列车人工气候室飘雪过程冰雪粒子运动特性模拟研究

田忠浩 梁士民 张泽群 胡松涛 肖 健 张 君

(1 青岛理工大学环境与市政工程学院 青岛 266520；2 中车株洲电力机车有限公司 株洲 412000；3 青岛地铁集团有限公司 青岛 266520)

列车在长途行驶过程中，由于地域跨度较大，将面临复杂多变气候，其中暴风雪天气对列车的安全行驶影响最为严重，风吹雪会降低司机视野能见度，极易导致列车运行事故。为了预防此类事故的发生[1-2]，国际标准规范CEN-TR 16251[3]中提出需要对列车进行飘雪实验。因此，列车投运前需在人工环境室通过模拟的自然飘雪过程，检验列车在行驶过程中抵御风吹雪影响的能力。

目前，国内外针对冰雪颗粒运动机理的研究大多集中于自然环境[4-6]及风洞实验条件下[7-9]，冰雪颗粒的运动特性研究均表明粒径[10-11]、风速[12-14]、密度[15-16]和温度[17-19]等因素是影响雪粒运动轨迹的关键。然而，针对列车人工气候室环境下飘雪过程研究较少，尤其在气候室出风和飘雪设备飘雪的多流体耦合影响下的冰雪粒子运动特性尚不清晰，因此，亟待开展列车人工气候室条件下飘雪过程冰雪粒子运动特性研究，为列车人工气候室飘雪实验提供技术支持。在CEN-TR 16251规范中并未明确飘雪实施细则，且受人工室气流和飘雪设备气流耦合影响，导致人工环境室飘雪均匀性效果不佳。

本文依托某机车厂列车人工气候实验室，采用数值模拟的方法，研究列车人工气候室飘雪过程冰雪粒子运动特性，建立综合多参数的冰雪粒子运动轨迹预测模型，研究结果可为列车气候室飘雪实验方案的实施提供技术支持。

1 数值模型建立

1)列车人工气候实验室物理模型

依托某机车厂列车人工气候模拟实验室(以下简称气候室)，建立物理模型，如图1所示，主要包括气候室试验仓、人工气候室送风格栅、太阳能辐射灯、主辅造雪平台和回风口等，详细技术参数如表1所示。

图1 列车人工气候实验室物理模型Fig.1 Physical model of train artificial climate laboratory

表1 物理模型详细技术参数Tab.1 Detailed technical parameters of the physical model

2)网格划分及边界条件

采用非结构化网格对三维立体模型进行网格划分，如图2所示，网格总数约为2 300 000，网格最小尺寸为0.05 m。

图2 物理模型非结构化网格Fig.2 Physical model unstructured grid

3)计算方法及模拟工况

采用三维不可压缩的标准k-ε瞬态湍流方程，求解气候室内湍流流动现象[20]。通过主辅造雪平台释放冰雪粒子，模拟飘雪过程冰雪粒子运动特性，冰雪粒子的运动选取欧拉-拉格朗日方法的气液两相流DPM模型[21]。对于列车人工气候实验室内速度场和压力场的相互耦合，采用SIMPLE算法[22-25]，该算法可以满足三维空间内冰雪粒子运动规律。

为了准确探究整车人工气候室飘雪过程冰雪粒子运动特性，综合考虑冰雪粒子直径D、初速度v0、气候室温度T和气候室送风风速v等关键因素，设计工况如表2所示。模型中人工气候室送风格栅设置为速度入口，风速范围为0～7.93 m/s。主辅造雪平台出雪口也设置为速度入口，风速范围为0～7.82 m/s，回风口设置为自由出流，主辅造雪平台壁面、太阳能辐射灯及灯架、人工气候室壁面均设置为无滑移壁面，具体信息如表3所示。此外，主辅造雪平台造雪量为0.011 kg/s，冰雪粒子温度为-10 ℃。

