高寒动车组槽型引流式结构的防积雪性能研究

高广军，刘操,，张琰，于尧，李健，王家斌,3

(1. 中南大学 重载快捷大功率电力机车全国重点实验室，湖南 长沙，410075；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；3. 中国空气动力研究与发展中心 结冰与防除冰重点实验室，四川 绵阳，621000)

截至2021 年12 月底，我国铁路运营总里程超过15 万km，可绕地球1 周。其中高速铁路已达4 万km，居世界首位。然而，有多种气象自然灾害如雪灾、飓风、泥石流等会直接影响铁路的运行安全，其中，雪灾对铁路运行安全的危害尤为严重[1]。随着我国多条高寒铁路如哈大高铁、京张高铁等相继开通，越来越多的高速列车需要在高寒风雪条件下长时间运行[2]。除了线路上的积雪结冰问题外，列车底部转向架区域极易发生严重积雪结冰现象，严重影响列车运行性能甚至危及行车安全，若得不到有效处理，则极有可能引发安全事故。高寒动车组在高寒丰雪地区高速度、长时间运行时，在列车底部高速强剪切、大分离气流作用下，环境中的积雪经过流场时会受到空气动力的裹挟而被卷入高速列车转向架区域，进而在转向架表面发生明显的撞击黏附作用[3]。同时，列车转向架一系悬挂和二系悬挂被积雪积冰覆盖时，减振部件运动受阻碍使列车振动加剧，极大地降低列车运行稳定性和乘员舒适性[4-5]。列车制动装置是高速行驶车辆减速停车、规避风险的重要保障，若制动系统产生严重冰雪积聚，则其工作可靠性将大大降低，导致列车制动距离延长，降低列车区间密度，甚至引发追尾冲突事故[6]。列车底部的制动夹钳、齿轮箱和牵引电机均为发热装置，黏附在其表面的雪花会迅速融化成水，显著增强转向架表面对雪粒的捕捉能力，加快转向架区域的雪粒积聚过程。在强对流散热效应下，雪粒融化成的水又迅速凝结成冰，致使转向架区域发生多相流动、多态转换的复杂演化过程。我国高寒高速铁路均为列车全线运行的长交路，列车在高寒丰雪环境下运行时间长，雪—水—冰复杂相变过程导致列车转向架区域大量冰雪积聚更加严重[7]。

为解决高寒高速列车转向架区域的严重积雪结冰问题，国内外研究者开展了大量研究。法国国铁公司以TVG 高速列车为模板开展了转向架积雪结冰数值模拟和风洞实验研究，探究了高寒高速列车底部转向架区域内的积雪分布情况[8-9]。北欧地区铁路发达国家多采用防雪栅栏[10]或使用各种发热融雪装置[11]来减少高寒高速列车冬季大雪环境下运行品质和行车安全保障问题。在国内，韩运动等[12]结合数值模拟和实车试验2种方法探究了转向架区域高速气流进出特性，并进一步推测了转向架区域雪粒运动特性。LIU等[13]采用商业软件STAR-CCM+对转向架区域风雪两相流动特性进行了研究，并获取了转向架区域的雪粒堆积分布规律。XIE等[14]采用雷诺时均方法研究了简化列车转向架区域内的流场特性，并通过离散相模型揭示了雪粒运动演化特性。蔡路等[15]采用拉格朗日模型追踪了转向架区域内雪粒运动轨迹，并分析了转向架表面的雪粒撞击分布规律。WANG 等[16]开展了缩比CRH2 列车转向架区域两相流风洞试验，试验中采用木屑替代雪粒，通过多重筛选和湿度调整使木屑尺寸和密度与真实雪粒保持一致，并采用高速摄影获取了木屑在转向架区域内的运动轨迹。

