基于离散相的高速动车组转向架区域积雪问题研究

韩俊臣，宋春元，徐芳，高广军，张琰，田振

基于离散相的高速动车组转向架区域积雪问题研究

韩俊臣1，宋春元1，徐芳1，高广军2，张琰2，田振2

(1. 中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2. 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)

为了研究高速动车组转向架区域的积雪结冰问题，针对简化的车体和转向架模型，采用三维非定常雷诺时均Realizable-湍流模型(URANS)，耦合离散相模型(DPM)流场仿真计算，模拟高速动车组转向架区域流场和雪粒子分布情况。研究结果表明：转向架底部高速气流携带雪花从转向架中部和后方向上折返进入转向架上方区域，并形成低速漩涡，雪花在狭窄处逐渐堆积；转向架底部各零部件迎风侧表面受到气流直接冲击，表面呈现较为明显的正压，在发热零件表面极易形成积雪积冰。另外，沿着列车运行方向，后3台拖车转向架比第1台拖车转向架表面的粒子黏附情况依次减少56.43%，95.42%，95.47%，第2台动车转向架比第1台动车转向架表面黏附粒子数减少51.74%。

高速动车组；转向架；积雪结冰；离散相模型；数值模拟

我国高速铁路线线路长、区域跨度大，列车在越来越复杂多变的环境下运行，面临着在强风雪等恶劣环境下运行的挑战。高寒线路如哈大高速铁路，北起黑龙江省哈尔滨市，南抵辽宁省大连市，线路纵贯东北三省，是我国目前在最北端的严寒地区设计建设标准最高的高速铁路[1]。在冬季时由于天降大雪或线路周围覆盖大雪，列车高速运行时形成的列车风、列车底部和地面之间的强剪切流动以及转向架的扰动会将线路上积雪卷起来，扰动后的雪花在转向架区域流过，部分雪花在高速运动中和转向架结构相碰撞，导致积雪在转向架上黏附。转向架是连接高速列车空气动力及车轨动力的关键部分，当转向架上的积雪达到一定程度时，将降低减振系统、制动装置等作用效果，从而影响到高速列车的运行安全稳定性。转向架积雪问题成为高铁部门及相关高铁车辆制造公司亟待解决的问题之一，引起了高速列车国家的高度重视[2]。近年来，国内外相关学者针对高速列车转向架积雪问题，通过设定空气−连续相和雪花−离散相(Discrete Particle Model，简称DPM)等研究方法，分析转向架区域的流场特性和积雪成因。苗秀娟等[3]通过对高速列车底部流场研究，研究高速列车转向架区域积雪问题的原因，并提出转向架区域流场流动控制方法，有效减少进入转向架区域的气流，改善流场结构以减少冰雪堆积。WANG等[4−8]基于DPM方法，通过对CRH2高速动车组转向架区域流动特性、不同湍流模型结果对比、转向架区域边界优化等研究, 在净风场和两相流风洞实验中，验证数值仿真方法的正确性，分析高速动车组积雪结冰成因和可能堆积位置，归纳总结转向架区域积雪结冰机理，提出相应的优化方案并通过仿真计算验证优化方案的防积雪效果，完善了高速列车转向架区域积雪结冰研究和防治体系。Allian等[9]为研究雪在高速列车中的堆积机理，在气候风洞中进行多次试验以进行数值模拟的验证。冯永华[10]等人对不同运行速度下高寒车转向架区域速度场和压力场进行研究，分析高寒动车组转向架表面积雪成因。本文基于DPM方法，通过模拟高速动车组三车模型在明线上运行，比较数值仿真结果中转向架区域的流场和离散相粒子分布特性，分析高速动车组转向架区域积雪结冰成因，为今后的防治积雪结冰方案研究奠定基础。

1 数值仿真方法

1.1 计算模型

采用基于Realizable-湍流模型的三维、不可压缩和瞬态RANS方法研究的转向架区域的流动现象，并基于DPM方法，通过向空气中添加模拟雪花的粒子，模拟雪花在高速动车组转向架区域的运动和堆积情况。其中空气和雪粒子分别视为连续相和离散相且相互影响。控制方程及相关参数选取详见参考文献[11]。DPM离散相模型用于研究转向架区域中雪粒子的运动情况。根据牛顿第二定律和参考文献[12]，离散相粒子的运动方程参见参考文 献[13]。针对连续相和离散相，WANG[4]和XIE等[13]分别用大缩比模型进行净风场和离散相风洞试验，验证本数值仿真计算结果和风洞试验具有一定的一致性，故本研究中采用相同的数值仿真计算模型。