表2 模拟工况Tab.2 Simulation conditions

表3 模型边界条件及属性信息Tab.3 Model boundary conditions and attribute information

2 数值模拟结果与验证

2.1 数值模拟结果的验证

为了验证数值模拟的可靠性，在原型实验平台针对模拟工况条件进行结果验证实验。

测点布置如图3所示，在图中标记位置分别布置4个风速测点和温度测点，其中风速测点采用6006型热式风速仪(测量范围：0.01～20.00 m/s，测量精度：±0.05 m/s)，每隔10 min记录一次风速，最终取该测点的平均值。温度测点采用Pt100(测量范围：-50～150 ℃，测量精度：±0.1 ℃)，逐时记录温度波动，测量时间为1 h，为了更加准确的表示温度真值，最终各测点温度采用平均值。

图3 测点布置图Fig.3 Side point layout distribution map

测点位置风速的测试值和模拟值对比结果如图4(a)所示，测试值和模拟值误差均在-9.66%～9.97%之间。图4(b)为1 h内温度为-5 ℃工况下各测点温度的模拟值与测试值对比，测试值和模拟值误差均在-5.66%～8.23%之间。可知测试结果表明温度和速度的相对误差率均符合±10%以内，模拟条件下的结果是可信的。

图4 模拟工况条件下不同测点的模拟值与测试值对比Fig.4 Comparison of simulated and measured values at different measuring points under simulated working conditions

2.2 数值模拟结果与分析

为了研究列车人工气候模拟实验室条件下飘雪过程冰雪粒子运动特性，针对不同冰雪粒子直径、初速度、气候室温度和气候室送风风速等条件分别进行数值模拟。

不同粒径下气候室内冰雪粒子的运动轨迹如图5(a)所示。粒径为1.6 mm的冰雪粒子运动轨迹呈现出明显“上下两束”的分层形态，而粒径为2.4 mm和3.2 mm的运动轨迹则表现为相对集中的一束流体。同时可以看到，轨迹的斜率随着粒径的增大而增大，且落点的平均位置到主/辅造雪设备出雪口的倾斜角度分别近似为25.2°、36.6°、46.1°。此外，随着粒径的增大，冰雪粒子在气候室地面的落雪区域逐渐缩小，覆雪面积分别达到了24.90、6.87、6.69 m2，且落雪区域中心位置逐渐靠近主/辅造雪平台，落点的平均位置到主/辅造雪平台的底部平均距离依次为6.51、4.13、2.95 m。综上分析，冰雪粒子直径增大1倍，倾斜角增大82.9%，落雪面积减少73.1%，落雪距离缩短54.7%。

图5 人工气候实验室内冰雪粒子的运动轨迹的数值模拟结果Fig.5 Numerical simulation results of the trajectory of ice and snow particles in the artificial climate laboratory

不同初始风速下冰雪粒子的运动轨迹如图5(b)所示。初始风速为4.67 m/s的冰雪粒子运动轨迹呈现出明显“主次分明”的多束流形态，而初始风速为6.26 m/s和7.82 m/s的运动轨迹则表现为相对集中的一束流体。同时可以看到，轨迹的斜率几乎无变化，且落点的平均位置到主/辅造雪设备出雪口的倾斜角度分别近似为36.1°、36.6°、7.9°。此外，随着初始风速的增大，冰雪粒子在气候室地面的落雪区域逐渐缩小，覆雪面积分别达到17.50、6.87、6.43 m2，且落雪区域中心位置距主/辅造雪平台的距离相近，落点的平均位置到主/辅造雪平台的底部平均距离依次为4.21、4.13、3.94 m。综上分析，冰雪粒子初始风速增大67.5%，倾斜角增大5%，落雪面积减少63.3%，落雪距离缩短6.41%。

不同气候室风速下冰雪粒子的运动轨迹如图5(c)所示。气候室风速为6.00 m/s的冰雪粒子运动轨迹呈现出明显“星飞云散”的零乱形态，而气候室风速为1.98 m/s和3.97 m/s的运动轨迹则表现为相对集中的一束流体。同时可以看到，轨迹的斜率随着气候室风速的增大而减小，且落点的平均位置到主/辅造雪设备出雪口的倾斜角度分别近似为65.5°、36.6°、21.4°。此外，随着气候室风速的增大，冰雪粒子在气候室地面的落雪区域逐渐增大，覆雪面积分别达到5.84、6.87、34.5 m2，且落雪区域中心位置逐渐远离主/辅造雪平台，落点的平均位置到主/辅造雪平台的底部平均距离依次为1.40、4.13、7.83 m。综上分析，人工气候室风速增大约2倍，倾斜角减小67.3%，落雪面积增大约500%，落雪距离延长约460%。

