高速列車制動(dòng)盤(pán)甩水的數(shù)值仿真研究

婁振，蔡路，李田，張繼業(yè)，安超，劉楠

高速列車制動(dòng)盤(pán)甩水的數(shù)值仿真研究

婁振1，蔡路1，李田1，張繼業(yè)1，安超2，劉楠2

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 064000）

為分析高速列車制動(dòng)盤(pán)發(fā)熱融化的雪水對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰的影響，建立包含拖車轉(zhuǎn)向架和簡(jiǎn)化車體的幾何模型和轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤(pán)甩水模型，采用三維非定?？蓪?shí)現(xiàn)?雙方程湍流模型與離散相模型耦合的數(shù)值方法，研究制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布。采用液膜模型研究水滴在轉(zhuǎn)向架表面及轉(zhuǎn)向架艙底面的沉積。研究結(jié)果表明：制動(dòng)盤(pán)融化的雪水經(jīng)制動(dòng)盤(pán)甩出后大都存在于轉(zhuǎn)向架的中間區(qū)域，在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)分布較少；這些水滴主要沉積在構(gòu)架中間區(qū)域、前后制動(dòng)裝置、空氣彈簧內(nèi)側(cè)面、牽引梁和牽引拉桿靠近后輪對(duì)的區(qū)域，而在軸箱裝置、垂向減振器、縱向減振器和橫向減振器上沉積的水滴較少；在200，250和300 km/h 3種不同速度下，轉(zhuǎn)向架表面總的液膜質(zhì)量呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)；轉(zhuǎn)向架艙底面沉積的水滴主要分布在靠近制動(dòng)盤(pán)附近的表面。

高速列車；拖車轉(zhuǎn)向架；制動(dòng)盤(pán)；甩水；液膜

隨著高速列車運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，特別是向高緯度地區(qū)的延伸，轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰現(xiàn)象越來(lái)越引人關(guān)注。轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪結(jié)冰不僅會(huì)影響懸掛系統(tǒng)的性能，甚至?xí)p害列車的制動(dòng)性能，進(jìn)而危及列車運(yùn)行安全。轉(zhuǎn)向架周圍的雪粒子主要來(lái)源于列車運(yùn)行時(shí)前進(jìn)方向隨空氣流入以及由列車風(fēng)卷起的軌道上的積雪，雪粒子會(huì)在車輪、制動(dòng)盤(pán)以及制動(dòng)夾鉗裝置等發(fā)熱部件的作用下融化成水滴，然后在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)及自身重力的作用下沉積到轉(zhuǎn)向架表面，這些水滴在較低的溫度下會(huì)迅速結(jié)冰。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來(lái)做了許多研究。WANG等[1]研究了列車周圍及轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；ZHANG等[2]研究了車輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響；蔡路等[3]研究了高速列車底部空氣流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒沉積的影響。然而對(duì)制動(dòng)盤(pán)甩水問(wèn)題的研究還不多，考慮到制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴對(duì)制動(dòng)夾鉗裝置的影響較大，而制動(dòng)夾鉗裝置的可靠性關(guān)乎列車的運(yùn)行安全，因此有必要深入研究制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布和沉積。雖然對(duì)于高速列車制動(dòng)盤(pán)甩水問(wèn)題的研究還比較少，但在汽車方面對(duì)車輪甩水的現(xiàn)象已經(jīng)做了很多數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，并且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的一致性。Kabanovs等[4]在汽車車輪后布置錐形噴射器的方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究；Kuthada等[5]采用在車輪圓周表面均勻布置噴射器的方式進(jìn)行了研究；W?schle[6]研究了車底氣流流動(dòng)和車輪尾跡之間的干涉效應(yīng)，以及車輪邊界條件與車輪阻力及周圍流場(chǎng)的關(guān)系；Kabanovs等[7]考慮了不同的地面和車輪邊界條件對(duì)車輪附近流場(chǎng)分布和水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。Jilesen等[8]研究了水滴的破碎、聚并和蒸發(fā)等對(duì)車輪甩水的影響；Bouchet等[9]在乘用車上進(jìn)行了車輪甩水實(shí)驗(yàn)并在車后得到了3種速度下的水滴尺寸分布；Kuthada等[5]使用直徑為200 μm的粒子對(duì)獨(dú)立車輪甩水進(jìn)行了模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的匹配。在這些研究中大都采用了離散相方法。本文采用包含拖車轉(zhuǎn)向架和簡(jiǎn)化車體的幾何模型，在移動(dòng)地面和旋轉(zhuǎn)輪對(duì)壁面的邊界條件下研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)情況；采用離散相模型研究制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布；采用液膜模型研究水滴在轉(zhuǎn)向架表面及轉(zhuǎn)向架艙底面的沉積特征。

