一位端转向架位置对高速列车底部风雪运动特性的影响

2023-03-27王家斌张琰张洁姜琛王田天高广军

中南大学学报（自然科学版） 2023年1期

王家斌，张琰，张洁，姜琛，王田天，高广军

(1.中南大学交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙，410075；2.轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，湖南长沙，410075)

自1999年秦沈客运专线开通以来，我国高速铁路建设里程一直保持高速稳定增长。截至2020年底，我国高速铁路总里程突破3.79 万km，占世界高速铁路里程的2/3以上。我国地处大陆性季风气候区，尤其是在我国东北、新疆北部及青藏高原部分地区，冬季气候寒冷，降雪量较大。随着我国高速铁路总里程不断增加，越来越多具有战略意义的高速铁路延伸至高寒丰雪地区[1]。高速列车在高寒铁路上运行时，其底部的强剪切流动会将道床上的积雪卷入转向架区域，进而导致转向架区域产生严重的雪粒堆积[2]。转向架大面积覆雪会造成一系列问题，如：弹性悬挂处的积雪因弹簧不断挤压会变得越来越密实，进而限制弹簧的垂向位移并导致列车振动加剧、乘员舒适性降低[3-4]；列车机械传动装置的覆雪则会导致电机负荷增加，甚至超过电机负荷而使列车发生故障[5]。更为严重的是，制动夹钳会因其表面严重积雪发生运动阻滞而导致列车制动失效，进而严重威胁列车冬季行车安全[6-7]，因此，必须对高速列车转向架区域积雪防治措施展开相关研究。针对高速列车转向架区域的积雪严重难题，国外铁路运营单位主要从工程角度出发，对高寒铁路防/除雪技术和列车转向架回库融雪技术进行了大量研究。在高寒铁路防/除雪技术方面，日本的上越新干线和东海道新干线采用线路喷淋装置来减少道床上的积雪，以缓解高速列车转向架区域的积雪问题[8]。日本的东北新干线通过修建高效除雪高架桥梁来提升线路除雪效率[8]。挪威卑尔根铁路采用防雪栅栏阻隔雪花进入线路中，从而减少车底设备表面的雪粒积聚[9]。为提升回库列车转向架融雪效率，瑞典铁路采用循环加热环保材料丙二醇对转向架进行快速融雪处理，极大程度地提高了转向架除雪效率[10]。芬兰赫尔辛基车辆段采用热水喷淋装置对回库列车转向架进行自动融雪处理[11]。我国高寒地区的高速铁路距离跨度长，列车单程运行时间久，采用上述转向架防雪措施无法对在线运营列车进行实时除雪处理，导致列车运行安全仍旧面临极大隐患。韩运动等[12]采用实车试验与数值仿真相结合的方法研究了转向架区域流场进风特点，发现气流由列车底部以及两侧裙板灌入转向架舱内，流经端板时产生流动分离现象，大部分气流由端板底部及两侧裙板后部流出转向架区域。蔡路等[13]采用分离涡数值模拟方法对转向架区域的空气流动趋势和复杂涡流演化规律展开精细化分析，并基于三维流场结果推演了转向架区域的雪粒运动规律。LIU等[14]采用改进的延时分离涡算法对高速列车转向架区域的空气流动趋势进行了研究，并采用STAR-CCM+中内嵌雪粒追踪模型研究了转向架关键部件表面的雪粒堆积分布特征。

雪粒在列车底部高速剪切流动的作用下被卷入转向架区域，因而，雪粒运动轨迹受车底空气流动特性影响巨大。列车底部结构外形在影响转向架区域流场的同时，必将对雪粒运动轨迹和堆积分布特性产生显著影响。研究表明，高速列车的排障器外形、转向架舱长度、裙板高度以及设备舱端板角度不仅对车底空气流动趋势、气动能耗以及列车风效应影响很大[15-18]，而且会显著改变转向架区域内雪粒运动状态以及转向架表面的雪粒堆积分布特性[10,19-20]。头车排障器和一位端转向架作为列车底部气流分离的起点，将对下游转向架区域内的风雪运动特性产生深远影响。同时，将一位端转向架向下游移动50%D和100%D(D为转向架轴距)可显著改善列车下部车身周围的空气流动特性，使轨侧位置时均列车风的最大值分别降低7.86%和12.86%，并使头车气动阻力分别降低10.26%和17.46%[21]。然而，一位端转向架位置对列车底部风雪运动规律的影响规律尚未可知。为此，本文对此进行研究与分析，以便为高寒高速列车底部结构的气动外形设计提供依据。

