王 楓，高永杰，趙 興

(1.大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

0 引言

列車在風(fēng)雪環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，雪花顆粒容易隨周圍列車風(fēng)卷入轉(zhuǎn)向架區(qū)域形成堆積，直接影響空氣彈簧、制動(dòng)裝置等重要部件的正常工作，嚴(yán)重惡化車輛動(dòng)力學(xué)性能[1-4]。針對高速列車轉(zhuǎn)向架積雪問題，國內(nèi)外學(xué)者主要從以下2個(gè)方面展開研究：在轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)流場方面，韓運(yùn)動(dòng)等[5]對高速列車轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)流場進(jìn)行了實(shí)車測試和數(shù)值模擬，從流場的角度分析了轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流流動(dòng)規(guī)律，Iglesias等[6]研究發(fā)現(xiàn)氣流在進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域后，會(huì)圍繞各部件形成復(fù)雜的紊流；在轉(zhuǎn)向架防積雪措施的研究方面，蔡華閩[7]針對車體底部外形設(shè)計(jì)了三角形車底外形和圓弧形車底外形模型，防積雪性能分別提升了37.83%和29.35%，Andersson等[8]對高寒地區(qū)運(yùn)行的高速列車車體外形和轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了優(yōu)化，對列車制動(dòng)、懸掛系統(tǒng)等積雪嚴(yán)重部位進(jìn)行了改進(jìn)。

一方面，目前大多數(shù)的研究僅從單相流(風(fēng)場)角度考慮轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場特性，但事實(shí)上單相流因?yàn)闆]有考慮雪花顆粒特性(包括速度、位移、直徑、質(zhì)量流量和密度等)，因此對轉(zhuǎn)向架積雪成因會(huì)存在一定偏差[9]。另一方面，對于轉(zhuǎn)向架區(qū)域設(shè)計(jì)添加導(dǎo)流板，缺少一個(gè)通用的設(shè)計(jì)依據(jù)，難以保證加裝后防積雪的效果。研究結(jié)果表明，利用流動(dòng)場協(xié)同理論可以實(shí)現(xiàn)對流場的優(yōu)化，因?yàn)槠湟罁?jù)最小機(jī)械能原理，對速度和速度梯度場進(jìn)行協(xié)同，能夠獲得流動(dòng)阻力最小時(shí)的最佳流場[10]，因此以協(xié)同流場中的流線作為導(dǎo)流板設(shè)計(jì)依據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)流板安裝位置和形狀的優(yōu)化。

本文基于三維非定常不可壓縮N-S方程和離散相模型,對風(fēng)雪兩相流條件下轉(zhuǎn)向架積雪成因進(jìn)行了分析，并利用流動(dòng)場協(xié)同原理對轉(zhuǎn)向架區(qū)域加裝的防積雪導(dǎo)流板裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效減少了轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪花顆粒的堆積，得到了轉(zhuǎn)向架防積雪的優(yōu)化方案。

1 計(jì)算流體力學(xué)基本理論

1.1 基于歐拉法的N-S方程

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)宏觀上假設(shè)流體是連續(xù)的，流體質(zhì)點(diǎn)可以充滿整個(gè)計(jì)算空間，即單位時(shí)間增加的流體微元體質(zhì)量與流入微元體質(zhì)量的凈質(zhì)量相等。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

u、v、w分別為x、y、z方向的速度矢量;ρ為流體密度;t為時(shí)間。

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒是對于所有研究的流體，其在動(dòng)量上的變化率等于作用在其上面的表面力與體積力的總和。動(dòng)量守恒方程也被稱為Navier-Stokes (N-S)方程。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