1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

考慮到拖車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此本文采用一個(gè)拖車轉(zhuǎn)向架和簡(jiǎn)化車體作為研究的幾何模型，見(jiàn)圖1。該模型長(zhǎng)度為10 m，寬度為3.4 m，高度為1.8 m，車輪距離地面的高度為0.15 m，裙板結(jié)構(gòu)為半裙板。拖車轉(zhuǎn)向架由輪對(duì)、制動(dòng)裝置、構(gòu)架、空氣彈簧、牽引梁、牽引拉桿、減振器和軸箱裝置等構(gòu)成。

(a) 車體；(b) 拖車轉(zhuǎn)向架

1.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算域的設(shè)定見(jiàn)圖2，其長(zhǎng)度為4(其中=10 m)，寬度為2，高度為1.5，入口距離車前端，出口距離車前端3。計(jì)算區(qū)域入口設(shè)置為速度入口邊界。出口設(shè)置為壓力出口邊界，出口壓力與大氣壓相同。2個(gè)側(cè)面以及頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。地面設(shè)置為移動(dòng)壁面邊界，速度與入口速度相等。轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面邊界，車輪線速度與入口速度相等，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與車輪相同，轉(zhuǎn)向架的其他壁面設(shè)置為壁面邊界。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域離散化，考慮到車體及轉(zhuǎn)向架周圍的流場(chǎng)對(duì)所研究問(wèn)題的重要性，對(duì)車體及轉(zhuǎn)向架區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。在近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法，車體及轉(zhuǎn)向架壁面共設(shè)置10層邊界層，邊界層第1層高度設(shè)置為網(wǎng)格尺寸的1/7，網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.2。為了驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，分別做了粗糙、中等、較細(xì)的3套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為1 800萬(wàn)，2 500萬(wàn)和3 000萬(wàn)。

圖2 計(jì)算區(qū)域

考慮到流場(chǎng)對(duì)水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡影響很大，因此采用相同的設(shè)置分別計(jì)算3套網(wǎng)格下的流場(chǎng)，并提取計(jì)算區(qū)域縱向?qū)ΨQ面的轉(zhuǎn)向架下方距離地面0.25 m處線上各點(diǎn)速度U。取橫坐標(biāo)為線上各點(diǎn)坐標(biāo)，其中坐標(biāo)原點(diǎn)為轉(zhuǎn)向架模型的中心位置，的正方向指向計(jì)算域入口，縱坐標(biāo)(U=U/U，U為入口速度)為線上各點(diǎn)速度與入口速度的比值，見(jiàn)圖3?？梢钥吹疆?dāng)網(wǎng)格從2 500萬(wàn)增加到3 000萬(wàn)時(shí)各點(diǎn)速度幾乎沒(méi)有變化，因此在本文中選擇了2 500萬(wàn)的網(wǎng)格用來(lái)計(jì)算?？v向?qū)ΨQ面體網(wǎng)格及轉(zhuǎn)向架面網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

