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向架區(qū)域冰雪附著情況進(jìn)行模擬分析，并以壁面上的雪顆粒入射質(zhì)量通量(IMF)來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的擾流板防冰雪效果。計(jì)算結(jié)果表明：雪強(qiáng)、雪顆粒附著特性、車速、擾流板高度對(duì)轉(zhuǎn)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(jìn)的流線型擾流板方案可使轉(zhuǎn)向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的54%，同時(shí)自身承受24%的附著量；②高200 mm的擾流板可使轉(zhuǎn)向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的70%，同時(shí)自身承受9%的附著量。并且擾流板上的附著量不會(huì)結(jié)冰，會(huì)隨著氣流流動(dòng)的方向流向地面。

高寒動(dòng)車組； 轉(zhuǎn)向架； 擾流板； 風(fēng)雪兩相流；

高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域冰雪堆積是現(xiàn)階段轉(zhuǎn)向架防冰雪亟待解決的問題[1]。在國(guó)外，北山茂等的論文《基于轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)特性改進(jìn)的研究》通過相關(guān)數(shù)值方法討論了在700系列車轉(zhuǎn)向架上增加擾流板的方法防冰雪侵害，北山茂等建立了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架擾流板的防冰雪效果[2]；而我國(guó)現(xiàn)階段李俊民，單永林，林鵬的論文《高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架防冰雪導(dǎo)流罩的空氣動(dòng)力學(xué)性能分析》通過改進(jìn)車下的設(shè)備艙導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)為傾斜結(jié)構(gòu)，應(yīng)用CFD對(duì)3編組動(dòng)車組模型進(jìn)行防風(fēng)雪單向流分析[3]。相較于單向流模擬，兩相流有許多優(yōu)點(diǎn)，可更好的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，直觀的反映附著情況，這對(duì)于理解轉(zhuǎn)向架冰雪附著機(jī)制、改進(jìn)轉(zhuǎn)向架擾流板防冰雪的設(shè)計(jì)有重要意義。目前，兩相流技術(shù)在汽車、飛機(jī)和建筑上的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛[4-6]，但應(yīng)用于高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域擾流技術(shù)，進(jìn)行冰雪附著情況的研究尚未見報(bào)道?；陲L(fēng)雪兩相流計(jì)算模型，運(yùn)用STAR-CCM+模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)Σ煌叨鹊臄_流板的冰雪附著情況，以期為防冰雪擾流技術(shù)提供性能優(yōu)良的擾流板。

1　控制方程和計(jì)算方法

1.1控制方程

描述流場(chǎng)流動(dòng)除采用基本控制方程N(yùn)-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(jì)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(yùn)動(dòng)分析，其復(fù)雜性和計(jì)算量高于單相流的計(jì)算。目前可用于風(fēng)雪兩相流計(jì)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(duì)于本文的數(shù)值計(jì)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(wǎng)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(shí)的特點(diǎn)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(dòng)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(yīng)的方程如下：

(4)

(5)

1.2計(jì)算方法

本文研究的問題可視為定常不可壓縮問題，其計(jì)算方法簡(jiǎn)單描述為：采用基于RANS(雷諾平均法)的SST(剪切應(yīng)力輸運(yùn))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(zhì)量和動(dòng)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(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)，避免數(shù)值假擴(kuò)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(jì)算域的確定

列車運(yùn)行時(shí)的外流場(chǎng)是無限大的，但在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，一般采用有限計(jì)算區(qū)域來代替無限計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域的選取很重要，要保證流場(chǎng)發(fā)展充分，應(yīng)取得足夠大；而計(jì)算區(qū)域過大，網(wǎng)格數(shù)和計(jì)算時(shí)間將也會(huì)增大，因此要有效地準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值模擬，需選擇合適的計(jì)算區(qū)域。綜合這兩方面的考慮，采用的高寒動(dòng)車組計(jì)算模型及計(jì)算區(qū)域如圖1所示，計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，計(jì)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(jì)算模型