1.2 几何模型

目前，在我国现有铁路线上运行的动车组均为8车及以上的长编组。列车周围流场沿着鼻尖流动至车身一定距离(小于1辆车辆长度)后，列车周围的流场结构趋于稳定，缩短的模型并不改变列车周围流场基本特征，故计算模型采用3车编组，即头车+中车+尾车，头车和尾车配有两台拖车转向架，中车配有两台动车转向架，计算模型如图1所示。

本文着重研究高速动车组转向架区域的流场情况和雪粒子分布情况，精细化研究转向架表面的雪花分布情况，对车体和转向架模型进行简化。在省略制动管线等细小结构、调整间隙以适应网格划分的基础上，转向架保留了制动装置、制动盘、电机、齿轮箱等部件较为完整的细节，计算时重点关注这些发热部件，如图1(b)所示。

1.3 计算域、边界条件等参数设定

动车实际运行环境较为开阔，而数值仿真受到计算资源和规模限制，需建立足够大的计算域以使结果更为接近真实运行环境。建立的计算区域如图2所示。为了真实模拟转向架底部流场结构和特性，保证流场充分发展，选取列车车高为特征长度，设定列车中心距离前端入口边界距离为20，列车尾部区域则为40，计算域高度为10，同时横向方向上，迎风侧和背风侧均设定为10。通常高速列车的流场仿真采用相对运动原则，将实际运行环境中的地面固定、列车向前运动改为列车及转向架固定、地面和路堤向后运行，并给定列车前方为向后的气流，从而减小计算规模和节省计算资源。因此，面给定速度入口，来流速度为69.44 m/s；为压力出口，给定压力=0 Pa；前后2个侧面，和顶面为对称平面，虚拟增加计算区域；底面和路基为移动壁面，滑移速度与来流速度相同，为69.44 m/s。根据参考文献[14]，轮对旋转的壁面条件对车体流场分布的影响较小，可忽略不计，因此车体和转向架表面均设置为固定壁面。

(a) 三车编组模型；(b) 拖车转向架和动车转向架

图2 计算域

对于离散相，在头车前方底部建立与车等宽、高度介于路基和排障器之间的粒子发射面，每秒发射3 000个密度为916 kg/m3、直径为0.15 mm的模拟雪粒子。计算域各边界对于离散相的设定分为逃逸(Escape)、反射(Reflect)和捕捉(Trap)3种，其中，面，，，和为逃逸边界条件，即粒子触碰到上述边界，粒子的迭代将终止；车体、路基和面被设定为反射，法向和切向的反射系数设置为1.0；转向架各零部件表面设定为捕捉，即表面黏性设置为无穷大，粒子触碰即被捕捉并停止迭代，以黏附更多的雪粒子。

图3 (a)流场网格和(b)车体边界层网格

1.4 计算网格

采用3节高速动车组为计算模型，车体和转向架模型均在保留一定细节的前提下进行简化后，对整个计算域和物体表面进行网格离散。运用Open FOAM 5.0中的SnappyHexMesh网格离散工具进行离散以六面体网格为主的混合网格，车体物面网格为3.9 mm，转向架网格大小为4 mm，车体和转向架边界层为6层，路基轨道的边界层为4层，附面层网格厚度分别为0.39 mm和0.4 mm。车体和转向架周围进行空间加密，保证车体和转向架周围的流场计算准确。整个计算网格的单元数约为3 100万，流场局部网格和车体表面边界层如图3所示。

2 转向架区域非定常流场

2.1 速度场分析

为分析动车转向架以及拖车区域关键部件的空气绕流特性，在转向架轮对中心线、前后电机中心线、前后齿轮箱中心线处垂直于轴做切片。针对拖车转向架，在中间制动盘位置上做1个垂直于轴的切片(=0)，针对动车转向架，在制动装置、电机和齿轮箱位置做2个垂直于轴的切片。