圖3 3套網(wǎng)格中轉(zhuǎn)向架下方各點(diǎn)速度的對(duì)比

(a)縱向?qū)ΨQ面體網(wǎng)格；(b)車體及轉(zhuǎn)向架加密區(qū)網(wǎng)格；(c) 轉(zhuǎn)向架面網(wǎng)格

2 數(shù)值方法

2.1 湍流計(jì)算模型

轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流動(dòng)十分復(fù)雜，流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)。本文中考慮的速度等級(jí)分別為200，250和300 km/h，馬赫數(shù)均小于0.3。因此，整個(gè)流場(chǎng)的計(jì)算采用三維、非定常、不可壓縮N-S方程，湍流模型為可實(shí)現(xiàn)?雙方程湍流模型，相關(guān)控制方程見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。在非定常計(jì)算中，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 5 s，內(nèi)迭代次數(shù)為20。

2.2 顆粒軌道模型

歐拉?拉格朗日方法直接對(duì)離散顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行求解，并可直接揭示每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此近年來(lái)該方法被廣泛應(yīng)用于顆粒流的求 解[1, 3?4]。

顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡由顆粒軌道模型描述，根據(jù)顆粒在氣固兩相系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將兩相流動(dòng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分解為：受沖力支配的瞬時(shí)碰撞運(yùn)動(dòng)和受流體曳力控制的懸浮運(yùn)動(dòng)。顆粒與顆粒相互作用的過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從碰撞動(dòng)力學(xué)中的動(dòng)量守恒定律[11]。流體與顆粒相互作用的懸浮過(guò)程中，顆粒受曳力、重力等力的作用，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足牛頓力學(xué)中的力平衡方程。

每個(gè)顆粒的速度及位移的更新由鄰近顆粒對(duì)它的碰撞過(guò)程及流體對(duì)它的懸浮過(guò)程來(lái)確定。假設(shè)顆粒是光滑球形，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可由以下方程描述：

式中：為流體分子黏度；為顆粒密度；d為顆粒直徑；C為顆粒的阻力系數(shù)，隨著雷諾數(shù)的變化而變化；為相對(duì)雷諾數(shù)，定義如下：

2.3 液膜模型

液膜模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)液體薄膜在壁面上的形成和流動(dòng)，液膜模型的相關(guān)控制方程見(jiàn)文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]，通過(guò)對(duì)液體薄膜形成位置及程度的分析可以更為清晰的看出制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架各部件上的沉積情況。液膜模型綜合考慮了液滴與物體表面相互作用過(guò)程中的各個(gè)方面，包括液滴的黏附、鋪展、飛濺、蒸發(fā)、傳熱傳質(zhì)、流動(dòng)分離等，如圖5所示。本文中液膜模型與離散相模型一起使用，當(dāng)液滴撞擊到固體表面時(shí)并被捕捉時(shí)，形成一層薄薄的液體薄膜。

圖5 薄液膜形成機(jī)理

2.4 制動(dòng)盤(pán)甩水模型

為了研究制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布和沉積情況，需要建立一個(gè)合適的制動(dòng)盤(pán)甩水模型。Kuthada，Spruss和HU等在研究獨(dú)立車輪甩水和汽車車輪甩水對(duì)汽車尾部污垢沉積的影響時(shí)都采用了在車輪表面均勻布置噴射器的方法[5, 9, 15]。本文采用類似的方法在6個(gè)制動(dòng)盤(pán)表面布置了粒子噴射器，見(jiàn)圖6。沿著制動(dòng)盤(pán)的圓周方向每間隔10°布置一組噴射器，每組噴射器有4個(gè)間距相同的流束，各個(gè)噴射器的質(zhì)量流率相同。噴射出來(lái)粒子的速度與制動(dòng)盤(pán)表面噴射器位置處相同，方向沿著制動(dòng)盤(pán)切向。