μ為動(dòng)粘性系數(shù)；τij為粘性應(yīng)力；δij為克羅內(nèi)克函數(shù)。

1.2 離散相顆粒模型

離散相模型是將氣流看作連續(xù)相，雪花顆?？醋麟x散相來計(jì)算，它把顆粒與氣體之間、顆粒與顆粒之間的相互作用都考慮了進(jìn)去。由于雪花顆粒的體積較小，質(zhì)量較輕，分布的體積濃度小于10%，因此本文選用拉格朗日離散相模型對雪花顆粒進(jìn)行離散相分析。把雪花顆粒的質(zhì)量、動(dòng)量的交換與連續(xù)相進(jìn)行耦合計(jì)算，表達(dá)式為：

(3)

(4)

nk、mk為第k組粒子的密度數(shù)；Fj為離散相與連續(xù)相耦合作用力；mp為顆粒質(zhì)量流率；Δt為時(shí)間步長。

1.3 流動(dòng)場協(xié)同方程

流體在流動(dòng)過程中所受阻力主要來源于機(jī)械能的粘性耗散，因此在考慮給定約束條件下通過對粘性耗散函數(shù)求最小值，可以獲得流動(dòng)阻力最小時(shí)的最佳流場。粘性耗散函數(shù)為

(5)

對黏性耗散函數(shù)構(gòu)造拉格朗日函數(shù)求極值，聯(lián)合流動(dòng)N-S方程，可以得到原N-S方程中附加體積力為

(6)

通過建立不可壓縮湍流場協(xié)同減阻模型，修改模型動(dòng)量方程的源項(xiàng)，可以求解得到一個(gè)理想化的“完全場協(xié)同流場”[11]。

2 風(fēng)雪兩相流條件下轉(zhuǎn)向架積雪分析

空間流線分布可以直觀顯示列車轉(zhuǎn)向架氣流流向、流速和渦流狀況，通過分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線，對研究轉(zhuǎn)向架積雪原因和分布具有重要意義。在列車運(yùn)行時(shí)，由于高速氣流的作用，轉(zhuǎn)向架部件受氣流沖擊表現(xiàn)為正壓的區(qū)域易產(chǎn)生積雪問題。因此，可以從轉(zhuǎn)向架各部件表面壓力云圖來分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪的原因。由于慣性力的存在，轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)雪花顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與氣流軌跡會(huì)有一定的偏移，因此采用離散相模型對雪花顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)向架積雪原因。

2.1 轉(zhuǎn)向架計(jì)算模型

利用離散相模型對風(fēng)雪兩相流條件下雪花顆粒的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真時(shí)，考慮到雪花顆粒不適用相似性準(zhǔn)則[12]，故計(jì)算模型比例應(yīng)保持1∶1，若采用3節(jié)組整車模型，網(wǎng)格數(shù)量會(huì)非常多，離散相方法的計(jì)算也會(huì)特別大。研究發(fā)現(xiàn)車頭和車尾距離轉(zhuǎn)向架區(qū)域較遠(yuǎn)，其外形變化對于轉(zhuǎn)向架流場影響較小，綜合考慮后取轉(zhuǎn)向架及其臨近區(qū)域進(jìn)行仿真[13]，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

數(shù)值仿真計(jì)算域的建立應(yīng)與風(fēng)洞試驗(yàn)裝置保持一致[14]。本文選取計(jì)算域如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架計(jì)算域示意圖

采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸設(shè)置：外流場最大網(wǎng)格尺寸為200 mm，車體最大尺寸為50 mm，轉(zhuǎn)向架最大尺寸為10 mm(空氣彈簧、構(gòu)架、枕梁和中心牽引)，最小尺寸為5 mm(牽引電機(jī)、齒輪箱和軸箱)，此外，在轉(zhuǎn)向架各部件表面設(shè)置8層附面層網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)量2 800萬，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 對稱面的外流場體網(wǎng)格