雪粒作为轻质细观离散颗粒，其运动轨迹与转向架区域内的空气流动特性紧密相关，因此，可基于流动控制原理，通过设计相关导流结构来优化转向架区域的强剪切流动特性，进而减少雪粒在转向架表面的黏附堆积。高速列车转向架区域缩比模型两相流试验结果表明[17]，在列车底部安装5.14°和10°导流槽结构对降低转向架区域的积雪分布效果明显。鉴于两相流试验的复杂性和数据采集较困难，两相流试验中仅采用高速摄影获取单个1/4缩比简化转向架区域及部件表面粒子分布特征，导致人们对5.14°和10°导流槽结构对转向架区域风雪运动特性影响机理尚不清楚，且5.14°和10°导流槽结构对提升真实列车转向架区域的适应性仍需进一步探讨。为此，本文以三车编组全比例真实高寒高速列车模型为基础，对5.14°和10°导流槽结构的防转向架积雪性能开展数值仿真研究，以探明5.14°和10°导流槽结构对转向架区域防冰雪性能的影响机理，为今后高寒高速列车底部槽型引流式防积雪结构设计提供理论依据。

1 数值模拟设置

1.1 数学模型

采用非定常雷诺时均方法(URANS)与离散相模型(DPM)对高寒高速列车转向架区域的空气流动特性和雪粒运动特性进行仿真研究。雷诺时均方法在列车空气动力学领域得到广泛应用，可在计算成本与计算精确度两者之间达到良好平衡[17]。基于Realizablek-ε湍流模型的非定常雷诺时均方法可以精确模拟流线具有较大弯曲程度的空气流动及转向架区域复杂的流场结构。非定常雷诺时均方法中Realizablek-ε湍流模型的湍流脉动动能k和湍流耗散率ε输运方程见文献[18]。本文使用DPM 离散相模型模拟雪粒时，忽略Basset 力、虚假质量力等对转向架区域内雪粒运动几乎无影响的外力，主要考虑雪粒的曳力与重力作用，得到雪粒受力平衡微分方程，分别如式(1)、(2)和(3)所示。

其中：u为空气流动速度；up为雪粒速度；dp为粒子直径，dp=0.15 mm；ρp为粒子密度，ρp=250 kg/m3；g为重力加速度量；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；μt为湍流黏性系数；ρ为空气密度；μ为动力黏度。选取环境温度为-30 ℃，对应的空气密度ρ和动力黏度μ取值分别为1.453 kg/m3和1.57×10-5Pa·s。

1.2 几何模型

列车模型由头车、中车和尾车3节车组成，模型中包含风挡和转向架结构。由于本文主要考虑列车底部及转向架区域内的风雪运动特性，而受电弓、空调等车顶结构对车底风雪运动特性的影响可忽略不计，且受电弓和空调出风口细微结构会导致计算网格数量和模拟成本显著增加，因此，本文列车模型忽略了受电弓、空调等顶部结构。槽型引流防积雪结构的几何外形及其安装位置如图1所示。选取列车高度H=3.7 m为风雪两相流数值模拟中的特征长度，量纲一的列车长度(L)和宽度(W)分别为20.6H和0.91H。为了探究槽型引流防积雪结构对高寒高速列车转向架区域积雪的影响，必须保留转向架的复杂结构，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，但考虑到计算网格划分的便利性，将转向架各种线路、管路等细微结构进行了简化处理。为提升高寒高速列车在运行时转向架区域的防积雪性能，提出了5.14°和10°这2种槽型引流防积雪结构。由于高速列车多双向运行，需在转向架前后都安装导流装置，但受排障器特殊几何结构影响，在转向架1上游和转向架6下游未安装导流槽结构。

图1 槽型引流防积雪结构的几何外形及其安装位置Fig. 1 Geometric shape and installation position of diversion-slot anti-snow structure

1.3 计算域及边界条件

风雪两相流数值模拟计算域以及相关的边界条件如图2(a)所示。其中，x、y、z为笛卡尔坐标系的3个方向，分别为流向、展向、法向。将均匀流速的速度入口来流风速幅值设置为Uinf=55.56 m/s，计算域出口压力需选取为零压力出口(P=0 Pa)。计算域的侧面和顶面设置为对称平面，运用镜像方法将计算域虚拟扩大。由于列车运行时与地面存在相对运动，将列车模型设置为静止壁面，路基和地面为运动壁面，赋予路基和地面与来流速度一样的运动速度Uwall，且Uwall=Uinf=55.56 m/s。