1 数值模拟设置

1.1 数学模型

基于Realizablek-ε湍流模型的非定常雷诺时均方法(URANS)模拟转向架区域内的空气流动。雷诺时均方法在保证计算精度的同时还可极大减少计算资源，因而广泛应用于列车空气动力学数值模拟研究。由于Realizablek-ε湍流模型能准确模拟流线弯曲程度较大的流动现象，因此，选用此湍流模型模拟转向架区域的复杂流场。非定常雷诺时均方法的连续性方程、动量方程和雷诺应力方程以及Realizablek-ε湍流模型的k方程和ε方程见文献[22]，本文采用DPM 离散相模型模拟雪粒在转向架区域内的运动状态以及积雪结果。雪粒所受外力包括曳力、重力、虚假质量力、Basset 力、Magnus升力、Saffman升力、压力梯度力等，而本文中雪粒受力主要考虑曳力和重力，对其他作用力予以忽略，因此，雪粒受力平衡微分方程为：

其中：u为空气流动速度；up为雪粒速度；ρ为空气密度；μ为动力黏度。dp为粒子直径，dp=0.15 mm；ρp为粒子密度，ρp=250 kg/m3；g为重力加速度；CD为曳力系数；Rep为相对雷诺数；α1，α2和α3为常数，α1=0.519 1，α2=-1 662.5，α3=5.146 7×106。选取环境温度为-30 ℃，对应的空气密度和动力黏度分别为ρ=1.453 kg/m3和μ=1.57×10-5Pa·s。

1.2 几何模型

以往研究表明，高速列车头车转向架区域的积雪情况最严重，因此，本文针对头车进行研究。为避免头车端面的大尺度流动分离对头车转向架区域的空气流动特性产生影响，在头车模型的基础上保留了1/3长度中间车体以及风挡结构，如图1(a)所示。选取列车高度H=3.7 m 为数值模拟中的特征长度，头车长度(L)、宽度(W)以及转向架舱长度(C)分别为L=6.86H，W=0.91H和C=1.03H。在数值模拟中采用复杂转向架模型，充分保留列车转向架的所有重要部件，如空气弹簧、构架、牵引电机、齿轮箱、制动夹钳、电机吊座、牵引拉杆、轴箱等，但忽略转向架模型的管路、线路和缝隙结构，以便于转向架区域内的网格划分，如图1(a)所示。为研究一位端转向架后移对转向架区域内积雪分布的影响，在原始列车模型的基础上将转向架1 及其腔体区域向下游分别平移50%D和100%D，下游转向架的位置保持不变，如图1(b)所示。

图1 高速列车几何模型Fig.1 Geometry of high-speed train used in numerical simulations

1.3 计算域及边界条件

图2(a)所示为数值仿真计算域的尺寸、相对位置以及边界条件类型。在计算域中，速度入口设定幅值为Uinf=55.56 m/s 的均匀流速，对压力出口设定零静压边界条件，即P=0 Pa。对计算域的顶面和侧面设为对称边界，通过镜像流场将计算区域虚拟扩大。为模拟列车与地面的相对运动，将列车和转向架模型设定为静止壁面，将路基和地面均设定为运动壁面，且路基和地面的运动速度与速度入口的自由来流速度保持一致，即Uwall=55.56 m/s。针对离散相边界条件设置，计算区域的速度入口、压力出口、顶面、侧面和地面设置为逃逸边界条件。本文的研究重点是转向架表面和设备舱端板的积雪分布，为保证更多的雪粒运动至列车转向架区域，将路基、轨道和列车表面设置为反射边界条件，对列车转向架舱的前、后端板以及转向架的构架、牵引电机、制动夹钳、齿轮箱、轮对、电机吊座和空簧等所有零部件设置为捕捉边界条件。

