高速動車組轉向架積雪特性數值仿真及優(yōu)化設計

王東屏，尤 明，范 軍，斯 琴, 劉高峰, 董華軍

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；3.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

隨著列車運行速度的不斷提高，列車與空氣的相互作用變得十分的強烈[1]。在動車組運行過程中，轉向架裸露在空氣中，由于轉向架結構復雜，氣流繞轉向架流動，形成各種漩渦。在高速動車組近地面空間形成一個較為復雜的流場，該流場產生的作用力直接作用在轉向架上。在大雪天氣中，雪花會隨轉向架周圍壓力的負壓而被帶到轉向架內部，冰晶顆粒也容易在此堆積。隨空氣流進入轉向架的固體雪花冰顆粒撞擊到轉向架部件表面上時，會吸收熱量熔解成液態(tài)水，在一定的條件下，這些液態(tài)水會在表面凝固成冰，因此，在轉向架中產生結冰現象。轉向架關鍵部件積冰現象嚴重，安全性和平穩(wěn)性降低，使動車組行車安全存在隱患[2]，也影響轉向架的維護與檢修，而且在檢修時間緊的情況下，除冰非常困難，因此高速動車轉向架積冰問題亟待解決。

國內外學者利用數值模擬方法，對高速列車轉向架的氣動性能進行了研究。文獻[3]通過對日本新干線多種車型的研究，得出了安裝轉向架區(qū)域整流裝置對動車組周圍流場空氣動力學的影響。文獻[4]利用風洞試驗的方法檢測ETR500型列車明線運行參數，得出了轉向架整流裝置可以減小列車高速運行的氣動阻力。文獻[5]數值計算了CRH型動車組的抗橫風效應，重點研究了轉向架的瞬態(tài)空氣動力學特性，分析得出轉向架的氣動載荷以及周圍的流場分布。文獻[6]通過研究動車組以不同速度在有、無側風工況下，裙板的安裝位置對列車轉向架周邊以及整車空氣流動性能的影響，得出了頭尾車一位端轉向架處安裝裙板可減小列車氣動阻力的結論。文獻[7]對350 km/h動車組明線運行進行了數值分析，得出通過添加側向裙板的措施可降低列車的運行阻力，并描述了添加裙板后轉向架底部空間的流場分布特征。

風雪流是空氣攜帶有黏性雪花顆粒運行的非典型氣固兩相流[8]。有關風雪運動的數值模擬始于20世紀90年代。文獻[9]通過數值模擬方法對非恒定風場中的運動進行了模擬，給出了非恒定風場對風雪流的影響因素。文獻[10]模擬了防雪柵欄后雪粒的堆積過程以及堆積形式，給出了積雪形成條件。文獻[11]采用兩方程模型研究了風導向板對風雪流的影響，并給出了風導向板在控制雪堆積方面的應用。文獻[12]結合試驗現場采集的數據，討論了鐵路試驗段內雪粒的運動狀態(tài)和堆積物理模型，利用Fluent數值模擬了不同路基斷面的風速場。文獻[13]討論了在不同的溫度、積雪時間以及雪粒粒徑條件下，雪顆粒的起動摩阻風速的不同，給出了風雪運動的基本規(guī)律。

目前，關于降雪對交通工具影響的研究并不多。文獻[14]通過搭建風筒試驗臺，模擬暴風雨雪等惡劣氣候條件對新型列車各關鍵部件的功能與安全性指標的影響，為實際運營、降低故障發(fā)生率提供一定依據。為了減緩轉向架周圍設備艙導流罩附近存在冰雪堆積的問題，文獻[15]優(yōu)化了高速動車組導流罩結構，對比轉向架周圍空氣流場的變化趨勢，推測出優(yōu)化導流罩可緩解冰雪堆積現象。

目前對于轉向架內部空氣流場進行了一些研究，但缺乏對風雪惡劣天氣下轉向架表面雪花堆積特性的研究。因此有必要對風雪天氣下轉向架表面積雪的問題進行研究。本文建立轉向架模型，數值模擬動車組在路面積雪工況時，轉向架周圍的流場流動特點以及轉向架表面的雪花堆積情況，為高速動車組轉向架的防雪防積冰優(yōu)化設計提供技術支持。

1 計算模型

1.1 風雪兩相流模型

研究高速動車組轉向架周圍流場雪花流動特性以及轉向架表面雪花堆積情況的必要條件是明確動車組轉向架周圍流場的規(guī)律，進而揭示高速動車組車下復雜流場環(huán)境對車下轉向架雪顆粒黏附堆積分布的影響。