圖6 甩水模型

Bouchet對(duì)乘用車進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)車輪甩水實(shí)驗(yàn)并在車后得到了3種速度下的水滴尺寸分布[9]。Kuthada和Cyr使用200 μm的粒子尺寸對(duì)獨(dú)立車輪甩水進(jìn)行了仿真模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的匹配[5]，這個(gè)粒子尺寸也正是Bouchet測(cè)得的水滴尺寸分布中的峰值。Kabanovs，HU，Gaylard等在研究中也都采用這個(gè)峰值尺寸作為甩水模型中的粒子尺寸[5, 15?16]。在本文中選擇液態(tài)水作為噴射器粒子材料，密度為常數(shù)，粒子直徑設(shè)置為200 μm。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)分析

要研究拖車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布及沉積，首先要研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)情況。拖車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域取了4個(gè)縱向剖面P1~P4，見(jiàn)圖7。

圖7 轉(zhuǎn)向架區(qū)域剖面位置

在4個(gè)縱向剖面P1~P4上做流線圖，并用速度大小著色，見(jiàn)圖8。可以看到：在200，250和300 km/h 3種不同的速度下氣流的流動(dòng)方向大致是相同的，氣流主要從前后輪對(duì)后方上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，并由轉(zhuǎn)向架前端板及構(gòu)架間隙處流出，但是也明顯可以看出隨著運(yùn)行速度的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的速度也有所增加。轉(zhuǎn)向架區(qū)域后部流速明顯大于前部，且在制動(dòng)夾鉗、構(gòu)架、空氣彈簧、牽引梁和牽引拉桿等區(qū)域有較低速度的渦流。這就使得轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴更容易進(jìn)入轉(zhuǎn)向架的中部區(qū)域，然后在制動(dòng)夾鉗、構(gòu)架、空氣彈簧、牽引梁和牽引拉桿等處沉積。

3.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域水滴分布

轉(zhuǎn)向架區(qū)域水滴的分布特征主要包括速度、尺寸和濃度等。水滴的速度和尺寸會(huì)影響水滴的斯托克斯數(shù)，斯托克斯數(shù)對(duì)水滴的運(yùn)動(dòng)和分布有很大影響。用速度著色的轉(zhuǎn)向架區(qū)域水滴分布見(jiàn)圖9，從圖中可以看到在200，250和300 km/h 3種不同的速度下，速度越高對(duì)應(yīng)的水滴分布中具有較高速度的水滴越多，但水滴的速度分布趨勢(shì)大致是相同的。轉(zhuǎn)向架區(qū)域后部相對(duì)于前部有較多速度大的水滴，底部相對(duì)于上部有較多速度大的水滴，這種分布情況與轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流速分布是一致的，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流速同樣呈現(xiàn)出后部比前部速度大，底部比上部速度大的特征。

(a) P1剖面流線(200 km/h)；(b) P1剖面流線(250 km/h)；(c) P1剖面流線(300 km/h)；(d) P2剖面流線(200 km/h)；(e) P2剖面流線(250 km/h)；(f) P2剖面流線(300 km/h)；(g) P3剖面流線(200 km/h)；(h) P3剖面流線(250 km/h)；(i) P3剖面流線(300 km/h)；(j) P4剖面流線(200 km/h)；(k) P4剖面流線(250 km/h)；(l) P4剖面流線(300 km/h)

(a) 水滴分布(200 km/h)；(b) 水滴分布(250 km/h)；(c) 水滴分布(300 km/h)

(a) 水滴分布(200 km/h)；(b) 水滴分布(250 km/h)；(c) 水滴分布(300 km/h)

轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴會(huì)受到流場(chǎng)的作用，水滴之間也可能發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生不同尺寸的水滴。較大尺寸的水滴由于慣性較大，容易偏離流線撞擊到制動(dòng)盤(pán)附近的壁面上；較小尺寸的水滴由于慣性較小，不易偏離流線。圖10為用水滴直徑著色的水滴分布圖，從圖10可以看到：200 km/h和250 km/h的水滴分布中較大尺寸的水滴數(shù)量明顯多于300 km/h的水滴分布，但是較大尺寸水滴的分布大致相同。靠近制動(dòng)盤(pán)表面的區(qū)域分布著較多大尺寸的水滴，轉(zhuǎn)向架區(qū)域下部的大尺寸水滴多于上部。由于制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴初始尺寸較大，受慣性力影響較大，因此在靠近制動(dòng)盤(pán)表面的區(qū)域水滴尺寸較大。而破碎后的水滴由于尺寸變小，更容易被氣流攜帶到轉(zhuǎn)向架其他區(qū)域。轉(zhuǎn)向架區(qū)域下部存在的較多大尺寸水滴主要是由于制動(dòng)盤(pán)底部甩出的水滴造成的。

分析水滴的濃度分布規(guī)律需要從空間分布以及在轉(zhuǎn)向架壁面附近的分布這兩方面來(lái)考慮。用水滴濃度著色的水滴分布見(jiàn)圖11(a)~11(c)，從圖11可以看到，在200，250和300 km/h 3種不同的速度下水滴的濃度分布情況很相似，都是在靠近制動(dòng)盤(pán)表面的區(qū)域內(nèi)濃度較大，這是由于在制動(dòng)盤(pán)表面附近分布著較多尺寸較大的水滴，從制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴初始尺寸較大且具有較高的速度，水滴的斯托克斯數(shù)較大，從而受到慣性的影響也較大。為了觀察這一區(qū)域內(nèi)的水滴濃度分布情況，沿著3個(gè)制動(dòng)盤(pán)取縱向剖面P1，P3和P5(見(jiàn)圖7)，在這3個(gè)剖面上做水滴濃度等值面圖，見(jiàn)圖11(d)~11(l)。從圖11可以看到在3種速度下，雖然水滴的初始速度不同，但是在制動(dòng)盤(pán)附近水滴濃度較大的區(qū)域都是沿著制動(dòng)盤(pán)呈散射狀分布的，但是明顯的在200 km/h速度下的水滴濃度分布中濃度較大的區(qū)域多于250 km/h和300 km/h，這是由于隨著速度的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的速度也在增加，對(duì)水滴的影響也越來(lái)越大。

(a) 水滴分布(200 km/h)；(b) 水滴分布(250 km/h)；(c) 水滴分布(300 km/h)；(d) P5剖面濃度分布(200 km/h)；(e) P5剖面濃度分布(250 km/h)；(f) P5剖面濃度分布(300 km/h)；(g) P1剖面濃度分布(200 km/h)；(h) P1剖面濃度分布(250 km/h)；(i) P1剖面濃度分布(300 km/h)；(j) P3剖面濃度分布(200 km/h)；(k) P3剖面濃度分布(250 km/h)；(l) P3剖面濃度分布(300 km/h)

空氣彈簧內(nèi)側(cè)面、牽引梁和牽引拉桿等靠近后輪對(duì)一側(cè)的面也存在部分區(qū)域水滴濃度較大，但在空氣彈簧、牽引梁和牽引拉桿等靠近前輪對(duì)一側(cè)幾乎沒(méi)有濃度較大的區(qū)域。這是由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)造成的，輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)方向決定了后面制動(dòng)盤(pán)甩出的水滴更容易進(jìn)入轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域。轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流大都是從后部向前部流動(dòng)的，這些部件的存在阻礙了氣流的流動(dòng)，且在這些部件附近存在著一些速度較低的渦流。

