王東屏，尤 明，范 軍，斯 琴, 劉高峰, 董華軍

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

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，列車與空氣的相互作用變得十分的強(qiáng)烈[1]。在動車組運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架裸露在空氣中，由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣流繞轉(zhuǎn)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(fù)雜的流場，該流場產(chǎn)生的作用力直接作用在轉(zhuǎn)向架上。在大雪天氣中，雪花會隨轉(zhuǎn)向架周圍壓力的負(fù)壓而被帶到轉(zhuǎn)向架內(nèi)部，冰晶顆粒也容易在此堆積。隨空氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架的固體雪花冰顆粒撞擊到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架中產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件積冰現(xiàn)象嚴(yán)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(zhuǎn)向架的維護(hù)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(zhuǎn)向架積冰問題亟待解決。

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

風(fēng)雪流是空氣攜帶有黏性雪花顆粒運(yùn)行的非典型氣固兩相流[8]。有關(guān)風(fēng)雪運(yùn)動的數(shù)值模擬始于20世紀(jì)90年代。文獻(xiàn)[9]通過數(shù)值模擬方法對非恒定風(fēng)場中的運(yùn)動進(jìn)行了模擬，給出了非恒定風(fēng)場對風(fēng)雪流的影響因素。文獻(xiàn)[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(xiàn)[11]采用兩方程模型研究了風(fēng)導(dǎo)向板對風(fēng)雪流的影響，并給出了風(fēng)導(dǎo)向板在控制雪堆積方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)[12]結(jié)合試驗現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，討論了鐵路試驗段內(nèi)雪粒的運(yùn)動狀態(tài)和堆積物理模型，利用Fluent數(shù)值模擬了不同路基斷面的風(fēng)速場。文獻(xiàn)[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(fēng)速的不同，給出了風(fēng)雪運(yùn)動的基本規(guī)律。

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

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

1 計算模型

1.1 風(fēng)雪兩相流模型

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

影響雪粒子運(yùn)動外力方程的參數(shù)因素包括粒子的直徑、密度和浮力系數(shù)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(yùn)、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(shù)。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(yùn)動十分復(fù)雜，真實的模擬其運(yùn)動軌跡比較困難。從力學(xué)角度分析，這種現(xiàn)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(wǎng)格劃分

轉(zhuǎn)向架引起的復(fù)雜空氣流動特性是不容忽視且需要著重考慮的內(nèi)容。但列車轉(zhuǎn)向架的幾何模型極為復(fù)雜，一個轉(zhuǎn)向架就包含了上百個零件和結(jié)構(gòu)。為了方便獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，需要將轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)單獨處理。

對轉(zhuǎn)向架空氣動力學(xué)影響較小的細(xì)小零件等特征需要大量的細(xì)小網(wǎng)格，會占用大量的計算機(jī)資源，降低計算效率。因此在簡化轉(zhuǎn)向架幾何模型時，盡可能的保留對空氣動力學(xué)產(chǎn)生影響較大的結(jié)構(gòu)，刪除或簡化細(xì)小結(jié)構(gòu)以及對流場計算影響較小的結(jié)構(gòu)。圖1和圖2分別為非動力和動力轉(zhuǎn)向架計算模型。

圖1 非動力轉(zhuǎn)向架計算模型

圖2 動力轉(zhuǎn)向架計算模型

為了更加系統(tǒng)的統(tǒng)計分析轉(zhuǎn)向架各部件表面黏附的雪花顆粒數(shù)目，按照轉(zhuǎn)向架各部件的結(jié)構(gòu)特點及其相對位置，對粗略簡化后的各零部件進(jìn)行歸類。構(gòu)架、輪盤及輪對、枕梁、軸箱、剎車片、牽引電機(jī)、齒輪箱、一系懸掛彈簧等結(jié)構(gòu)較大或結(jié)構(gòu)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(diào)整閥桿、抗側(cè)滾裝置組成等零件分散布置且多為細(xì)長結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡單且分布在轉(zhuǎn)向架內(nèi)部，但為了更精確的表現(xiàn)出整個轉(zhuǎn)向架對空氣流場的影響，在簡化轉(zhuǎn)向架各部件模型時予以保留。

本文著重分析列車轉(zhuǎn)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(guān)注列車車頂設(shè)備的空氣動力學(xué)問題，因此對列車車頂部進(jìn)行較大規(guī)模簡化。去除車頂?shù)能囕d空調(diào)、列車受電弓、導(dǎo)流板、列車車頂部電纜及其絕緣座。對列車風(fēng)擋做簡化處理，車輛之間以內(nèi)風(fēng)擋連接。并將動車組簡化為由光滑曲面構(gòu)成的幾何體，刪除列車附屬設(shè)備，盡可能體現(xiàn)出動車組真實的外輪廓。將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的列車簡化模型