2.3 邊界條件設(shè)置

考慮到列車運(yùn)行時(shí)的流場是湍流流動(dòng)，因此在對計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)使用RNGk-ω兩方程湍流模型，同時(shí)為了提高計(jì)算精度，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，并采用SIMPLE算法進(jìn)行仿真計(jì)算。對于風(fēng)雪兩相流的數(shù)值仿真計(jì)算邊界可分為空氣相邊界(參數(shù)如表1所示)和離散相邊界(參數(shù)如表2所示)。

表1 空氣相流場邊界條件

表2 離散相流場邊界條件

2.4 轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪原因分析

2.4.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場特性分析

轉(zhuǎn)向架主要由牽引電機(jī)、空氣彈簧、齒輪箱和構(gòu)架等部件組成。為了更準(zhǔn)確地分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場，在各主要部件位置處作切面，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向架切片位置

從圖5a可以看出，氣流主要從列車底部進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，在流經(jīng)轉(zhuǎn)向架區(qū)域前段時(shí)，由于空間瞬間擴(kuò)大，一部分氣流會(huì)在輪對、牽引電機(jī)和齒輪箱等部件的迎風(fēng)側(cè)發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，其中大部分氣流上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域，并在隔墻傾角處形成大面積渦流。還有一部分氣流在前后輪對處上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域上方。

圖5 轉(zhuǎn)向架截面流線

從圖5b可看出，當(dāng)列車運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向架內(nèi)部大部分氣流速度小于30 m/s，氣流速度較低的區(qū)域主要集中在枕梁、牽引電機(jī)與齒輪箱附近。大面積渦流主要出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架前后隔墻傾角處。從圖5c可以看出，小型渦流集中在牽引電機(jī)與輪對附近、空氣彈簧與構(gòu)架下端附近。由于大量低速渦流的存在，雪花顆粒會(huì)在流經(jīng)渦流后，在低速氣流區(qū)域落下形成堆積。

2.4.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域壓力場特性分析

從圖6a可以看出，列車在運(yùn)行過程中會(huì)在轉(zhuǎn)向架部件迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較大的正壓，此處的雪花顆粒隨高速氣流快速運(yùn)動(dòng)，不易造成堆積。但轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部緊湊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)對高速氣流產(chǎn)生較大的阻礙作用，攜帶雪花顆粒的氣流在速度較低的負(fù)壓區(qū)域會(huì)因重力因素堆積到轉(zhuǎn)向架部件表面。

從圖6b可以看出，輪對所處位置為車體底板下方，直接受氣流沖擊影響較大，由圖5知此處附近氣流流速最高，因此所受壓力最大，構(gòu)架和牽引電機(jī)次之，其中輪對、枕梁和齒輪箱等部件周圍壓力差較大，尤其是輪對附近，前輪對正面受正壓，背面受負(fù)壓影響，后輪對正面壓力小于背面壓力，說明氣流在轉(zhuǎn)向架輪對附近速度較快，發(fā)生了繞流現(xiàn)象，雪花顆粒容易在后端區(qū)域回流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架。后期在對轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加裝整流裝置時(shí)，需要考慮轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域回流現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 轉(zhuǎn)向架壓力云圖

2.4.3 風(fēng)雪兩相流條件下雪花顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析

為了更加清楚地分析雪花顆粒在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的運(yùn)動(dòng)特性，選擇1組雪花顆粒從進(jìn)入到流出轉(zhuǎn)向架的1個(gè)時(shí)間周期進(jìn)行觀察。當(dāng)時(shí)間t=0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s、0.6 s、0.7 s時(shí),雪花顆粒運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 雪花顆粒不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖7可以看出，t=0.2 s時(shí)雪花顆粒開始進(jìn)入轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域，一部分雪花顆粒隨列車底部高速氣流最先到達(dá)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架前端、前牽引電機(jī)、前齒輪箱與前輪對處；t=0.3 s時(shí)，一部分雪花顆粒隨氣流在前牽引電機(jī)、前齒輪箱等部件迎風(fēng)側(cè)開始上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域上方，還有一部分雪花顆粒在前輪對處發(fā)生繞流，進(jìn)入轉(zhuǎn)向架中部區(qū)域；t=0.4 s時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)向架上方區(qū)域的雪花顆粒一部分仍處于渦流中，另一部分雪花顆粒隨低速氣流落在渦流附近的轉(zhuǎn)向架部件表面進(jìn)而形成堆積；t=0.5 s時(shí)，大部分雪花顆粒隨氣流開始向轉(zhuǎn)向架區(qū)域后方運(yùn)動(dòng)，主要聚集在后齒輪箱與牽引電機(jī)附近，由圖5c可知，后齒輪箱與牽引電機(jī)附近存在大量低速渦流，此處積雪情況較為嚴(yán)重；t=0.7 s時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域后方的雪花顆粒隨氣流在隔墻傾角處流出轉(zhuǎn)向架。

