田忠浩 梁士民 張澤群 胡松濤 肖 健 張 君

(1 青島理工大學環(huán)境與市政工程學院 青島 266520；2 中車株洲電力機車有限公司 株洲 412000；3 青島地鐵集團有限公司 青島 266520)

列車在長途行駛過程中，由于地域跨度較大，將面臨復(fù)雜多變氣候，其中暴風雪天氣對列車的安全行駛影響最為嚴重，風吹雪會降低司機視野能見度，極易導(dǎo)致列車運行事故。為了預(yù)防此類事故的發(fā)生[1-2]，國際標準規(guī)范CEN-TR 16251[3]中提出需要對列車進行飄雪實驗。因此，列車投運前需在人工環(huán)境室通過模擬的自然飄雪過程，檢驗列車在行駛過程中抵御風吹雪影響的能力。

目前，國內(nèi)外針對冰雪顆粒運動機理的研究大多集中于自然環(huán)境[4-6]及風洞實驗條件下[7-9]，冰雪顆粒的運動特性研究均表明粒徑[10-11]、風速[12-14]、密度[15-16]和溫度[17-19]等因素是影響雪粒運動軌跡的關(guān)鍵。然而，針對列車人工氣候室環(huán)境下飄雪過程研究較少，尤其在氣候室出風和飄雪設(shè)備飄雪的多流體耦合影響下的冰雪粒子運動特性尚不清晰，因此，亟待開展列車人工氣候室條件下飄雪過程冰雪粒子運動特性研究，為列車人工氣候室飄雪實驗提供技術(shù)支持。在CEN-TR 16251規(guī)范中并未明確飄雪實施細則，且受人工室氣流和飄雪設(shè)備氣流耦合影響，導(dǎo)致人工環(huán)境室飄雪均勻性效果不佳。

本文依托某機車廠列車人工氣候?qū)嶒炇?，采用?shù)值模擬的方法，研究列車人工氣候室飄雪過程冰雪粒子運動特性，建立綜合多參數(shù)的冰雪粒子運動軌跡預(yù)測模型，研究結(jié)果可為列車氣候室飄雪實驗方案的實施提供技術(shù)支持。

1 數(shù)值模型建立

1)列車人工氣候?qū)嶒炇椅锢砟Ｐ?/p>

依托某機車廠列車人工氣候模擬實驗室(以下簡稱氣候室)，建立物理模型，如圖1所示，主要包括氣候室試驗倉、人工氣候室送風格柵、太陽能輻射燈、主輔造雪平臺和回風口等，詳細技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 列車人工氣候?qū)嶒炇椅锢砟Ｐ虵ig.1 Physical model of train artificial climate laboratory

表1 物理模型詳細技術(shù)參數(shù)Tab.1 Detailed technical parameters of the physical model

2)網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對三維立體模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)約為2 300 000，網(wǎng)格最小尺寸為0.05 m。

圖2 物理模型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.2 Physical model unstructured grid

3)計算方法及模擬工況

采用三維不可壓縮的標準k-ε瞬態(tài)湍流方程，求解氣候室內(nèi)湍流流動現(xiàn)象[20]。通過主輔造雪平臺釋放冰雪粒子，模擬飄雪過程冰雪粒子運動特性，冰雪粒子的運動選取歐拉-拉格朗日方法的氣液兩相流DPM模型[21]。對于列車人工氣候?qū)嶒炇覂?nèi)速度場和壓力場的相互耦合，采用SIMPLE算法[22-25]，該算法可以滿足三維空間內(nèi)冰雪粒子運動規(guī)律。

為了準確探究整車人工氣候室飄雪過程冰雪粒子運動特性，綜合考慮冰雪粒子直徑D、初速度v0、氣候室溫度T和氣候室送風風速v等關(guān)鍵因素，設(shè)計工況如表2所示。模型中人工氣候室送風格柵設(shè)置為速度入口，風速范圍為0～7.93 m/s。主輔造雪平臺出雪口也設(shè)置為速度入口，風速范圍為0～7.82 m/s，回風口設(shè)置為自由出流，主輔造雪平臺壁面、太陽能輻射燈及燈架、人工氣候室壁面均設(shè)置為無滑移壁面，具體信息如表3所示。此外，主輔造雪平臺造雪量為0.011 kg/s，冰雪粒子溫度為-10 ℃。