如图4所示，为拖车转向架1，2，5和6的区域速度流线切片。其中转向架区域流速进行无量纲化，=/ref，为转向架流场的当地速度，ref为自由来流速度69.44 m/s。从图中可以看出，头车第1台拖车转向架区域内的空气流速最高，第2台转向架区域速度较低，第5台转向架底部气流速度最低，最后一台转向架底部气流的速度升高，与第2台转向架的气流速度接近。高速气流主要沿着转向架底部流过，其中部分底部气流从转向架中间和后侧向上运动至转向架上方区域，并向前运动，存在明显的回流现象。转向架上方气流除了部分气流在狭窄处略微加速，大部分气流速度较低，在制动盘、制动装置周围气流速度较低，存在复杂的空气漩涡。尤其是第1台和第2台转向架上方的低速气流速度依然有在10 m/s以上的分布，研究表面，当起动风速大于10.7 m/s时雪花会跟随气流运动[15]。所以这些气流中依然包含较多的雪花，极有可能在狭窄的位置附着在表面，形成积雪。同时，转向架底部的高速气流对制动盘和制动装置以及转向架构架的底部造成了冲刷，其中携带的大量雪粒子冲刷上述位置，尤其制动盘和制动装置表面在制动时会发热，雪花触碰将融化，在其表面形成液膜，后续雪花将不断黏附于此并不断积累。

图4 拖车流线切片

如图5所示，为动车转向架3和4的区域速度流线切片。整体气流速度相对较低，底部气流从转向架中部和后部上扬进入转向架上方区域并在转向架上方形成回流和低速漩涡，其中的雪花易附着于周围的转向架部件，尤其是电机、齿轮箱等发热部件表面，雪花在此融化，后续雪花逐渐积累形成严重积雪结冰。同时电机、齿轮箱等底部迎风侧受气流直接冲击，在表面发热的前提下依然存在积雪的可能。

2.2 压力场分析

图6是转向架以及转向架区域的压力分布情况，其中C为无量纲化压力系数，C=/0.52ref，为当地压强数值，为空气密度。由于转向架区域的空气流速较高，转向架1前部分表面的压力呈现出极低的负压，但是在转向架1的后半部分，尤其是后侧制动盘和制动夹钳的迎风侧呈现出明显的正压。在转向架2表面绝大多数均为正压；转向架3至5表面的也呈现出与转向架2表面相似的压力分布特点，由于气流速度沿着车体方向之间降低，导致正压面积分布也沿着车体方向逐渐降低。由于转向架6的区域的气流加速效应，转向架6表面呈现出极低的负压分布特征。正压区域是由于气流直接冲击在转向架表面所造成的，根据之前的分析可知，大量的雪粒子会脱离绕流流线，直接撞击并黏附在转向架表面并造成的积雪结冰现象。尤其是在转向架的正压区域内的积雪结冰较为严重。此外，由于转向架1区域的气流速度最高，气流对转向架的冲击也较为严重，转向架1的积雪量也是可观的。此外，拖车转向架的制动盘和制动夹钳以及动车转向架的齿轮箱体和牵引电机迎风面均处于较高的正压环境，发热元件的会将其表面积雪融化，在强冷环境下凝结成冰。尤其是拖车的制动盘高速转动会将表面的液态水甩至转向架区域关键部件，如车辆高度阀等，可能会对零部件功能造成不良影响。

图5 动车流线切片

图6 转向架表面压力分布

3 转向架离散相数值仿真分析

3.1 空间雪粒子浓度分布分析

如图7所示，为6个转向架空间离散相分布浓度切片图。总体来看，大部分雪花主要分布在转向架底部，部分粒子跟随气流从转向架底部上扬进入转向架上方，极有可能在速度较低处形成堆积。对于拖车转向架1和2，转向架底部有大量的雪花分布，尤其是在制动盘和制动装置周围，易对其底部造成严重积雪堆积情况。对动力转向架3和4，其底部的雪花浓度有所减少，但其空间依然分布较多的雪粒子，尤其转向架后方由于气流作用，大量雪花上扬至转向架上方区域，电机和齿轮箱周围有较高浓度的雪花粒子。对于拖车转向架5和6，其底部雪粒子浓度较少，空间粒子浓度也较少，转向架各部件堆积粒子数量相对于前面转向架减少。

图7 转向架空间雪花浓度分布

3.2 转向架表面积雪粒子数分析

表1和表2分别为拖车和动车转向架表面黏附的雪粒子数目统计。从表1中可以看出，拖车转向架表面的雪花黏附数量不断减少，其中，头车第1台转向架表面的雪粒子数最多，第2台、第5台、第6台转向架依次减少56.43%，95.42%和95.47%。同时各个零部件表面上的雪粒子黏附数量，制动装置和制动盘表面的雪粒子数量明显减少；头车2台转向架表面雪粒子数量差异较大，尾车2个转向架表面雪粒子数量差异较小。