2.2計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

考慮到計(jì)算工作量大，采用某型三編組的局部計(jì)算模型，如圖1所示。使用CFD軟件STAR-CCM+[11]進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)試算，在本項(xiàng)目的計(jì)算中，采用Trim + Prism Layer的體網(wǎng)格類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于網(wǎng)格劃分，在整個(gè)空間計(jì)算域采用較大尺寸的網(wǎng)格，在流場(chǎng)變化大的區(qū)域以及本例所關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，在擾流板附近、中間車的轉(zhuǎn)向架及其周邊區(qū)域進(jìn)行特別細(xì)化，從細(xì)網(wǎng)格到粗網(wǎng)格采用逐層過渡的方案，這樣就能保證計(jì)算要求也能提高計(jì)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(shù)方案，最為根本和有效的是改變走行部的氣動(dòng)條件，減少冰雪附著量，避免關(guān)鍵部位出現(xiàn)高強(qiáng)度附著。在不改變現(xiàn)有列車的基本結(jié)構(gòu)條件下，在適當(dāng)區(qū)域添加擾流裝置，影響走行部氣動(dòng)條件，是一種簡(jiǎn)單而高效的方法。所以，針對(duì)研究的某型動(dòng)車組底部三維幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了與之相匹配的擾流結(jié)構(gòu)，其幾何結(jié)構(gòu)如圖2。通過試算，長(zhǎng)度a和寬度h的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)

2.3邊界條件的確定

(1)入口邊界條件：由于計(jì)算量限制，僅能選取局部車體進(jìn)行兩相流計(jì)算。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，頭車中部區(qū)域速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(shè)置內(nèi)外兩個(gè)列車風(fēng)的速度入口條件，外部為高速區(qū)，內(nèi)部(主要是底部)為低速區(qū)，經(jīng)過試算發(fā)現(xiàn)這種設(shè)置所得下游流場(chǎng)與整車計(jì)算很相近。因此在每個(gè)入口區(qū)內(nèi)，假設(shè)入口邊界來流的三維速度分布沒有受到模型的擾動(dòng)，除運(yùn)動(dòng)方向外，另外兩個(gè)方向的速度分量為零，沿運(yùn)動(dòng)方向的速度在另外兩個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；雪顆?？梢宰杂闪鞒?。

(3)地面邊界條件：采用移動(dòng)地板的做法，以消除地面效應(yīng)的影響，假定高寒動(dòng)車組風(fēng)條件下地面雪顆粒揚(yáng)起和沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在地面處設(shè)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(yīng)的影響，故列車表面設(shè)定為有摩擦的固壁邊界(無滑移邊界)，接近于實(shí)際情況，可較為精確的計(jì)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(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)向架流動(dòng)，因此車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不可忽略，在車輪和車軸上設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)條件，轉(zhuǎn)動(dòng)軸為相應(yīng)車軸中心，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度由運(yùn)行速度求出。

3　轉(zhuǎn)向架風(fēng)雪兩相流的模擬分析

3.1局部模型流場(chǎng)分析

在目前的計(jì)算條件下開展三編組整車兩相流計(jì)算是非常困難的，并且對(duì)于研究轉(zhuǎn)向架擾流結(jié)構(gòu)這一局部問題也沒有必要。針對(duì)走行部流動(dòng)特點(diǎn)和兩相流計(jì)算的實(shí)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(jì)算對(duì)象。為了檢測(cè)采用局部模型是否有效，采用流線型擾流板(長(zhǎng)2 000 mm，高300 mm，寬330 mm)、高寒動(dòng)車組車速為300 km/h、降雪強(qiáng)度為50 mm/24 h、濕雪的條件為例進(jìn)行模擬分析。首先給出在車速300 km/h車體和轉(zhuǎn)向架表面壓力分布云圖和各個(gè)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(zhuǎn)向架區(qū)域的壓力峰值點(diǎn)出現(xiàn)在前輪緣中下方、制動(dòng)盤中下部以及設(shè)備吊艙前緣等迎風(fēng)面上，低壓區(qū)則分布在高壓區(qū)周圍；后輪壓力峰值點(diǎn)位置類似，但壓力值較小，輪軸附近存在一個(gè)低壓區(qū)，由于擾流板和轉(zhuǎn)向架圍擋的遮蔽作用，轉(zhuǎn)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(gè)滯流區(qū)，由于斜面的存在使得擾流板不能緊靠轉(zhuǎn)向架，氣流在擾流板后逐漸向上恢復(fù)，從而影響了滯流區(qū)的大小，同時(shí)在撞擊中軸后進(jìn)一步向上，在轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域產(chǎn)生了較大的流速；滯流區(qū)內(nèi)存在一個(gè)局部環(huán)流結(jié)構(gòu)，整個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域上部并未形成一個(gè)整體的環(huán)流，而是分散為多個(gè)環(huán)流。