表2 模擬工況Tab.2 Simulation conditions

表3 模型邊界條件及屬性信息Tab.3 Model boundary conditions and attribute information

2 數(shù)值模擬結(jié)果與驗證

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果的驗證

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性，在原型實驗平臺針對模擬工況條件進行結(jié)果驗證實驗。

測點布置如圖3所示，在圖中標記位置分別布置4個風速測點和溫度測點，其中風速測點采用6006型熱式風速儀(測量范圍：0.01～20.00 m/s，測量精度：±0.05 m/s)，每隔10 min記錄一次風速，最終取該測點的平均值。溫度測點采用Pt100(測量范圍：-50～150 ℃，測量精度：±0.1 ℃)，逐時記錄溫度波動，測量時間為1 h，為了更加準確的表示溫度真值，最終各測點溫度采用平均值。

圖3 測點布置圖Fig.3 Side point layout distribution map

測點位置風速的測試值和模擬值對比結(jié)果如圖4(a)所示，測試值和模擬值誤差均在-9.66%～9.97%之間。圖4(b)為1 h內(nèi)溫度為-5 ℃工況下各測點溫度的模擬值與測試值對比，測試值和模擬值誤差均在-5.66%～8.23%之間?？芍獪y試結(jié)果表明溫度和速度的相對誤差率均符合±10%以內(nèi)，模擬條件下的結(jié)果是可信的。

圖4 模擬工況條件下不同測點的模擬值與測試值對比Fig.4 Comparison of simulated and measured values at different measuring points under simulated working conditions

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為了研究列車人工氣候模擬實驗室條件下飄雪過程冰雪粒子運動特性，針對不同冰雪粒子直徑、初速度、氣候室溫度和氣候室送風風速等條件分別進行數(shù)值模擬。

不同粒徑下氣候室內(nèi)冰雪粒子的運動軌跡如圖5(a)所示。粒徑為1.6 mm的冰雪粒子運動軌跡呈現(xiàn)出明顯“上下兩束”的分層形態(tài)，而粒徑為2.4 mm和3.2 mm的運動軌跡則表現(xiàn)為相對集中的一束流體。同時可以看到，軌跡的斜率隨著粒徑的增大而增大，且落點的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度分別近似為25.2°、36.6°、46.1°。此外，隨著粒徑的增大，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域逐漸縮小，覆雪面積分別達到了24.90、6.87、6.69 m2，且落雪區(qū)域中心位置逐漸靠近主/輔造雪平臺，落點的平均位置到主/輔造雪平臺的底部平均距離依次為6.51、4.13、2.95 m。綜上分析，冰雪粒子直徑增大1倍，傾斜角增大82.9%，落雪面積減少73.1%，落雪距離縮短54.7%。

圖5 人工氣候?qū)嶒炇覂?nèi)冰雪粒子的運動軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of the trajectory of ice and snow particles in the artificial climate laboratory

不同初始風速下冰雪粒子的運動軌跡如圖5(b)所示。初始風速為4.67 m/s的冰雪粒子運動軌跡呈現(xiàn)出明顯“主次分明”的多束流形態(tài)，而初始風速為6.26 m/s和7.82 m/s的運動軌跡則表現(xiàn)為相對集中的一束流體。同時可以看到，軌跡的斜率幾乎無變化，且落點的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度分別近似為36.1°、36.6°、7.9°。此外，隨著初始風速的增大，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域逐漸縮小，覆雪面積分別達到17.50、6.87、6.43 m2，且落雪區(qū)域中心位置距主/輔造雪平臺的距離相近，落點的平均位置到主/輔造雪平臺的底部平均距離依次為4.21、4.13、3.94 m。綜上分析，冰雪粒子初始風速增大67.5%，傾斜角增大5%，落雪面積減少63.3%，落雪距離縮短6.41%。