高速動車組對無限遠(yuǎn)處的空氣流動影響細(xì)微，沒有研究價值，并且受現(xiàn)有計算條件的限制，所以僅對列車周圍有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)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(jīng)反復(fù)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(yīng)復(fù)雜的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余計算域可用簡單、快捷的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格拉伸創(chuàng)建。

采用分塊劃分原則既提高網(wǎng)格質(zhì)量也可減小網(wǎng)格數(shù)量。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部細(xì)節(jié)尺寸較小，為獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，需要對其局部加密細(xì)化。車體及空氣外流場空間區(qū)域大，可采用適當(dāng)大尺寸網(wǎng)格。計算域網(wǎng)格共計約5 800萬個。車體周圍(特別是轉(zhuǎn)向架周圍)非結(jié)構(gòu)化占有總體網(wǎng)格的很大比例。網(wǎng)格質(zhì)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(shè)置與動車運(yùn)行環(huán)境盡可能近似的邊界條件，將直接影響計算結(jié)果的精度以及數(shù)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(shè)置

1.4 SC/Tetra 求解模型

湍流流動是非常復(fù)雜的流動，計算湍流運(yùn)動時，需要附加湍流方程。模型方程的選取要根據(jù)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(fēng)離散格式，擴(kuò)散項采用中心差分格式進(jìn)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(yùn)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(lián)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(zhuǎn)化為非定常流動(Unsteady)。

1.5 路面積雪工況雪花顆粒產(chǎn)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(chǎn)生雪花粒子。這種粒子產(chǎn)生方法可通過設(shè)置每個立方體內(nèi)粒子數(shù)，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(jīng)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(jù)經(jīng)驗公式可知，暴雪天氣路面積雪深度大于15 cm。本文根據(jù)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(shè)置兩種粒子產(chǎn)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(yùn)動不斷產(chǎn)生的雪花顆粒。

2 計算結(jié)果及后處理

為得到理想的數(shù)值計算結(jié)果，模擬動車組在無雪花顆粒的環(huán)境下高速運(yùn)行，直到計算區(qū)域內(nèi)流場穩(wěn)定后，再加入雪花顆粒進(jìn)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(yùn)行2 s雪花顆粒在轉(zhuǎn)向架上的分布情況。

動車組高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，車頭鼻尖處是迎風(fēng)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(shù)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(fēng)擋對空氣沿車體運(yùn)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(zhuǎn)向架周圍流場計算結(jié)果分析

動車組在高寒風(fēng)雪的環(huán)境下高速運(yùn)行時，車身底部轉(zhuǎn)向架周圍的空氣流動比較復(fù)雜，分析轉(zhuǎn)向架周圍的流場特性可以探究轉(zhuǎn)向架積雪的原因。本文截取了1號、3號和5號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架左輪對處縱向截面壓力云圖對比(單位：Pa)

圖6 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架左輪對處縱向截面上的壓力云圖，由圖5可知各個轉(zhuǎn)向架同一坐標(biāo)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(zhuǎn)向架后導(dǎo)流板和轉(zhuǎn)向架中部豎直方向的上下壓差值，其前導(dǎo)流板處的壓差值較小，壓差值從前導(dǎo)流板處向后導(dǎo)流板處保持增大趨勢。

1號轉(zhuǎn)向架是非動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架底部高壓區(qū)流向上部低壓區(qū)。3號轉(zhuǎn)向架是動力轉(zhuǎn)向架，位于中車前端部分，為整列動車組提供動力支撐。前導(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)向架是非動力轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在若干細(xì)小空間，空氣流經(jīng)其內(nèi)部會產(chǎn)生渦流。由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架某些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)區(qū)域會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。

由圖6可知，轉(zhuǎn)向架的渦流區(qū)域主要存在于其前后導(dǎo)流板處和構(gòu)架中部。

2.2 轉(zhuǎn)向架周圍流場雪花顆粒計算結(jié)果分析

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

圖7 動車組運(yùn)行2.0 s路面雪花顆粒運(yùn)動狀態(tài)

圖7為動車組明線運(yùn)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(fù)雜運(yùn)動。隨著動車組不斷前移，車下轉(zhuǎn)向架周圍產(chǎn)生大量渦流，空氣流動復(fù)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(yùn)動規(guī)律復(fù)雜。

表2為頭車第二個轉(zhuǎn)向架零部件表面雪顆粒堆積黏附數(shù)量。各零部件表面上雪顆粒黏附數(shù)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(zhuǎn)向架和導(dǎo)流板上雪花顆粒的黏附情況，可知轉(zhuǎn)向架構(gòu)架底面和后導(dǎo)流板上黏附的雪花顆粒較多。各轉(zhuǎn)向架零部件因結(jié)構(gòu)表面積以及裝配相對關(guān)系，表面雪顆粒黏附數(shù)量不同。構(gòu)架表面積大且裸露在空氣中，表面雪顆粒黏附數(shù)量最多。2號轉(zhuǎn)向架構(gòu)架占整個轉(zhuǎn)向架黏附雪顆粒數(shù)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其表面黏附雪顆粒最少。對于3號、4號動力轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架黏附雪顆粒約占36%。電機(jī)、齒輪箱體積較大，且位于轉(zhuǎn)向架外部，兩部件表面雪顆粒黏附數(shù)量相對較多，約占14.7%～20.1%。

