基于风雪两相流的高寒动车组转向架防冰雪扰流技术研究*

何德华， 王刚义， 陈厚嫦， 李超辉

(1　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081；2　华东交通大学　机电工程学院， 江西南昌 330013)



基于风雪两相流的高寒动车组转向架防冰雪扰流技术研究*

何德华1， 王刚义2， 陈厚嫦1， 李超辉2

(1中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081；2华东交通大学机电工程学院， 江西南昌 330013)

针对高寒动车组冬季运行时转向架处存在冰雪堆积的问题，运用商用软件STAR-CCM+和拉格朗日颗粒模型，采用更为直观的风雪两相流技术对扰流设计后转向架区域冰雪附着情况进行模拟分析，并以壁面上的雪颗粒入射质量通量(IMF)来评价转向架区域的扰流板防冰雪效果。计算结果表明：雪强、雪颗粒附着特性、车速、扰流板高度对转向架冰雪附着率均有影响；扰流效果比较好的2种方案是，①改进的流线型扰流板方案可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的54%，同时自身承受24%的附着量；②高200 mm的扰流板可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的70%，同时自身承受9%的附着量。并且扰流板上的附着量不会结冰，会随着气流流动的方向流向地面。

高寒动车组； 转向架； 扰流板； 风雪两相流；

高寒动车组转向架区域冰雪堆积是现阶段转向架防冰雪亟待解决的问题[1]。在国外，北山茂等的论文《基于转向架区域气动特性改进的研究》通过相关数值方法讨论了在700系列车转向架上增加扰流板的方法防冰雪侵害，北山茂等建立了转向架区域的局部CFD模型，采用单相气流的模拟输入方法，以压力系数为冰雪附着的表征变量，开展了几组数值模拟分析转向架扰流板的防冰雪效果[2]；而我国现阶段李俊民，单永林，林鹏的论文《高速动车组转向架防冰雪导流罩的空气动力学性能分析》通过改进车下的设备舱导流罩设计为倾斜结构，应用CFD对3编组动车组模型进行防风雪单向流分析[3]。相较于单向流模拟，两相流有许多优点，可更好的模拟现实环境，直观的反映附着情况，这对于理解转向架冰雪附着机制、改进转向架扰流板防冰雪的设计有重要意义。目前，两相流技术在汽车、飞机和建筑上的应用已经很广泛[4-6]，但应用于高寒动车组转向架区域扰流技术，进行冰雪附着情况的研究尚未见报道。基于风雪两相流计算模型，运用STAR-CCM+模拟转向架区域对不同高度的扰流板的冰雪附着情况，以期为防冰雪扰流技术提供性能优良的扰流板。

1　控制方程和计算方法

1.1控制方程

描述流场流动除采用基本控制方程N-S方程[7]，还要添加两相流的控制方程。跟单相流相比，两相流的计算不但涉及两相间相互作用,其中的颗粒相与边界的相互作用还涉及到运动分析，其复杂性和计算量高于单相流的计算。目前可用于风雪两相流计算的多相流模型主要有两种：(1) 欧拉两相流混合模型；(2)拉格朗日颗粒模型。

对于本文的数值计算，由于欧拉两相流模型将第二相视为流体，从而较难描述壁面附着，且第二相颗粒尺寸受到网格分辨率的影响，难以用于合理地研究冰雪附着问题。因此使用拉格朗日颗粒模型，以突显干湿雪颗粒在与壁面碰撞时的特点差异[8-9]。

拉格朗日两相流模型分为欧拉流体部分和拉格朗日颗粒部分，其中欧拉流体部分与常规流动方程类似，而拉格朗日颗粒部分的基本方程如下：

(1)

(2)

(3)

颗粒在遇到壁面后可能发生弹开和附着，相应的方程如下：

(4)

(5)

1.2计算方法

本文研究的问题可视为定常不可压缩问题，其计算方法简单描述为：采用基于RANS(雷诺平均法)的SST(剪切应力输运)两方程k-ω模型描述湍流行为；采用All y+方式描述壁面；采用有限体积法离散质量和动量控制方程，但模型中联立能量控制方程，将过程近似视为等温；采用二阶迎风格式离散对流项和扩散项，避免数值假扩散带来的误差；采用分离式SIMPLE求解器处理离散所得方程组[10]。

2　模型的建立

2.1计算域的确定

列车运行时的外流场是无限大的，但在数值模拟计算时，一般采用有限计算区域来代替无限计算区域。计算区域的选取很重要，要保证流场发展充分，应取得足够大；而计算区域过大，网格数和计算时间将也会增大，因此要有效地准确地进行数值模拟，需选择合适的计算区域。综合这两方面的考虑，采用的高寒动车组计算模型及计算区域如图1所示，计算区域为长方体，计算区域的选为：车头前100 m，车后250 m，车身上方100 m，车身左右各100 m。