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

本文主要探究槽型引流防积雪结构对高速列车转向架区域风雪特性的影响，因此，将路基、轨道和列车表面属性设置为可对雪粒发生反射，以保证更多的雪粒进入转向架区域。计算域的其他边界属性设置为雪粒逃逸，而将设备舱端板和转向架上重要部件如制动夹钳、齿轮箱、构架等表面属性均设置可对雪粒进行捕捉。两相流数值模拟采用的是以六面体为主的笛卡尔混合网格，如图2(b)所示。在高速列车的表面和车底转向架区域均设置15 层棱柱层网格，从而精确获得边界层内的空气流动特性。为保证与六面体网格平滑过渡，设置法向增长率为1.2。列车模型物面网格法向量纲一厚度边长n+=45，流向网格量纲一尺寸∆l+=450，展向网格量纲一边长∆s+=450。WANG等[19]发现，继续增加此网格分辨率对提高模拟风雪运动规律精确度的影响很小，考虑到计算精度和计算资源的平衡，此网格分辨率可用于高速列车底部风雪两相流运动仿真。

1.4 求解参数设置及算法验证

采用商用软件ANSYS Fluent 对高寒高速列车转向架区域风雪两相流进行数值模拟。数值模拟基于压力求解器完成，对流项采用二阶迎风格式进行离散，通过SIMPLEC算法耦合压力-速度场，采用有限体积法将偏微分方程离散为网格单元节点上的代数方程组。风雪两相流中的空气相和雪相设置为双向耦合，即空气相的流动状态能改变雪粒的运动轨迹，雪粒亦能根据自身运动状态对流场产生相应反馈。为了准确得到高寒高速列车运行时的风雪特性，采用收敛的RANS仿真计算结果对列车周围尤其是转向架区域流场进行初始化处理。随后，在数值模拟中加入雪粒相，发射面在1 个时间步内共发射3 600 个模拟雪粒进入计算域，雪粒喷入计算区域的同时启动的采样统计，并进行平均处理。风雪两相流仿真模拟计算共持续3.0 s。为满足库朗数要求，将每一步的时间步长设置为∆t=0.000 1 s，可使计算域中网格库朗数几乎均小于1.0，且列车鼻尖和排障器底部等高速区的最大库朗数也低于3.0。为确保风雪两相流数值模拟精度，在每个时间步内进行30 次内迭代，以保证残差达到预设收敛要求。本文共设计3种工况进行数值仿真，工况一为原始三车编组，工况二为5.14°导流槽结构三车编组，工况三为10°导流槽结构三车编组。

结合高速列车转向架区域净流场风洞和两相流风洞试验结果对采用的数值模拟方法的正确性进行验证。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开口环境风洞的高速试验段进行[20]。风洞高速试验段的三维尺寸(长度×宽度×高度)为3.4 m×1.0 m×0.8 m。试验风洞流场稳定且品质较高，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工作。为了更好地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采用木屑代替风雪环境下的雪粒。通过对木屑的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。风雪两相流数值模拟方法与风洞试验对比验证如图3所示。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能准确捕捉到积雪在转向架关键部件表面的分布特性，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，可用于研究高速列车转向架区域积雪问题[21-22]。

图3 风雪两相流数值模拟方法与风洞试验对比实验Fig. 3 Comparison experiment of numerical simulation methods and wind tunnel tests for wind and snow two-phase flow