轉(zhuǎn)向架表面附近的水滴濃度分布見(jiàn)圖12(a)~ 12(f)，從圖12可以看到在不同的速度下轉(zhuǎn)向架表面水滴濃度較大的區(qū)域基本相同，但是牽引梁表面水滴濃度較大的區(qū)域明顯隨著速度的增大有所減小。在前制動(dòng)裝置下表面、后制動(dòng)裝置上表面、構(gòu)架中間區(qū)域、空氣彈簧內(nèi)側(cè)面、牽引梁及牽引拉桿靠近后輪對(duì)的區(qū)域濃度較高，而在軸箱裝置、垂向減振器、縱向減振器和橫向減振器上沉積的水滴濃度較低。前后制動(dòng)裝置表面附近濃度分布的差異主要是輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)方向影響的，前制動(dòng)裝置表面較高濃度區(qū)域的水滴主要是由前制動(dòng)盤(pán)向上甩出的水滴造成的，而后制動(dòng)裝置表面較高濃度區(qū)域的水滴主要是由后制動(dòng)盤(pán)向下甩出的水滴造成的，見(jiàn)圖11(d)~11(l)。

轉(zhuǎn)向架艙底面的水滴濃度分布見(jiàn)圖12(g)~ 12(l)，從圖12可以看到在不同的速度下轉(zhuǎn)向架艙底面水滴濃度的分布基本相同，濃度較大的區(qū)域大都靠近制動(dòng)盤(pán)，轉(zhuǎn)向架艙靠近牽引梁上表面處也有部分區(qū)域水滴濃度較大。

3.3 液膜分布

圖13(a)~13(f)為用液膜厚度著色的轉(zhuǎn)向架表面液膜分布，圖13(g)~13(l)是轉(zhuǎn)向架艙底面的液膜分布，從圖13可以看到，在不同的速度下液膜分布的范圍大致是相同的，液膜厚度的分布與轉(zhuǎn)向架及轉(zhuǎn)向架艙表面的濃度分布趨勢(shì)基本一致。在前制動(dòng)裝置下表面、后制動(dòng)裝置上表面、空氣彈簧內(nèi)側(cè)面、牽引梁及牽引拉桿靠近后輪對(duì)的區(qū)域都有許多液膜較厚的區(qū)域，其中前后制動(dòng)裝置、牽引拉桿、空氣彈簧上的液膜質(zhì)量占轉(zhuǎn)向架表面總液膜質(zhì)量的60%左右。轉(zhuǎn)向架艙底面的液膜主要分布在靠近制動(dòng)盤(pán)的區(qū)域以及靠近牽引梁上表面處。

(a) 轉(zhuǎn)向架前視圖(200 km/h)；(b) 轉(zhuǎn)向架前視圖(250 km/h)；(c) 轉(zhuǎn)向架前視圖(300 km/h)；(d) 轉(zhuǎn)向架后視圖(200 km/h)；(e) 轉(zhuǎn)向架后視圖(250 km/h)；(f) 轉(zhuǎn)向架后視圖(300 km/h)；(g) 轉(zhuǎn)向架艙前視圖(200 km/h)；(h) 轉(zhuǎn)向架艙前視圖(250 km/h)；(i) 轉(zhuǎn)向架艙前視圖(300 km/h)；(j) 轉(zhuǎn)向架艙后視圖(200 km/h)；(k) 轉(zhuǎn)向架艙后視圖(250 km/h)；(l) 轉(zhuǎn)向架艙后視圖(300 km/h)

對(duì)3種不同速度下轉(zhuǎn)向架表面總的液膜質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架表面總的液膜質(zhì)量呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)速度為250 km/h時(shí)轉(zhuǎn)向架表面的液膜質(zhì)量最小，這主要是由在牽引梁及制動(dòng)裝置表面的液膜差別造成的。如果在較低的溫度下，這些液膜會(huì)迅速結(jié)冰，從而影響列車的懸掛性能和制動(dòng)性能，進(jìn)而危及行車安全。

4 結(jié)論

1) 轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流速度分布呈現(xiàn)出后部比前部速度大，底部比上部速度大的特征。轉(zhuǎn)向架區(qū)域水滴的速度分布與氣流速度分布相類似，在后部速度大的水滴多于前部，底部多于上部。