图2 计算区域和计算网格Fig.2 Computational domain and grid

数值模拟采用的计算网格是六面体为主的笛卡尔混合网格，此网格技术支持复杂几何表面的网格快速生成，并可灵活调整局部网格的分辨率，因而，此类型网格在列车周围非定常流场的数值仿真研究中获得广泛应用。为准确了解列车底部流场边界层内的空气流动规律，在车身表面以及转向架表面设置15 层棱柱层网格，棱柱层网格的法向增长率为1.2。为保证高速列车底部以及周围流场的模拟精度，在列车底部以及车体周围增设2个空间网格加密区域，如图2(b)所示。网络无关性验证细节如表1所示。列车模型物面网格法向量纲一厚度n+=uτn/v=45，流向网格量纲一尺寸Δl+=uτΔl/v=450，展向网格量纲一尺寸Δs+=uτΔs/v=450(其中，uτ为车身壁面剪切流速；n，Δl和Δs分别为车身物面网格在法向、流向和展向的空间尺寸；v为空气的运动黏度)。进一步加密此网格分辨率并不会引起风雪运动仿真结果的显著变化，可用于高速列车底部风雪运动的数值模拟研究[20]。

表1 网格无关性验证细节Table 1 Mesh information for grid independence validation

1.4 求解参数设置及算法验证

本文所有的风雪两相流数值模拟均由计算流体力学仿真商用软件ANSYS Fluent 完成。Fluent采用有限体积法将偏微分方程组离散成网格节点上的代数方程组。相比于有限差分法和有限单元法，有限体积的离散方法具有更高的计算效率，因此，在计算流体力学领域被广泛应用。对流项采用二阶迎风格式进行离散，数值模拟基于压力求解器完成，并采用SIMPLEC算法耦合压力-速度场。为提高风雪两相流运动的仿真精度，计算中空气相和雪粒相采用双向耦合算法求解。雪粒之间互不影响，且雪粒的物理参数(密度ρp=250 kg/m3和粒径dp=0.15 mm)在仿真计算中不发生改变。在所有风雪两相流数值模拟仿真中，首先采用收敛的RANS仿真计算初始化列车周围流场，随后，雪粒从发射面释放入计算域内，风雪两相流的仿真总时长为3.0 s。风雪两相流数值模拟中的时间步长Δt=0.000 1 s，保证99%以上计算网格的网格库朗数低于1.0，且计算域内的最大库朗数低于3.0。每个时间步内共有3 600个雪粒包裹单元释放入计算域内。在每个时间步内进行30 次迭代以获得合适的收敛残差，从而进一步保证计算求解精度。

为验证本文数值模拟方法的正确性，进行高速列车转向架区域两相流风洞试验研究。其中，转向架区域两相流风洞试验在中南大学高速列车研究中心进行[23]。风洞高速试验段的三维尺寸为3.4 m(长度)×1.0 m(宽度)×0.8 m(高度)。试验风洞具有流场稳定等特点，高速试验段风速范围为0～60 m/s。高速试验段的进口处设置有离散相释放装置，可用于开展风/沙/雪恶劣环境下高速列车空气动力学性能的试验研究。为更好获取转向架区域的粒子运动轨迹，对试验列车及转向架模型进行透明化无反光处理。将透明转向架及列车模型安装于缩比为1∶4的轨道模型上方，轨道和列车模型放置于固定地板上。受试验条件和环境因素的限制，转向架区域两相流风洞试验中采用木屑代替风雪环境下的雪粒。对木屑尺寸和密度进行特殊处理，使其尽可能地与雪花粒子物理属性保持一致。转向架区域两相流试验及数值方法验证见图3。从图3 可见：转向架区域空气流动趋势数值模拟结果与净流场以及两相流风洞试验结果表现出较好的一致性，且风雪两相流数值模拟准确反映了积雪在转向架关键部件表面的分布特性。以上结果证明本文采用的基于Realizablek-ε湍流模型的URANS+DPM 风雪两相流数值模拟方法具有较高的精度，并可用于研究高速列车转向架区域的积雪问题[19-20,23]。