表1 拖车转向架零部件表面粒子黏附数

表2分别为动车转向架表面的黏附的雪粒子数目统计。从表2可以看出，动车转向架表面的雪花黏附数量不断减少，其中，中间车第1台转向架表面的雪粒子数最多，第2台减少51.74%。同时各个零部件表面上的雪粒子黏附数量，第2台动车转向架电机和齿轮箱和制动装置表面的雪粒子数量明显减少。

表2 动车转向架零部件表面粒子黏附数

转向架区域流场中雪粒子主要重力和气动力的作用，而且雪粒子受到气动力与空气流速紧密相关。转向架上方区域的空气流速极低，雪粒子所受气动力趋近于零，因此雪粒子所受重力绝对占优，导致少量雪粒子在重力作用下落在转向架的上表面并形成少量积雪。雪粒子在惯性作用下会脱离气流并保持原方向继续运动。因此，当气流绕过牵引电机、齿轮箱和制动夹钳等发热元件时，雪粒子因惯性作用运动方向与气流产生分离，并在惯性力作用下直接冲向制动夹钳表面。雪粒子极易被夹钳表面的热量捕捉并在其表面迅速融化，液态水在寒冷天气中发生相变，在制动夹钳表面形成冰、水混合物。由于冰、水混合物的表面粗糙度和黏度均增大，对雪粒子的捕捉能力变得更强，导致制动夹钳表面的积雪结冰越来越多，尤其是在制动夹钳底部的滑槽产生大量积雪结冰会导致制动机构的产生运动阻滞，从而引发高速列车制动失效，严重威胁了高速列车运行安全。根据图6中制动夹钳表面底部压力分布情况可知，气流对后侧制动夹钳底部的冲刷作用强于前侧，因此不难推断，后侧制动夹钳底部的积雪结冰情况比前侧夹钳更为严重。

4 结论

1) 沿着列车运行方向，转向架区域的气流速度逐渐减小，较高速气流将携带雪花中转向架中部和后部折返到转向架上方区域，并在转向架狭窄区域形成低速漩涡。雪花在这些狭窄区域低速漩涡中将黏附于转向架表面。同时，转向架底部高速气流直接冲击转向架表面，形成积雪。

2) 转向架受冲击表面的正压数值及范围沿列车运行方向上不同的转向架而变化，同时整个转向架区域的气流速度的提高也导致转向架区域的负压数值及分布范围明显增加。

3) 大量的雪粒子主要集中在转向架下方区域运动，拖车转向架的积雪主要集中在制动盘、枕梁以及构架底部；动车转向架主要集中在电机、齿轮箱底部上。转向架下表面的积雪主要是大量的雪粒子跟随高速气流撞击在转向架的迎风侧并黏附于转向架表面造成的。

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Study on the snow issue in the bogie regions of the standard EMU with three cars based on DPM method

HAN Junchen1, SONG Chunyuan1, XU Fang1, GAO guangjun2, ZHANG Yan2, TIAN Zhen2

(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130062, China; 2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the snow issue in the bogie area of a high-speed EMU, the three-dimensional unsteady Reynolds-averaged Realizable-turbulence model and discrete phase model (DPM) were used to simulate the flow field and snow particle distribution in the bogie area of a simplified high-speed EMU. The results show that the high-speed airflow at the bottom of the bogie carries snow particles into the upper regions from the middle and rear of the bogie, forming some lower speed vortexes and thus the snow gradually accumulates in the narrow space. The windward surfaces of the bottom parts of bogie are directly impacted by the airflow, where exists obvious positive pressure. It is easy to form snow and ice on the surface of heating parts. In addition, along the train direction, the snow accumulation on the last three trailer bogies decrease by 56.43%, 95.42%, 95.47%, respectively, as compared to that on the first trailer bogie. The number of particles on the surface of the second motor bogie decreases by 51.74% compared with that of the first motor bogie.

high-speed EMU; bogie; snow and ice; DPM; numerical simulation

U271

A

1672 − 7029(2020)02 − 0280 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190551

2019−06−20

国家重点研发计划资助项目(2016YFB1200404-04)；高铁联合基金资助项目(U1534210)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ1003)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51605044)；湖南省自然科学基金青年基金资助项目(2016JJ3004)；中国铁路总公司科技研究开发计划(2017J003-F)

宋春元(1980−)，男，辽宁义县人，教授级高级工程师，从事转向架技术研究；E−mail：chunyuansong@163.com

(编辑 蒋学东)