影響雪粒子運動外力方程的參數因素包括粒子的直徑、密度和浮力系數等因素。雪顆粒的直徑大約為毫米量級，而雪顆粒的密度大約為40～300 kg/m3不等[16]。本文不考慮雪粒子在降落過程中雪顆粒的搬運、互相黏附以及平坦地面上的堆積沉淀，僅考慮單個雪粒子的物理參數。選取積雪的密度為40 kg/m3，直徑0.5 mm。

雪花顆粒在空氣場中的運動十分復雜，真實的模擬其運動軌跡比較困難。從力學角度分析，這種現象就是由于雪花顆粒和空氣間相互作用力的影響。在實際工況中，雪花顆粒受力較多，包括自身重力、空氣浮力以及氣動阻力(拖拽力)等。

1.2 幾何建模及網格劃分

轉向架引起的復雜空氣流動特性是不容忽視且需要著重考慮的內容。但列車轉向架的幾何模型極為復雜，一個轉向架就包含了上百個零件和結構。為了方便獲得高質量的網格，需要將轉向架結構單獨處理。

對轉向架空氣動力學影響較小的細小零件等特征需要大量的細小網格，會占用大量的計算機資源，降低計算效率。因此在簡化轉向架幾何模型時，盡可能的保留對空氣動力學產生影響較大的結構，刪除或簡化細小結構以及對流場計算影響較小的結構。圖1和圖2分別為非動力和動力轉向架計算模型。

圖1 非動力轉向架計算模型

圖2 動力轉向架計算模型

為了更加系統(tǒng)的統(tǒng)計分析轉向架各部件表面黏附的雪花顆粒數目，按照轉向架各部件的結構特點及其相對位置，對粗略簡化后的各零部件進行歸類。構架、輪盤及輪對、枕梁、軸箱、剎車片、牽引電機、齒輪箱、一系懸掛彈簧等結構較大或結構具有整體性的零部件，可歸一組。橫向懸掛裝置、抗蛇行減振器、高度調整閥桿、抗側滾裝置組成等零件分散布置且多為細長結構，因此本文將這類零部件歸類為二系懸掛裝置。牽引拉桿組成結構簡單且分布在轉向架內部，但為了更精確的表現出整個轉向架對空氣流場的影響，在簡化轉向架各部件模型時予以保留。

本文著重分析列車轉向架附近流場，因此建立頭車(拖車)、中車(動車)及尾車(拖車)三節(jié)車廂模型。模型長、寬、高分別為79.64 m×3.36 m×3.94 m。本文不關注列車車頂設備的空氣動力學問題，因此對列車車頂部進行較大規(guī)模簡化。去除車頂的車載空調、列車受電弓、導流板、列車車頂部電纜及其絕緣座。對列車風擋做簡化處理，車輛之間以內風擋連接。并將動車組簡化為由光滑曲面構成的幾何體，刪除列車附屬設備，盡可能體現出動車組真實的外輪廓。將轉向架沿頭車到尾車方向編號1～ 6，如圖3所示。

圖3 包含6個轉向架的列車簡化模型

高速動車組對無限遠處的空氣流動影響細微，沒有研究價值，并且受現有計算條件的限制，所以僅對列車周圍有限區(qū)域內進行數值計算。計算中通常以不影響車體附近流體流動為計算域創(chuàng)建原則。經反復計算，計算區(qū)域長、寬、高分別選取為334 m× 40 m ×40 m。高速動車組模型附近區(qū)域為了適應復雜的轉向架結構用非結構網格進行劃分，其余計算域可用簡單、快捷的結構網格拉伸創(chuàng)建。

采用分塊劃分原則既提高網格質量也可減小網格數量。轉向架結構復雜，局部細節(jié)尺寸較小，為獲得高質量網格，需要對其局部加密細化。車體及空氣外流場空間區(qū)域大，可采用適當大尺寸網格。計算域網格共計約5 800萬個。車體周圍(特別是轉向架周圍)非結構化占有總體網格的很大比例。網格質量良好。