图3 转向架区域两相流试验及数值方法验证Fig.3 Information of two-phase flow of bogie region and validation of numerical method

2 一位端转向架位置对列车底部流场的影响

2.1 空气流动趋势

图4所示为一位端转向架位置后移对头车转向架1区域空气流动趋势的影响。整体而言，一位端转向架位置后移并未显著改变转向架下方区域的空气流动结构，但引起转向架上方区域和后端板附近低速漩涡尺度和涡核位置发生变化，且一位端转向架后移100%D将转向架上方区域的空气流动变得更加顺畅。从图4(b)可见：一位端转向架后移降低了转向架1轨道内部的气流速度分布。这是因为转向架1的后移导致排障器下表面流向尺寸增加，使得转向架1上游车底附面层具有更大的发展空间而变厚，进而削弱了转向架1入口位置的空气流量，降低了转向架1区域的空气流速。从图4(b)中切片2的速度可知，转向架后移有效降低了后侧齿轮箱上游的流向气流速度，进而抑制了高速气流携带雪粒在后侧发热元件表面造成的冲击作用。从图4(b)中切片3的速度可知，转向架后移在一定程度上抑制了气流在转向架中间区域的上扬运动，从而减小了转向架上方区域的悬浮雪粒数量以及转向架上表面积雪质量。

图4 一位端转向架位置对转向架1区域空气流动趋势的影响Fig.4 Effect of the first bogie position on flow characteristics in bogie regions

Z1 和Z2 线上的流向气流速度(u)分布和X3 线上的垂向气流速度(w)分布见图5。监测线Z1，Z2和X3线位于列车中心平面上(y/W=0)，且垂向监测线Z1 和Z2 线距离转向架1 中心的距离均为0.5H，流向监测线X3 距离路基顶面的垂向高度为0.071 4H。由图5(b)和图5(c)可见：一位端转向架位置后移明显降低转向架1区域的空气流速分布，且流向气流速度随着后移长度的增加而降低；一位端转向架的后移降低了转向架1后端板迎风侧的气流速度，证明一位端转向架位置后移可有效缓解气流对转向架1 区域设备舱后端板的冲击作用。从图5(d)可见：一位端转向架位置后移主要影响了转向架1下方的气流垂向速度分布，然而，其对转向架2下方气流垂向速度分布的影响并不明显。具体而言，一位端转向架位置后移有效降低了转向架1下方的气流垂向速度幅值，进而有效抑制了气流携带雪粒在转向架1 中间区域的上扬及爬升运动趋势。

图5 一位端转向架位置对头车下方空气流速的影响Fig.5 Influence of the first bogie position on stream-wise and vertical velocity components beneath the head car

图6所示为一位端转向架位置后移对列车底面中心线及下方X3 线上空间压力分布系数(Cp)的影响。由图6(a)可知：一位端转向架位置后移主要影响转向架1腔体表面压力分布变化，对转向架2腔体表面的压力变化并不明显；后移转向架1显著降低了转向架1后端板表面的冲击压力，且一位端转向架后移长度越大，车底高速气流在设备舱后端板表面造成的冲击压力越弱。由图6(b)可见：后移一位端转向架主要影响排障器及转向架1下方空间压力波动幅值，并推迟了转向架1下方空间压力峰值的出现位置，但对转向架2下方的空间压力几乎无影响。相比于原始高速列车，一位端转向架后移50%D和100%D分别将X3线上的压力系数峰峰值降低14.1%和23.1%。此外，一位端转向架后移有效降低了转向架1下方的负压峰值，进而降低了高速列车排障器附近负压效应所卷起的雪粒数量。

图6 一位端转向架位置对车底表面压力和空间压力分布的影响Fig.6 Impact of the first bogie position on surface pressure and spatial pressure distribution beneath the head car