通過分析雪花顆粒的運(yùn)動(dòng)特性可以得出，雪花顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與氣流軌跡類似，二者均在構(gòu)架前端、前齒輪箱與前牽引電機(jī)等部件迎風(fēng)側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域上方，并在轉(zhuǎn)向架內(nèi)部區(qū)域形成大大小小的繞流。因此，雪花顆粒的運(yùn)動(dòng)特性與轉(zhuǎn)向架的流場特性有著密切的關(guān)系，通過改善轉(zhuǎn)向架的流場結(jié)構(gòu)可以有效減少轉(zhuǎn)向架積雪量。

通過對轉(zhuǎn)向架空間流線、壓力場、雪花顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析，可以知道：一部分雪花顆粒隨高速氣流分別在區(qū)域前端和構(gòu)架中部上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架，另一部分雪花顆粒在后端折返回流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架，在大面積低速渦流的作用下，堆積到轉(zhuǎn)向架各部件表面。基于上述研究結(jié)果，可以考慮在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前后兩端安裝導(dǎo)流板，抑制雪花顆粒前端上揚(yáng)以及后端回流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架的趨勢。

3 轉(zhuǎn)向架防積雪導(dǎo)流板設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述分析結(jié)果，通過在前后端面處安裝下斜導(dǎo)流板，減少轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

在考慮整車阻力、升力和傾覆力矩的前提下，以轉(zhuǎn)向架高度為基準(zhǔn)，前端導(dǎo)流板下斜距離h最高取轉(zhuǎn)向架高度H的70%。

3.2 導(dǎo)流板下斜高度對轉(zhuǎn)向架積雪的影響

分別對導(dǎo)流板下斜高度0%H、10%H、20%H、30%H、40%H、50%H、60%H、70%H進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖9所示。

從圖9a可以看出，原始轉(zhuǎn)向架流場中，前端氣流在進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)，發(fā)生明顯的上揚(yáng)偏轉(zhuǎn)，從而在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前端形成大面積渦流；從圖9b～圖9h可以看出，在轉(zhuǎn)向架前端設(shè)置下斜導(dǎo)流板能夠有效抑制氣流上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架的趨勢，而且隨著下斜高度的增大，上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流越少，流經(jīng)轉(zhuǎn)向架底端的氣流越多。

圖9 不同下斜高度下轉(zhuǎn)向架流場

由圖10可知，在轉(zhuǎn)向架前端加裝下斜導(dǎo)流板后，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪量減少，并且在一定范圍內(nèi)導(dǎo)流板下斜高度越大，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪量就越少。但是隨著導(dǎo)流板下斜距離增加，整車阻力、升力和傾覆力矩較原型車會(huì)有所增加，綜合考慮取導(dǎo)流板下斜距離為50%H時(shí)進(jìn)行流場優(yōu)化。