1.3 邊界定義

邊界條件是控制方程有確定解的前提。設置與動車運行環(huán)境盡可能近似的邊界條件，將直接影響計算結果的精度以及數值計算的真實性。流場邊界條件見表1。

表1 流場邊界條件設置

1.4 SC/Tetra 求解模型

湍流流動是非常復雜的流動，計算湍流運動時，需要附加湍流方程。模型方程的選取要根據具體情況而定。本文選用RNGk-ε雙方程模型。

為了提高計算精度，對離散方程中的對流項利用二階迎風離散格式，擴散項采用中心差分格式進行差值求解；采用SIMPLE算法計算流場；針對流體中常見的湍流運動，通過求解湍流兩方程RNGk-ε模型，得到湍流動能κ及其耗散率ε，從而將湍流的脈動值與均時值聯系起來，這樣就可以利用Reynolds平均法將湍流瞬時脈動簡化為時均化方程；在將粒子加入到計算域時，因為動量方程可追蹤粒子在任意一個時刻的位置，其速度、壓力等隨著時間變化，因此加入粒子計算后，計算轉化為非定常流動(Unsteady)。

1.5 路面積雪工況雪花顆粒產生方式

考察實際工況，雪花在兩條鐵軌之間緊密堆積。將堆積的雪花全部納入流場計算較為困難。為了簡化計算，將路面積雪區(qū)域劃分為若干個0.1 m×0.1 m×0.1 m立方體模塊，每個立方體模塊產生雪花粒子。這種粒子產生方法可通過設置每個立方體內粒子數，來控制雪花粒子的均勻性和積雪厚度。由降雪量與積雪厚度經驗公式[17]可知，降雪量(mm)/積雪深度(cm)=1/15。在暴雪天氣，24 h降雪量大于10 mm。根據經驗公式可知，暴雪天氣路面積雪深度大于15 cm。本文根據三輛編組動車模型長、寬、高(79.64 m×3.36 m×3.94 m)在動車組車下設置兩種粒子產生方式。第一種是在車下已存在顆粒，第二種是隨著列車相對運動不斷產生的雪花顆粒。

2 計算結果及后處理

為得到理想的數值計算結果，模擬動車組在無雪花顆粒的環(huán)境下高速運行，直到計算區(qū)域內流場穩(wěn)定后，再加入雪花顆粒進行非穩(wěn)態(tài)計算。瞬態(tài)計算時間步長取0.000 1 s，計算列車運行2 s雪花顆粒在轉向架上的分布情況。

動車組高速穩(wěn)態(tài)運行時，車頭鼻尖處是迎風面，正對空氣來流方向，氣流在此處被滯止，速度幾乎為零，所以此處正壓值最大，如圖4所示。由數值計算可知，車頭鼻尖處的壓力值為5 898.2 Pa，和理論計算值5 786.8 Pa相比，相對誤差為1.93%，小于10%，滿足計算誤差允許范圍。車體表面空氣壓力分布相對均勻，兩車體連接風擋對空氣沿車體運動有阻力作用，壓力較大。

圖4 動車組表面壓力分布云圖

2.1 轉向架周圍流場計算結果分析

動車組在高寒風雪的環(huán)境下高速運行時，車身底部轉向架周圍的空氣流動比較復雜，分析轉向架周圍的流場特性可以探究轉向架積雪的原因。本文截取了1號、3號和5號轉向架左輪對處縱向截面的壓力云圖和速度矢量圖，如圖5、圖6所示。

圖5 轉向架左輪對處縱向截面壓力云圖對比(單位：Pa)

圖6 轉向架左輪對處縱向截面速度矢量(單位：m/s)

圖5為1、3、5號轉向架左輪對處縱向截面上的壓力云圖，由圖5可知各個轉向架同一坐標截面上的壓力值不同，其變化的基本趨勢都是沿著豎直方向由上往下逐漸增大。相對于轉向架后導流板和轉向架中部豎直方向的上下壓差值，其前導流板處的壓差值較小，壓差值從前導流板處向后導流板處保持增大趨勢。

1號轉向架是非動力轉向架，位于車體的最前端。前輪周圍處的壓力值在-1 122～-665 Pa之間，豎直方向上下壓差在-470～-205 Pa之間，后輪周圍處的壓力值在-1 241～-547 Pa之間，豎直方向上下壓差在-277～-683 Pa之間?？諝庥赊D向架底部高壓區(qū)流向上部低壓區(qū)。3號轉向架是動力轉向架，位于中車前端部分，為整列動車組提供動力支撐。前導流板處的壓力值在145～390 Pa之間，豎直方向上下壓差為-245 Pa，后導流板處的壓力值在-139～164 Pa之間，豎直方向上下壓差為-303 Pa，兩輪對之間的壓力值在109～ 322 Pa之間，豎直方向上下壓差在19～ 66 Pa之間。5號轉向架是非動力轉向架，位于尾車前端。前輪對周圍處為正壓值，后輪對周圍處為負壓值。其前輪對周圍處的壓力值在23～267 Pa之間，豎直方向上下壓差在-244～-60 Pa之間，后輪對處的壓力值在-142～31 Pa之間，豎直方向上下壓差在-93～128 Pa之間，轉向架在此截面上中間部分的壓力值在-4～39 Pa之間，豎直方向上下壓差為-43 Pa。