2.2 转向架区域进风量

雪粒在列车底部气流的驱动下流入转向架区域，转向架区域透风面的通风率与转向架区域的雪粒数量存在明显的正相关性。一位端转向架位置对转向架区域透风包裹面通风率RA的影响如图7所示。从图7(a)可见：列车转向架封闭区域的包裹面由透风面和非透风面组成，其中，透风面由迎风面、背风面、左侧面、右侧面和底面组成，非通风面由设备舱前、后端板、转向架两侧裙板以及车底平面组成。迎风面和背风面分别位于设备舱前后端板的正下方，左侧面和右侧面均处于转向架两侧裙板的正下方。底面为轨顶高度的水平面，且其边界与迎风面、背风面、左侧面和右侧面无缝相接。通风率为透风包裹面法向气流速度分量(un)在透风包裹面上的面积分，其定义见式(4)。迎风面和背风面的法向空气流速均是朝向x轴正方向，因此，迎风面和背风面透风率均为正值。左侧面和右侧面的空气沿着y轴的负方向和正方向流动，因而，左侧面和右侧面的通风率分别为负值和正值。

图7 一位端转向架位置对转向架区域透风包裹面通风率的影响Fig.7 Influence of the first bogie position on airflow rate of ventilated surfaces of bogie regions

如图7(b)所示，后移一位端转向架在显著降低了转向架1迎风面进风率的同时，还增加了转向架1背风面的出风率。相比于原始转向架位置，一位端转向架位置后移50%D和100%D使转向架1迎风面的进风率分别降低了9.4%和12.7%，相应地，将转向架1背风面的出风率提高了27.5%和32.1%。相比于原始转向架位置工况，一位端转向架位置向后移动50%D和100%D时分别将转向架2区域迎风面进风率提高了16.6%和26.8%，背风面出风率的对应提升幅度分别为17.2%和29.1%。由图7(b)可知：迎风面和背风面分别是转向架区域的主要进风源和出风源，后移一位端转向架可提升迎风面进风率与背风面出风率的差值，提升了转向架区域的风雪流通性，进而可降低转向架区域的积雪量。

3 一位端转向架位置对雪粒运动及积雪特性的影响

3.1 转向架区域雪粒运动及浓度特性

后移一位端转向架对转向架1入口和出口位置雪粒流向速度(up)分布特性的影响见图8。垂向监测线Z1和Z2位于高速列车中心面上(y/H=0)且在流向上距离转向架中心均为车高的一半(即0.5H，如图5(a)所示)。整体上，一位端转向架位置后移对转向架1 区域的雪粒流向速度分布产生了显著影响，且转向架1位置后移距离越长，对雪粒流向速度的影响越明显。由于一位端转向架位置后移显著降低了转向架1区域的雪粒流向速度，进而明显削弱了转向架入口位置大量雪粒对转向架表面造成的冲击作用。图8(c)所示为雪粒垂向速度(wp)在水平监测线X3上的分布特性，X3监测线位于高速列车中心面上(y/H=0)，且距离路基顶面高度为0.072H(见图5(a))。由图8(c)可知：后移转向架1主要降低了转向架1下方的雪粒垂向速度，对转向架2下方的垂向雪粒速度分布几乎没有产生影响，且一位端转向架位置向后移动50%D和100%D分别将X3线上转向架1 下方的雪粒垂向速度最大值降低了10.5%和18.9%，证明一位端转向架后移有效抑制转向架1下方雪粒的垂向上扬运动，可有效减少转向架下表面的积雪。

图8 一位端转向架位置对头车下方雪粒运动速度的影响Fig.8 Effect of the first bogie position on stream-wise and vertical velocity of snow particles beneath the head car