2 槽型引流防积雪结构对转向架区域空气流动特性的影响

转向架区域和底部区域流场采样线位置分布如图4 所示，X1、X2 为x方向上的采样线，Z1～Z12 为z方向上的采样线且均位于几何中心平面(y/W=0)。槽型引流结构对转向架区域内空气流向速度uˉ分布的影响如图5 所示。由图5 中空气流速可知：车底高速气流在流经转向架腔前部设备舱端板底部时会发生猛烈的强剪切气流分离现象，剪切层的存在导致转向架区域内的空气流速呈现明显的分层特点，在路基顶面和车底之间的空气流速较高，而在转向架腔体内部的流向空气速度极低。由于转向架1上游并未安装槽型引流防积雪结构，在3种工况下，转向架入口位置的气流流向速度分布保持一致；当空气流动至转向架2区域内时，3种工况下转向架区域内流向空气流速差异较大。槽型引流防积雪结构除增加列车底部气流的负向垂向动能外，还降低了气流的流向动能。相比于原始工况，安装了槽型的引流防积雪结构明显降低了转向架区域内的气流流向速度，且10°导流槽工况中的流向气流速度最低；此外，槽型引流防积雪结构降低了车底和路基之间的流向气流速度，对端板附近空气流向速度的影响可忽略不计。

图4 高速列车转向架区域和底部区域流场采样线位置分布Fig. 4 Location distribution of flow field sampling line in bogie area and bottom area of high-speed train

图5 槽型引流防积雪结构对转向架区域内流向空气速度分布的影响Fig. 5 Influence of diversion-slot anti-snow structure on flow direction air velocity distribution in bogie area

对导流槽防积雪结构对列车底部垂向空气速度分布的影响进行定量分析，结果如图6 所示。从图6可见：整体上，转向架区域的垂向速度波动幅值沿列车长度方向逐渐降低，仅在尾车流线型部位转向架下方呈现出较强的负值垂向速度分布；相比于原始高寒动车组底部垂向气流速度分布，在安装5.14°和10°导流槽后，除转向架1及其上游区域外，列车底部的垂向气流速度的波动幅值明显比原始工况下的低，且10°导流槽工况下的气流垂向速度波动幅值最低，显著抑制了气流携带雪粒在转向架下方的上扬趋势，进而有效降低了风雪流对转向架底面的冲击作用以及进入转向架上方区域的悬浮雪粒数量，从而有效减少了附着在转向架底面和顶面的雪粒数量。

图6 槽型引流防积雪结构对列车底部垂向空气速度分布的影响Fig. 6 Influence of diversion-slot anti-snow structure on vertical air velocity distribution at the bottom of train

为分析槽型引流防积雪结构对列车底部空气流动特性的影响，在转向架区域内截取6个流向切片以分析转向架区域主要发热部件处的流场特性。6 个切片的具体截取位置见图7，槽型引流防积雪结构对转向架2区域内空气流动趋势的影响见图8。虽然导流槽结构没有改变转向架上游剪切层的发生高度，但促使剪切层提前出现，使得导流槽工况中的剪切层具有更长的发展距离。另外，导流槽内的流动分离结构会将剪切层向下排挤，且导流角度越大，导流槽内的分离结构尺度越大，剪切层在转向架入口位置的高度越低，因此，10°导流槽结构明显减小了转向架入口位置的气流运动方向，进而有效降低了转向架下方高速气流的垂向分布范围，有效避免了车底高速气流对转向架主要发热部件的冲击作用。同时，10°导流槽防积雪结构还明显抑制了气流在转向架中间区域和后端板位置的向上爬升运动，对减少转向架上方区域内的悬浮雪粒数量具有明显效果。10°导流槽结构还增强了转向架上方区域内空气流通的顺畅性，极大减小了原始工况内转向架上方的低速空气漩涡结构数量，有助于转向架上方悬浮雪粒流出转向架腔体区域。

图7 转向架区域流场切片位置Fig. 7 Location of flow field slice in bogie area

图8 槽型引流防积雪结构对转向架2区域空气流动趋势的影响Fig. 8 Influence of diversion-slot anti-snow structure on air flow trend in bogie 2 area