2) 制動(dòng)盤(pán)融化的雪水經(jīng)制動(dòng)盤(pán)甩出后大都存在于轉(zhuǎn)向架的中間區(qū)域，而在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)分布較少。在靠近制動(dòng)盤(pán)的區(qū)域內(nèi)水滴尺寸、濃度均較大。

3) 制動(dòng)盤(pán)融化的雪水經(jīng)制動(dòng)盤(pán)甩出后主要沉積在構(gòu)架中間區(qū)域、前后制動(dòng)裝置、空氣彈簧內(nèi)側(cè)面、牽引梁及牽引拉桿靠近后輪對(duì)的區(qū)域，而在軸箱裝置、垂向減振器、縱向減振器和橫向減振器上沉積的水滴較少。其中前后制動(dòng)裝置、牽引拉桿、空氣彈簧上沉積的水滴占轉(zhuǎn)向架表面總沉積水滴的60%左右。轉(zhuǎn)向架艙底面沉積的水滴主要分布在靠近制動(dòng)盤(pán)附近的表面。

4) 在200，250和300 km/h 3種不同速度下，轉(zhuǎn)向架表面總的液膜質(zhì)量呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)速度為250 km/h時(shí)轉(zhuǎn)向架表面的液膜質(zhì)量最小。

(a) 轉(zhuǎn)向架前視圖(200 km/h)；(b) 轉(zhuǎn)向架前視圖(250 km/h)；(c) 轉(zhuǎn)向架前視圖(300 km/h)；(d) 轉(zhuǎn)向架后視圖(200 km/h)；(e) 轉(zhuǎn)向架后視圖(250 km/h)；(f) 轉(zhuǎn)向架后視圖(300 km/h)；(g) 轉(zhuǎn)向架艙前視圖(200 km/h)；(h) 轉(zhuǎn)向架艙前視圖(250 km/h)；(i) 轉(zhuǎn)向架艙前視圖(300 km/h)；(j) 轉(zhuǎn)向架艙后視圖(200 km/h)；(k) 轉(zhuǎn)向架艙后視圖(250 km/h)；(l) 轉(zhuǎn)向架艙后視圖(300 km/h)

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Numerical simulation research on water spray from brake discs of high-speed train

LOU Zhen1, CAI Lu1, LI Tian1, ZHANG Jiye1, AN Chao2, LIU Nan2

(1. Southwest Jiaotong University, State Key Laboratory of Traction Power, Chengdu 610031, China;2. CRRC Tangshan Co., Ltd, Tangshan 064000, China)

To analyze the influence of ice accumulation in the bogie region of high-speed train due to snow water melted by hot brake discs, the simplified geometric model of trailer bogie and train body and bogie brake disc spray model were established. The water droplets distribution on the bogie region sprayed from brake discs was studied using the coupling numerical methods of three-dimensional unsteady realizable?two equation turbulence model and discrete phase model. Liquid film model was used to study the deposition of water droplets on bogie and bogie cavity. Analysis result shows that the melted snow water sprayed from brake discs occurs mostly in the middle of the bogie region, and few on both sides of the bogie region. These water droplets are mainly deposited in the intermediate area of the frame, front and rear braking devices, the inner side of the air spring, the traction beam and the traction rod area close to the rear wheel set, while less water droplets are deposited on the axle box device, vertical shock absorber, longitudinal shock absorber and transverse shock absorber. The total liquid film quality on the bogie surface showed a tendency of first decreasing and then increasing under the speeds of 200, 250 and 300 km/h. Water droplets deposited on the bottom of the bogie cavity are mainly distributed on the surface near the brake disc.

high-speed train; trailer bogie; brake disc; spray; liquid film

U270

A

1672 ? 7029(2020)06 ?1356 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190878

2019?10?09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200403)

張繼業(yè)(1965?)，男，四川夾江人，教授，博士，從事高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：jyzhang@swjtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)