图9所示为不同一位端转向架位置条件下头车转向架区域雪粒浓度分布特性。一位端转向架位置后移明显降低了转向架1下方区域高浓度雪粒的垂向分布高度，且后移长度越大，转向架1下方的高浓度雪粒分布范围越小。这是因为一位端转向架的向后移动增加了排障器下方的附面层发展长度，更厚的附面层会将排障器下方的高速气流压向地面，雪粒在跟随性的作用下紧随高速气流向转向架1区域流动，导致转向架1区域高浓度雪粒垂向分布随着转向架1的后移而逐渐降低。从图9(a)中切片3可见，由于一位端转向架后移降低了转向架1下方的雪粒垂向速度分布，进而有效抑制了转向架1 中间区域的雪粒上扬运动。从图9(b)可见：一位端转向架后移对转向架2下方的高浓度雪粒垂向分布范围并未产生显著影响，但明显降低了转向架2上方区域以及设备舱端板附近的雪粒浓度分布，且后移长度越大，转向架2后侧制动夹钳、牵引电机和齿轮箱等关键发热部件附近的雪粒浓度越低，进而导致转向架关键发热部件表面的雪粒堆积范围逐渐减小。

图9 一位端转向架位置对头车转向架区域雪粒质量浓度分布的影响Fig.9 Impact of the first bogie position on snow concentration distribution in bogie regions beneath the head car

3.2 转向架表面雪粒堆积分布及质量

图10所示为一位端转向架位置后移对头车转向架表面积雪分布特性的影响。从图10(a)可见：后移一位端转向架对减少转向架1和转向架2表面的积雪分布有明显效果。在转向架1下表面，一位端转向架的后移有效减小了后侧H 型横梁、牵引电机和齿轮箱表面的积雪分布。这是因为转向架1中间区域的雪粒垂向速度因一位端转向架的后移运动而显著降低，雪粒在中间区域的上扬运动受到抑制，雪粒对后侧转向架的迎风面冲击、黏附运动被削弱。另外，由于雪粒在转向架1中间区域的上扬运动受到抑制，从转向架1中间区域进入转向架上方区域的雪粒数量也会随之降低，进而在一定程度上减小了转向架1上表面的积雪分布。从图10(b)可见：一位端转向架位置后移主要降低了转向架2构架、电机吊座和牵引拉杆下表面的积雪分布，对牵引电机、齿轮箱等发热部件下表面的积雪分布影响并不显著，但有效减小了转向架2上表面的积雪分布，尤其是减小了构架、齿轮箱和空气弹簧上表面的积雪分布，且一位端转向架位置后移距离越长，转向架2 表面的积雪覆盖范围越小。

图10 一位端转向架位置对头车转向架表面积雪分布的影响Fig.10 Influence of the first bogie position on snow accumulation distribution on the bogies of the head car

为定量分析一位端转向架位置的后移对转向架表面积雪的影响，统计了3种一位端转向架位置下头车转向架主要零部件在2.5～3.0 s 内的积雪质量，见图11。从文献[20]可知，当风雪两相流数值模拟时间达到2.0 s 时，头车转向架主要零部件在0.5 s内的表面积雪质量达到稳定状态，因此，2.5～3.0 s 内的积雪质量可作为高速列车头车转向架防雪性能的横向比较依据。相比于原始位置工况，转向架后移50%D使转向架1构架、牵引电机、齿轮箱、制动夹钳的表面积雪质量分别降低7.51%，16.50%，13.60%和3.76%；转向架后移100%D使转向架1构架、牵引电机、齿轮箱、制动夹钳的表面积雪质量分别降低12.11%，20.82%，20.02%和19.31%。一位端转向架后移50%D使转向架2 构架、牵引电机、齿轮箱、制动夹钳的表面积雪质量分别降低7.35%，4.59%，1.16%和7.12%；转向架1后移100%D使转向架2构架、牵引电机、齿轮箱、制动夹钳的表面积雪质量分别降低13.10%，5.16%，4.24%和11.90%。总体来说，一位端转向架后移50%D和100%D使转向架1积雪总质量分别降低20.86%和31.85%，使转向架2 积雪总质量降低9.31%和14.11%，因此，一位端转向架后移100%D防积雪效果明显优于后移50%D的防积雪效果。结合转向架后移50%D和100%D对转向架区域积雪质量的影响及其对列车气动性能的影响[21]，在设计高寒高速列车的气动外形时，应充分考虑后移转向架1方案。