3种工况下的列车底部空间压力分布见图9(图中，Cp为压力系数)。从图9 可见：相比于原始工况，安装导流槽结构有效降低了转向架区域内的空间压力波动幅值，使得转向架区域内的压力分布更加平稳；同时，导流槽结构明显降低了列车底部压力峰峰值，且导流槽结构偏转角度越大，头车鼻尖下方的压力峰峰值越低，进而有效缓解了道床上沉积雪粒因头车排障器下方的极强负压分布而卷入列车底部流场内的速率，从而有助于减小转向架区域的雪粒数量。

图9 槽型引流防积雪结构对列车底部空间压力分布的影响Fig.9 Influence of diversion-slot anti-snow structure on spatial pressure distribution at the bottom of train

3 槽型引流防积雪结构对转向架区域雪粒运动及积雪分布的影响

由图5可知，导流槽结构大幅度降低了气流的流向速度分布，从而降低了雪粒流向速度分布。导流槽结构对列车底部雪粒时空运动状态的影响见图10(图中，为雪粒垂向速度)。从图10可见：导流槽结构显著降低了转向架区域内的正向雪粒垂向速度幅值及其波动程度，证明导流槽结构有效提升了雪粒在转向架下方的垂向运动平稳程度；在转向架腔两侧安装导流槽结构明显抑制了雪粒在转向架区域内的上扬运动，在有效缓解雪粒对转向架底面的冲击作用的同时，还能在一定程度上减少转向架上方区域的悬浮雪粒数量，有效减小转向架表面的积雪分布范围；此外，导流槽结构在一定程度上影响了列车近尾流区域内雪粒垂向速度分布，但尾流区内雪粒垂向速度始终为负值，证明高寒动车组安装导流槽结构并不会加剧列车尾部现象的“雪烟”现象。3种工况下转向架区域内雪粒流向速度分布如图11 所示。从图11可见：在3种工况下，转向架腔体内端板附近的雪粒流向速度几乎相同，与图5中空气流向速度分布特征表现一致，但导流槽结构对车底和路基之间的雪粒流向速度分布产生了明显影响，且导流角度越大，雪粒流向速度越低。这是因为车底和路基之间空气流速较高，雪粒在跟随性的作用下将紧随高速气流运动。

图10 槽型引流防积雪结构对雪粒时空运动状态的影响Fig. 10 Effect of diversion-slot anti-snow structure on temporal and spatial motion of snow particles

图11 槽型引流防积雪结构对转向架区域内雪粒流向速度分布的影响Fig. 11 Influence of diversion-slot anti-snow structure on velocity distribution of snow particles in bogie area

槽型引流防积雪结构对转向架2区域内雪粒浓度空间分布的影响见图12。从图12 可知：导流槽结构显著改变了雪粒在转向架入口位置的运动轨迹，有效降低了转向架区域内的高浓度雪粒的垂向分布范围，尤其是降低了在牵引电机、齿轮箱、制动夹钳等转向架关键发热部件周围的雪粒浓度，进而有效抑制转向架关键部件表面的雪粒黏附堆积和相变覆冰过程。此外，10°导流槽结构有效抑制了雪粒在运动到转向架中部和底部时的上扬翻涌趋势，进而有效降低了转向架上方悬浮雪粒数量，减少了转向架顶面的沉积雪粒数量。

图12 槽型引流防积雪结构对转向架2区域内雪粒浓度分布的影响Fig. 12 Influence of diversion-slot anti-snow structure on snow particle concentration distribution in bogie 2 area

槽型引流防积雪结构对转向架2表面积雪分布的影响见图13。从图13 可见：相比于原始工况，导流槽结构将转向架入口位置的雪粒导向地面，有效缓解了雪粒对转向架前侧结构造成的猛烈冲刷作用，进而有效减小了前侧牵引电机、齿轮箱和构架表面的积雪分布范围；此外，导流槽结构明显降低了高浓度雪粒的垂向分布范围，抑制了风雪流在转向架中间区域的上扬运动，缓解了雪粒在后侧转向架迎风面造成的撞击和黏附作用，从而有效减少了堆积在中心销、后侧电机吊座以及后侧构架表面的积雪分布；导流槽结构有效减少了从转向架中间区域和后端板位置进入转向架上方区域内的雪粒数量，因此，明显减少了转向架上表面的积雪分布范围；导流槽的防积雪性能随着导流角度的增加而增强，相比于5.14°导流槽结构，10°导流槽工况内的雪粒浓度在转向架重要部件周围的分布明显较低，并在转向架表面造成积雪分布更小。