图1　计算模型

2.2计算模型及网格划分

考虑到计算工作量大，采用某型三编组的局部计算模型，如图1所示。使用CFD软件STAR-CCM+[11]进行模拟计算。根据试算，在本项目的计算中，采用Trim + Prism Layer的体网格类型进行网格划分。对于网格划分，在整个空间计算域采用较大尺寸的网格，在流场变化大的区域以及本例所关心的区域进行网格细化，在扰流板附近、中间车的转向架及其周边区域进行特别细化，从细网格到粗网格采用逐层过渡的方案，这样就能保证计算要求也能提高计算效率。

治理和防范高寒列车走行部冰雪附着问题有不少技术方案，最为根本和有效的是改变走行部的气动条件，减少冰雪附着量，避免关键部位出现高强度附着。在不改变现有列车的基本结构条件下，在适当区域添加扰流装置，影响走行部气动条件，是一种简单而高效的方法。所以，针对研究的某型动车组底部三维几何结构，设计了与之相匹配的扰流结构，其几何结构如图2。通过试算，长度a和宽度h的长度取为定值2 000 mm和330 mm，而高b的值取0，100,200,300 mm。

图2　扰流板几何结构

2.3边界条件的确定

(1)入口边界条件：由于计算量限制，仅能选取局部车体进行两相流计算。通过分析可以发现，头车中部区域速度场结构较为稳定，表现为外部流速较均匀，接近于自由来流流速，而车底流速则明显较小，但在垂直于流向的平面上整体上较均匀。因此设置内外两个列车风的速度入口条件，外部为高速区，内部(主要是底部)为低速区，经过试算发现这种设置所得下游流场与整车计算很相近。因此在每个入口区内，假设入口边界来流的三维速度分布没有受到模型的扰动，除运动方向外，另外两个方向的速度分量为零，沿运动方向的速度在另外两个方向上均匀分布，并且雪颗粒与周围气流具有相同流速。

(2)出口边界条件：取一个标准大气压强；雪颗粒可以自由流出。

(3)地面边界条件：采用移动地板的做法，以消除地面效应的影响，假定高寒动车组风条件下地面雪颗粒扬起和沉积达到动态平衡，在地面处设置为颗粒和壁面完全弹性碰撞。

(4)列车表面边界条件：由于在列车表面存在边界层效应的影响，故列车表面设定为有摩擦的固壁边界(无滑移边界)，接近于实际情况，可较为精确的计算出列车表面的摩擦阻力，即黏性剪切力，以及表面的压力分布等参数；由于本研究需要准确计算转向架流动，因此车轮的转动不可忽略，在车轮和车轴上设置了转动条件，转动轴为相应车轴中心，转动角速度由运行速度求出。

3　转向架风雪两相流的模拟分析

3.1局部模型流场分析

在目前的计算条件下开展三编组整车两相流计算是非常困难的，并且对于研究转向架扰流结构这一局部问题也没有必要。针对走行部流动特点和两相流计算的实际条件，以三编组头车后半段和中间车前半段的下半部分作为计算对象。为了检测采用局部模型是否有效，采用流线型扰流板(长2 000 mm，高300 mm，宽330 mm)、高寒动车组车速为300 km/h、降雪强度为50 mm/24 h、湿雪的条件为例进行模拟分析。首先给出在车速300 km/h车体和转向架表面压力分布云图和各个特征部位的压力分布云图，如下图3。

图3　局部模型表面压力分布云图(300 km/h)

由图3可知，前转向架区域的压力峰值点出现在前轮缘中下方、制动盘中下部以及设备吊舱前缘等迎风面上，低压区则分布在高压区周围；后轮压力峰值点位置类似，但压力值较小，轮轴附近存在一个低压区，由于扰流板和转向架围挡的遮蔽作用，转向架上部表面并未出现明显的高、低压区；从压力云图可以看出，扰流板和斜面围挡在其身后形成了一个滞流区，由于斜面的存在使得扰流板不能紧靠转向架，气流在扰流板后逐渐向上恢复，从而影响了滞流区的大小，同时在撞击中轴后进一步向上，在转向架上部区域产生了较大的流速；滞流区内存在一个局部环流结构，整个转向架区域上部并未形成一个整体的环流，而是分散为多个环流。