轉向架本身結構復雜，存在若干細小空間，空氣流經其內部會產生渦流。由于轉向架底部與地面之間的流道截面較小，所以此處的空氣流速快，并且貼近地面處的空氣流動相對最快。而轉向架所占空間大，空氣在由下向上流動的過程中，速度逐漸下降，在轉向架某些復雜的結構區(qū)域會出現渦流現象。

由圖6可知，轉向架的渦流區(qū)域主要存在于其前后導流板處和構架中部。

2.2 轉向架周圍流場雪花顆粒計算結果分析

通過統(tǒng)計高速動車組轉向架前后設備艙導流板及轉向架各零部件表面黏附雪花的數量，量化分析雪花堆積情況。

圖7 動車組運行2.0 s路面雪花顆粒運動狀態(tài)

圖7為動車組明線運行雪花顆粒流動分布圖，直觀的展示了路面積雪在動車組外流場擾動下的復雜運動。隨著動車組不斷前移，車下轉向架周圍產生大量渦流，空氣流動復雜，帶動雪花顆粒流動，雪花顆粒流動逐漸混亂。動車組尾車后區(qū)域，雪花顆粒在該區(qū)域受繞流作用明顯，雪花顆粒運動規(guī)律復雜。

表2為頭車第二個轉向架零部件表面雪顆粒堆積黏附數量。各零部件表面上雪顆粒黏附數量隨著時間逐漸增加，其中0.5～1.0 s雪顆粒增幅最大，1.0～1.5 s，1.5～2.0 s雪顆粒增幅較均勻。

通過統(tǒng)計1～6號轉向架和導流板上雪花顆粒的黏附情況，可知轉向架構架底面和后導流板上黏附的雪花顆粒較多。各轉向架零部件因結構表面積以及裝配相對關系，表面雪顆粒黏附數量不同。構架表面積大且裸露在空氣中，表面雪顆粒黏附數量最多。2號轉向架構架占整個轉向架黏附雪顆粒數目的51.5%。制動盤占27.2%、軸箱表面約占14.1%。一系懸掛、二系懸掛裝置、枕梁、雙拉桿牽引裝置等因體積小，位于轉向架結構內部，其表面黏附雪顆粒最少。對于3號、4號動力轉向架，構架黏附雪顆粒約占36%。電機、齒輪箱體積較大，且位于轉向架外部，兩部件表面雪顆粒黏附數量相對較多，約占14.7%～20.1%。

表2 2號轉向架表面顆粒黏附統(tǒng)計

圖8 動車組雪花顆粒統(tǒng)計(2 s)

由圖8(a)可知，由于1號轉向架靠近動車組頭車鼻尖處，車體的前方來流相對穩(wěn)定，雪花顆粒受車下氣流的擾動影響較小，所以1號轉向架上無雪花顆粒黏附。3號轉向架上的雪花顆粒黏附數最多，為1 731個粒子，4號轉向架次之，為1 361個粒子，5號和6號轉向架上的雪花顆粒黏附數相對較少，分別為875個和784個。

轉向架前后靠近設備艙的導流板面積大，起到導流、阻風作用，在其周圍存在渦流區(qū)域，空氣流動紊亂，所以雪花顆粒擾動劇烈，黏附數相對較多。圖8(b)顯示了動車組運行到2 s時，1～6號轉向架前后導流板上的雪花顆粒黏附數。轉向架后導流板是迎風面，貼近軌面的雪花顆粒會隨著空氣從列車底部直接流向后導流板的表面，致使1～6號轉向架的后導流板上黏附雪花顆粒數較多，而前導流板上黏附的雪花顆粒數極少。其中，1號轉向架前導流板上無雪花顆粒黏附，3號轉向架前導流板上黏附的最多，為81個粒子。2號轉向架后導流板上黏附的雪花顆粒數最多，為1 229個粒子，3號次之，6號轉向架受尾流的影響，其后導流板黏附的雪花顆粒數相對較多，為1 042個粒子。