图13 槽型引流防积雪结构对转向架2表面积雪分布的影响Fig. 13 Influence of diversion-slot anti-snow structure on snow distribution on bogie 2 surface area

转向架2区域内不同工况时的各个发热部件在120.6Tinf～128Tinf时间间隔内所捕获的积雪质量和列车各转向架积雪质量分别见图14(a)和图14(b)，其中，量纲一时间Tinf表示气流流经转向架舱前后端板所需要的时间。以往研究结论表明：在风雪两相流模拟中时间达到量纲一时间106Tinf后，在7.4Tinf时，高速列车转向架区域内的积雪质量基本保持稳定，因此，本文选取120.6Tinf～128Tinf时间内的雪粒堆积质量作为槽型引流结构防雪性能的横向比较依据[20]。从图14(a)可见：相比于原始工况，5.14°导流槽结构将转向架2 构架、牵引电机、齿轮箱以及制动夹钳的表面积雪质量分别降低了18.5%、17.2%、15.8%和17.5%，10°导流槽工况下转向架2 关键部件的表面积雪质量分别降低了38.5%、35.3%、33.4%和39.1%。从图14(b)可以发现：由于头车排障器下方并未安装导流槽装置，故转向架1表面的积雪质量几乎保持不变，但导流槽结构显著降低了下游转向架表面积雪质量，且角度越大的导流槽具有更好的防积雪效果；相比于原始工况，10°导流槽结构将转向架2、3、4、5 和6表面积雪质量分别降低了36.8%、30.2%、28.6%、24.6%和16.4%；5.14°和10°导流槽防积雪结构分别使HST-3转向架表面的积雪总质量降低了19.6%和28.3%。综上所述，安装10°导流槽防积雪结构可有效缓解列车转向架区域的积雪情况。

图14 槽型引流防积雪结构对列车转向架表面积雪质量的影响Fig. 14 Influence of diversion-slot anti-snow structure on snow quality of train bogie surface area

4 结论

1) 槽型引流防积雪结构促使剪切层提前出现并具有更长的发展距离，减少了转向架腔体内部低速空气漩涡结构数量，高寒高速列车风雪流动控制结构可以改变车底剪切层空间分布特性。

2) 槽型引流防积雪结构明显降低了列车底部压力峰峰值，且导流角度越大，头车鼻尖下方的压力峰峰值越低，有效减小了排障器下方强压力波动作用将道床顶面沉积雪粒卷入列车底部流场的速度。

3) 槽型引流防积雪结构主要降低了车底和路基之间的风雪流向运动速度，抑制了列车底部的风雪流垂向速度波动幅值，缓解了风雪流对转向架结构的猛烈冲刷作用并减少了转向架上方悬浮雪粒数量。

4) 槽型引流防积雪结构有效降低转向架关键发热部件周围以及转向架上方区域的雪粒浓度，进而有效削弱了高浓度雪粒在转向架底面的撞击黏附以及低浓度雪粒在转向架顶面的下落沉积作用。

5) 相比于5.14°槽型引流结构，10°槽型引流结构的防积雪性能更优，可将3车编组高寒动车组转向架积雪总质量降低28.3%，并分别使转向架2、3、4、5 和6 表面积雪质量降低36.8%、30.2%、28.6%、24.6%和16.4%。

6) 本文研究工作主要基于3车编组高速列车模型开展，就转向架区域空气流动和雪粒积聚特性而言，短编列车与8 车编组或重联16 车编组的长编高速列车存在一定差异。下一步将深入研究长编高速列车底部风雪运动时空演化规律，并针对槽型引流结构对长编高速列车转向架区域防积雪适应性进行探讨。