圖10 導(dǎo)流板下斜高度與雪花顆粒堆積數(shù)量

4 轉(zhuǎn)向架流場優(yōu)化

4.1 湍流場協(xié)同模型構(gòu)建

基于流動(dòng)場協(xié)同原理推導(dǎo)流動(dòng)場協(xié)同方程，把推導(dǎo)出的方程通過編寫UDF給Fluent軟件中動(dòng)量輸運(yùn)方程添加源項(xiàng)，求解一個(gè)不可壓縮湍流的轉(zhuǎn)向架流場，得到“完全場協(xié)同流場”。并依據(jù)其中的流線作為導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，對轉(zhuǎn)向架流場進(jìn)行優(yōu)化，“完全場協(xié)同流場”如圖11所示。

圖11 完全場協(xié)同流場截面圖

由圖11可知，求解流動(dòng)場協(xié)同方程后得到的“完全場協(xié)同流場”流線較為均勻，原始流場中的渦流結(jié)構(gòu)和回流現(xiàn)象均消失了。為了讓優(yōu)化后的流場更為貼近“完全場協(xié)同流場”，截取“完全場協(xié)同流場”流線段，并以該流線形式確定導(dǎo)流板形式及安裝位置，如圖12所示。

圖12 協(xié)同場導(dǎo)流板示意圖

4.2 協(xié)同場導(dǎo)流板優(yōu)化結(jié)果

對添加協(xié)同場導(dǎo)流板后的轉(zhuǎn)向架在相同邊界條件下進(jìn)行仿真，優(yōu)化前后流場對比結(jié)果如圖13所示。

圖13 添加協(xié)同場導(dǎo)流板前后流場對比

通過優(yōu)化前后轉(zhuǎn)向架流場對比可以看出，加裝了以“完全場協(xié)同流場”流線形狀為依據(jù)設(shè)計(jì)的導(dǎo)流板后，轉(zhuǎn)向架流場前隔墻傾角處的渦流結(jié)構(gòu)得到了較大改善，牽引電機(jī)與輪對附近、空氣彈簧與構(gòu)架下端附近的小型渦流也大量減少。優(yōu)化前后同一時(shí)刻下雪花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖14所示。

由圖14可知，雪花顆粒在流經(jīng)轉(zhuǎn)向架時(shí)，由于前端導(dǎo)流板的阻礙作用，大部分雪花顆粒會(huì)從底部流出轉(zhuǎn)向架，前端上揚(yáng)和后端回流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪花顆粒也大量減少，流場優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量減少了73.6%。

圖14 優(yōu)化前后同一時(shí)刻雪花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡對比

5 結(jié)束語

本文采用CFD數(shù)值模擬方法研究了某高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪問題，分析了轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流流動(dòng)特性、壓力特性、風(fēng)雪兩相流條件下雪花顆粒運(yùn)動(dòng)特性，以及不同速度下轉(zhuǎn)向架積雪情況，分別在轉(zhuǎn)向架前端和后端設(shè)計(jì)添加了直線型導(dǎo)流板，并通過場協(xié)同理論對添加導(dǎo)流板后的流場進(jìn)行了優(yōu)化?；谏鲜鲅芯康贸鋈缦陆Y(jié)論：

a.雪花顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與氣流流動(dòng)軌跡類似，列車底部高速氣流攜帶雪花顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)發(fā)生上揚(yáng)，在轉(zhuǎn)向架內(nèi)部形成大量低速渦流，雪花顆粒在低速渦流附近形成堆積。

b.轉(zhuǎn)向架前端設(shè)置下斜導(dǎo)流板能夠有效抑制氣流上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架的趨勢，隨著導(dǎo)流板下斜距離的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪量明顯減少。

c.采用流動(dòng)場協(xié)同原理，以“完全場協(xié)同流場”中的流線作為導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，對轉(zhuǎn)向架流場優(yōu)化后，轉(zhuǎn)向架流場前隔墻傾角處的渦流結(jié)構(gòu)得到了較大改善，牽引電機(jī)與輪對附近、空氣彈簧與構(gòu)架下端附近的小型渦流也大量減少，積雪量相比原模型減少73.6%。