而后转向架区域起到遮蔽效应的主要是直立的转向架围挡，且其效果比较明显，后转向架区域的压力峰值主要出现在后轮轮缘、制动盘以及侧方结构的迎风面处，低压区出现在其附近，此时整个转向架区域上部形成了一个较大的局部环流，虽然其流速值相对较小，但环流下部距离高速气流很近，可能吸入含雪气流，进而产生局部冰雪附着。可以看出，斜面围挡对后方车厢连接处的导流作用明显，而扰流板由于尺寸和距离原因很难发挥作用，且其将会产生附带的增阻影响，其增阻影响与其所阻滞的气流速度分布有关。

通过比较发现，局部模型计算结果与整车模型计算结果很相近，这说明采用的局部模型符合要求并且设置的各种条件都满足实际情况。

3.2扰流板高度对流场的颗粒分布的模拟分析

为了模拟出风雪两相流的颗粒分布，通过壁面上的雪颗粒入射质量通量(Incident Mass Flux Snow，IMF)来评价转向架区域冰雪的附着情况，在设置条件下该值等同于壁面处的颗粒附着速率。在300 km/h车速、50 mm/24 h雪强、湿雪条件下，图4给出了不同扰流板高度条件下的颗粒附着速率分布。

图4　不同扰流板高度条件下的颗粒附着速率分布

可以看到其与流动结构有明确的对应，前转向架不受影响，完全相同。而随着扰流板高度的增加，后转向架上的附着速率呈减小趋势，刹车片、吊舱等部件上的附着区域明显减小，而与此同时，扰流板上的附着速率则明显增加，这说明扰流板在替后方转向架遮挡高速气流的同时，本身也拦截了部分冰雪附着量，因此其作用是同时通过遮蔽(即导流)和代附着两种机制发挥作用的。通过模拟计算分析，流线型扰流板(长2 000 mm，宽330 mm，高300 mm,高200 mm)方案为效果比较好，因为该扰流板方案可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的54%，同时自身承受24%的附着量；而高200 mm的扰流板可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的70%，同时自身承受9%的附着量。并且扰流板上的附着量不会结冰，会随着气流流向地面。

3.3计算结果分析

扰流板高度是影响附着率的一个关键因素，高度较大的后流线型扰流板能有效降低转向架动压，进而可能减少冰雪附着。图5的结果验证了这一结论，随着扰流板高度的增加，后转向架上的附着速率出现了明显的下降，这是由于扰流板的增高加强了其遮蔽效应。由于局部来流速度更低，300 mm高度时后转向架的冰雪附着甚至优于较为理想的前转向架；而若将后转向架和扰流板综合考虑，附着率降低效果在扰流板200 mm高时就已经稳定，在100 mm以下则无明显效果。需要指出，这里讨论基于最不利工况，即默认参数+湿雪条件。

图5　前后转向架附着速率与扰流板高度的关系

4　结　论

基于转向架扰流板的风雪两相流的初步研究，通过理论分析和运用STAR-CCM+模拟在风雪两相流输入

情况下高寒动车组转向架扰流板高度的防冰雪效果。结果表明：

(1)拉格朗日两相流模型计算高寒动车组冰雪附着问题是可靠而实用，能更直观、有效的体现高寒动车组冰雪实际附着的情况，对改进扰流板更有效果；

(2)在进行模拟分析时，发现雪强、雪颗粒附着特性、车速、扰流板高度对转向架冰雪附着率均有影响；

(3)通过模拟计算分析，流线型扰流板方案可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的54%，同时自身承受24%的附着量；高200 mm的扰流板可使转向架冰雪附着速率降至无扰流板车型的70%，同时自身承受9%的附着量。并且扰流板上的附着量不会结冰，而是随着气流流向地面。

[1]别玉华. 高寒动车组车体保温性能研究与优化[D]. 青岛：青岛理工大学，2014.

[2]北山茂,等. 台車周りの空力特性改善に関する研究[C].日本机械学会第14回交通物流部门大会演讲论文集(2005.12.7-9川崎).

[3]李俊民，单永林，林鹏. 高速动车组转向架防冰雪导流罩的空气动力学性能分析[J].计算机辅助工程，2013,22(2):20-26，80.

[4]李梦. 车身外部扰流器对汽车气动特性的影响研究[D].吉林：吉林大学，2013.

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[7]钟锡昌，刘学宗. 计算流体力学[M]. 北京：科学出版社，1983.

[8]黄学辉. 转向架对高速列车气动特性影响研究[D].成都：西南交通大学，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.

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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，助理研究员(

2016-03-08)

U271.91

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.09

*中国铁路总公司科技项目(2013YJ001)