表2 2號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架上無雪花顆粒黏附。3號轉(zhuǎn)向架上的雪花顆粒黏附數(shù)最多，為1 731個粒子，4號轉(zhuǎn)向架次之，為1 361個粒子，5號和6號轉(zhuǎn)向架上的雪花顆粒黏附數(shù)相對較少，分別為875個和784個。

轉(zhuǎn)向架前后靠近設(shè)備艙的導(dǎo)流板面積大，起到導(dǎo)流、阻風(fēng)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(shù)相對較多。圖8(b)顯示了動車組運(yùn)行到2 s時，1～6號轉(zhuǎn)向架前后導(dǎo)流板上的雪花顆粒黏附數(shù)。轉(zhuǎn)向架后導(dǎo)流板是迎風(fēng)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(dǎo)流板的表面，致使1～6號轉(zhuǎn)向架的后導(dǎo)流板上黏附雪花顆粒數(shù)較多，而前導(dǎo)流板上黏附的雪花顆粒數(shù)極少。其中，1號轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)流板上無雪花顆粒黏附，3號轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)流板上黏附的最多，為81個粒子。2號轉(zhuǎn)向架后導(dǎo)流板上黏附的雪花顆粒數(shù)最多，為1 229個粒子，3號次之，6號轉(zhuǎn)向架受尾流的影響，其后導(dǎo)流板黏附的雪花顆粒數(shù)相對較多，為1 042個粒子。

3 裙板優(yōu)化方案數(shù)值分析

轉(zhuǎn)向架周圍空氣壓差對轉(zhuǎn)向架表面及其前后設(shè)備艙導(dǎo)流板的雪顆粒黏附有一定的影響。鑒于現(xiàn)有工藝及設(shè)計要求，經(jīng)多次試驗表明，優(yōu)化設(shè)計各轉(zhuǎn)向架左右裙板，可改善轉(zhuǎn)向架周圍空氣的壓力及流場分布。優(yōu)化裙板即為將原轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果分析

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

圖10 2號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架中各個部件和前后導(dǎo)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(shù)降低了84.75%。

表3 裙板優(yōu)化前后2號轉(zhuǎn)向架表面雪花顆粒黏附統(tǒng)計

圖11 各轉(zhuǎn)向架雪花顆粒統(tǒng)計對比(2 s)

由圖11(a)可知，裙板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的動車組運(yùn)行2 s時，1號轉(zhuǎn)向架上無雪花顆粒黏附，2～6號轉(zhuǎn)向架上的雪花顆粒黏附數(shù)都減小。其中，2號和3號轉(zhuǎn)向架上的雪花顆粒黏附數(shù)降幅較大，4～6號轉(zhuǎn)向架上的雪花顆粒黏附數(shù)降幅較小。

圖11(b)顯示了動車組運(yùn)行2 s時，裙板優(yōu)化前后導(dǎo)流板上的雪花顆粒黏附數(shù)?？芍拱褰Y(jié)構(gòu)改進(jìn)后，2號和3號轉(zhuǎn)向架前后導(dǎo)流板上的雪花顆粒黏附數(shù)降幅較大，4～6號轉(zhuǎn)向架前后導(dǎo)流板上的雪花顆粒黏附數(shù)降幅較小。

表4為裙板結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后1～6號轉(zhuǎn)向架和導(dǎo)流板表面雪花顆粒黏附統(tǒng)計，可知動車組運(yùn)行2 s時，各轉(zhuǎn)向架和導(dǎo)流板雪花顆粒黏附總數(shù)降幅達(dá)51.03%。

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

5 結(jié)論

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

(1)動車組轉(zhuǎn)向架雪花堆積的原因是：在風(fēng)雪兩相流中高速運(yùn)行時，各轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架內(nèi)部，堆積黏附在轉(zhuǎn)向架各零部件表面。

(2)轉(zhuǎn)向架左右裙板往下延伸的優(yōu)化方案增加進(jìn)入轉(zhuǎn)向架內(nèi)空氣流動的阻力, 增大了轉(zhuǎn)向架內(nèi)部的壓力, 由此減小了轉(zhuǎn)向架沿垂直方向的壓差。與原方案相比，轉(zhuǎn)向架大部分截面上相同對應(yīng)點處的上下壓差呈現(xiàn)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(zhuǎn)向架上的雪花顆粒黏附數(shù)明顯減少。列車運(yùn)行2s時，1～6號轉(zhuǎn)向架及導(dǎo)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(zhuǎn)向架及導(dǎo)流板上的堆積，與原方案相比總雪花顆粒黏附數(shù)降低了51.03%。