3 裙板優(yōu)化方案數值分析

轉向架周圍空氣壓差對轉向架表面及其前后設備艙導流板的雪顆粒黏附有一定的影響。鑒于現有工藝及設計要求，經多次試驗表明，優(yōu)化設計各轉向架左右裙板，可改善轉向架周圍空氣的壓力及流場分布。優(yōu)化裙板即為將原轉向架處原裙板形狀向下延伸至近車體底端，使優(yōu)化后的裙板更多包住轉向架區(qū)域，如圖9所示。

圖9 裙板優(yōu)化前后對比

4 優(yōu)化模型計算結果分析

優(yōu)化裙板后，由于裙板向下延伸，增加進入轉向架內空氣流動的阻力, 所以增大了轉向架內部的壓力。與原方案相比，轉向架各個截面上相同點處的上下壓差基本上呈現下降趨勢，從而減小了雪花顆粒的堆積。

圖10 2號轉向架左輪對處縱向截面壓力云圖對比(單位：Pa)

圖10為2號轉向架裙板優(yōu)化前后左輪對處縱向截面的壓力對比云圖，相對于原方案，前導流板豎直方向上下壓差從原方案中的-49 Pa減少為-20 Pa，后導流板處豎直方向的上下壓差從原方案中的294 Pa減少為優(yōu)化方案中的-94 Pa，兩輪對之間豎直方向的上下壓差從原來的-128～-54 Pa減少為現在的-93～-3 Pa。豎直方向上下壓差明顯減小，氣流擾動有所減緩。

裙板優(yōu)化前后2號轉向架表面雪花顆粒黏附統(tǒng)計見表3。從表3可以看出，2號轉向架中各個部件和前后導流板上黏附雪花顆粒均得到不同程度的減少，總黏附顆粒數降低了84.75%。

表3 裙板優(yōu)化前后2號轉向架表面雪花顆粒黏附統(tǒng)計

圖11 各轉向架雪花顆粒統(tǒng)計對比(2 s)

由圖11(a)可知，裙板結構改進后的動車組運行2 s時，1號轉向架上無雪花顆粒黏附，2～6號轉向架上的雪花顆粒黏附數都減小。其中，2號和3號轉向架上的雪花顆粒黏附數降幅較大，4～6號轉向架上的雪花顆粒黏附數降幅較小。

圖11(b)顯示了動車組運行2 s時，裙板優(yōu)化前后導流板上的雪花顆粒黏附數。可知裙板結構改進后，2號和3號轉向架前后導流板上的雪花顆粒黏附數降幅較大，4～6號轉向架前后導流板上的雪花顆粒黏附數降幅較小。

表4為裙板結構改進前后1～6號轉向架和導流板表面雪花顆粒黏附統(tǒng)計，可知動車組運行2 s時，各轉向架和導流板雪花顆粒黏附總數降幅達51.03%。

表4 裙板優(yōu)化前后1～6號轉向架和導流板雪花顆粒黏附統(tǒng)計

5 結論

本文對350 km/h明線運行的動車組在路面積雪工況下的空氣動力學特性進行數值仿真。由于轉向架周圍流場沿垂直方向的空氣壓差對轉向架表面及其前后導流板的雪顆粒黏附有一定的影響，因此通過改變轉向架裙板可改善轉向架周圍空氣的壓力及速度分布，從而改善其內部的雪花黏附狀況。對比分析裙板優(yōu)化前后轉向架零部件表面及導流板上的雪花顆粒堆積數目，得到如下結論：

(1)動車組轉向架雪花堆積的原因是：在風雪兩相流中高速運行時，各轉向架周圍易形成大量渦流，豎直方向上下存在壓差，致使動車組車下擾動的雪花顆粒吸入轉向架內部，堆積黏附在轉向架各零部件表面。

(2)轉向架左右裙板往下延伸的優(yōu)化方案增加進入轉向架內空氣流動的阻力, 增大了轉向架內部的壓力, 由此減小了轉向架沿垂直方向的壓差。與原方案相比，轉向架大部分截面上相同對應點處的上下壓差呈現下降趨勢，從而減小了雪花的堆積。

(3)與原方案相比，優(yōu)化方案轉向架上的雪花顆粒黏附數明顯減少。列車運行2s時，1～6號轉向架及導流板總黏附顆粒降幅分別為94.12%、84.75%、79.55%、29.47%、21.85%和17.71%。

(4)優(yōu)化方案有效減小了雪花顆粒在轉向架及導流板上的堆積，與原方案相比總雪花顆粒黏附數降低了51.03%。