不同气候室温度下冰雪粒子的运动轨迹如图5(d)所示。冰雪粒子运动轨迹无明显差异，且运动轨迹则一致表现为相对集中的一束流体。同时可以看到，轨迹的斜率不随着气候室温度降低而变化，且落点的平均位置到主/辅造雪设备出雪口的倾斜角度均近似为36.6°。此外，随着气候室温度的降低，冰雪粒子在气候室地面的落雪区域大同小异，覆雪面积均达到6.87 m2，且落点的平均位置到主/辅造雪平台的底部的平均距离为4.13 m。

3 多参数耦合下冰雪粒子运动轨迹预测模型与验证

综合上述分析，根据模拟结果明确了冰雪粒径、初始风速和人工气候室风速等是影响冰雪粒子运动特性的关键因素。多参数耦合条件下冰雪粒子的模拟结果如表4所示。为了有效表征冰雪粒径、冰雪粒子初始风速和人工气候室风速等因素耦合影响下的运动轨迹，依据上述结果进行拟合，建立冰雪粒径、冰雪粒子初始风速和人工气候室风速等参数耦合下的预测模型，分别如式(1)～式(3)所示，相关系数R2依次分别达到了0.98、0.96和0.83，拟合度较高。该模型适用范围：冰雪粒子粒径0～3.2 mm、初始风速0～7.82 m/s、气候室风速0～6.00 m/s和气候室温度处于0 ℃以下环境。

表4 多参数耦合条件下冰雪粒子的模拟结果Tab.4 Simulation results of ice and snow particles under multi-parameter coupling conditions

L=3.93-2.23D-0.08v0+1.6v

(1)

θ=arctan(1.28-0.73D-0.03v0+0.52v)

(2)

S=35.47-1.14D-3.51v0+7.15v

(3)

式中：L为冰雪粒子落雪区域中心位置到主/辅造雪平台的距离，m；S为冰雪粒子平均落雪区域面积，m2；θ为落点的平均位置到主/辅造雪设备出雪口的倾斜角度，(°)；D为冰雪粒子直径，mm;v0为冰雪粒子初始风速，m/s;v为人工气候室风速，m/s。

为了揭示该模型的准确性，依据模拟条件设置4个工况(工况2、工况4、工况6和工况7)进行测试，研究多参数耦合下冰雪粒子运动轨迹预测的适用性。不同模拟工况条件下L和S的模拟值与测试值对比如图6所示。由图6可知，两种结果下L的偏差均在-0.26～0.71 m之间，相对误差均在-4.2%～8.3%之间；S的偏差均在-2.09～1.52 m2之间，相对误差均在-9.2%～8.6%之间。

图6 不同模拟工况条件下L和S的模拟值与测试值对比Fig.6 Comparison of simulated and measured values of L and S under different simulated conditions

4 结论

本文依托某机车厂列车人工气候实验室，采用数值模拟方法，研究了列车人工气候室环境下飘雪过程冰雪粒子运动特性，得到如下结论：

1)气候室内影响冰雪粒子运动特性的关键因素为冰雪粒子粒径、初始风速和人工气候室风速等。当冰雪粒径从1.6 mm增至3.2 mm时，轨迹倾角增大82.9%，落雪面积减少73.1%，落雪距离缩短54.7%。；初始风速从4.67 m/s增至7.82 m/s时，轨迹倾角增大5%，落雪面积减少63.3%，落雪距离缩短6.41%；当气候室风速从1.98 m/s增至6.00 m/s时，轨迹倾角减小67.3%，落雪面积增大约500%，落雪距离延长约460%。同时结果表明，人工气候室温度的变化对冰雪粒子运动轨迹的无影响。

2)根据耦合冰雪粒子粒径、初始风速和人工气候室风速等参数，建立了漂浮距离、落雪区域及轨迹斜率等表征冰雪粒子运动轨迹的特征参数计算模型，可准确预测冰雪粒子运动特性，该模型适用范围：冰雪粒子粒径0～3.2 mm、初始风速0～7.82 m/s、气候室风速0～6.00 m/s。