而后轉(zhuǎn)向架區(qū)域起到遮蔽效應(yīng)的主要是直立的轉(zhuǎn)向架圍擋，且其效果比較明顯，后轉(zhuǎn)向架區(qū)域的壓力峰值主要出現(xiàn)在后輪輪緣、制動(dòng)盤以及側(cè)方結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面處，低壓區(qū)出現(xiàn)在其附近，此時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域上部形成了一個(gè)較大的局部環(huán)流，雖然其流速值相對(duì)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(jìn)而產(chǎn)生局部冰雪附著?？梢钥闯?，斜面圍擋對(duì)后方車廂連接處的導(dǎo)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(huì)產(chǎn)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(guān)。

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

3.2擾流板高度對(duì)流場(chǎng)的顆粒分布的模擬分析

為了模擬出風(fēng)雪兩相流的顆粒分布，通過壁面上的雪顆粒入射質(zhì)量通量(Incident Mass Flux Snow，IMF)來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架區(qū)域冰雪的附著情況，在設(shè)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(qiáng)、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(dòng)結(jié)構(gòu)有明確的對(duì)應(yīng)，前轉(zhuǎn)向架不受影響，完全相同。而隨著擾流板高度的增加，后轉(zhuǎn)向架上的附著速率呈減小趨勢(shì)，剎車片、吊艙等部件上的附著區(qū)域明顯減小，而與此同時(shí)，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(zhuǎn)向架遮擋高速氣流的同時(shí)，本身也攔截了部分冰雪附著量，因此其作用是同時(shí)通過遮蔽(即導(dǎo)流)和代附著兩種機(jī)制發(fā)揮作用的。通過模擬計(jì)算分析，流線型擾流板(長(zhǎng)2 000 mm，寬330 mm，高300 mm,高200 mm)方案為效果比較好，因?yàn)樵摂_流板方案可使轉(zhuǎn)向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的54%，同時(shí)自身承受24%的附著量；而高200 mm的擾流板可使轉(zhuǎn)向架冰雪附著速率降至無擾流板車型的70%，同時(shí)自身承受9%的附著量。并且擾流板上的附著量不會(huì)結(jié)冰，會(huì)隨著氣流流向地面。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

擾流板高度是影響附著率的一個(gè)關(guān)鍵因素，高度較大的后流線型擾流板能有效降低轉(zhuǎn)向架動(dòng)壓，進(jìn)而可能減少冰雪附著。圖5的結(jié)果驗(yàn)證了這一結(jié)論，隨著擾流板高度的增加，后轉(zhuǎn)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(qiáng)了其遮蔽效應(yīng)。由于局部來流速度更低，300 mm高度時(shí)后轉(zhuǎn)向架的冰雪附著甚至優(yōu)于較為理想的前轉(zhuǎn)向架；而若將后轉(zhuǎn)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(shí)就已經(jīng)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(rèn)參數(shù)+濕雪條件。

圖5　前后轉(zhuǎn)向架附著速率與擾流板高度的關(guān)系

4　結(jié)　論

基于轉(zhuǎn)向架擾流板的風(fēng)雪兩相流的初步研究，通過理論分析和運(yùn)用STAR-CCM+模擬在風(fēng)雪兩相流輸入

情況下高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架擾流板高度的防冰雪效果。結(jié)果表明：

(1)拉格朗日兩相流模型計(jì)算高寒動(dòng)車組冰雪附著問題是可靠而實(shí)用，能更直觀、有效的體現(xiàn)高寒動(dòng)車組冰雪實(shí)際附著的情況，對(duì)改進(jìn)擾流板更有效果；

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

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

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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(guó)鐵路總公司科技項(xiàng)目(2013YJ001)