不同氣候室風速下冰雪粒子的運動軌跡如圖5(c)所示。氣候室風速為6.00 m/s的冰雪粒子運動軌跡呈現(xiàn)出明顯“星飛云散”的零亂形態(tài)，而氣候室風速為1.98 m/s和3.97 m/s的運動軌跡則表現(xiàn)為相對集中的一束流體。同時可以看到，軌跡的斜率隨著氣候室風速的增大而減小，且落點的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度分別近似為65.5°、36.6°、21.4°。此外，隨著氣候室風速的增大，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域逐漸增大，覆雪面積分別達到5.84、6.87、34.5 m2，且落雪區(qū)域中心位置逐漸遠離主/輔造雪平臺，落點的平均位置到主/輔造雪平臺的底部平均距離依次為1.40、4.13、7.83 m。綜上分析，人工氣候室風速增大約2倍，傾斜角減小67.3%，落雪面積增大約500%，落雪距離延長約460%。

不同氣候室溫度下冰雪粒子的運動軌跡如圖5(d)所示。冰雪粒子運動軌跡無明顯差異，且運動軌跡則一致表現(xiàn)為相對集中的一束流體。同時可以看到，軌跡的斜率不隨著氣候室溫度降低而變化，且落點的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度均近似為36.6°。此外，隨著氣候室溫度的降低，冰雪粒子在氣候室地面的落雪區(qū)域大同小異，覆雪面積均達到6.87 m2，且落點的平均位置到主/輔造雪平臺的底部的平均距離為4.13 m。

3 多參數(shù)耦合下冰雪粒子運動軌跡預(yù)測模型與驗證

綜合上述分析，根據(jù)模擬結(jié)果明確了冰雪粒徑、初始風速和人工氣候室風速等是影響冰雪粒子運動特性的關(guān)鍵因素。多參數(shù)耦合條件下冰雪粒子的模擬結(jié)果如表4所示。為了有效表征冰雪粒徑、冰雪粒子初始風速和人工氣候室風速等因素耦合影響下的運動軌跡，依據(jù)上述結(jié)果進行擬合，建立冰雪粒徑、冰雪粒子初始風速和人工氣候室風速等參數(shù)耦合下的預(yù)測模型，分別如式(1)～式(3)所示，相關(guān)系數(shù)R2依次分別達到了0.98、0.96和0.83，擬合度較高。該模型適用范圍：冰雪粒子粒徑0～3.2 mm、初始風速0～7.82 m/s、氣候室風速0～6.00 m/s和氣候室溫度處于0 ℃以下環(huán)境。

表4 多參數(shù)耦合條件下冰雪粒子的模擬結(jié)果Tab.4 Simulation results of ice and snow particles under multi-parameter coupling conditions

L=3.93-2.23D-0.08v0+1.6v

(1)

θ=arctan(1.28-0.73D-0.03v0+0.52v)

(2)

S=35.47-1.14D-3.51v0+7.15v

(3)

式中：L為冰雪粒子落雪區(qū)域中心位置到主/輔造雪平臺的距離，m；S為冰雪粒子平均落雪區(qū)域面積，m2；θ為落點的平均位置到主/輔造雪設(shè)備出雪口的傾斜角度，(°)；D為冰雪粒子直徑，mm;v0為冰雪粒子初始風速，m/s;v為人工氣候室風速，m/s。

為了揭示該模型的準確性，依據(jù)模擬條件設(shè)置4個工況(工況2、工況4、工況6和工況7)進行測試，研究多參數(shù)耦合下冰雪粒子運動軌跡預(yù)測的適用性。不同模擬工況條件下L和S的模擬值與測試值對比如圖6所示。由圖6可知，兩種結(jié)果下L的偏差均在-0.26～0.71 m之間，相對誤差均在-4.2%～8.3%之間；S的偏差均在-2.09～1.52 m2之間，相對誤差均在-9.2%～8.6%之間。

圖6 不同模擬工況條件下L和S的模擬值與測試值對比Fig.6 Comparison of simulated and measured values of L and S under different simulated conditions

4 結(jié)論

本文依托某機車廠列車人工氣候?qū)嶒炇?，采用?shù)值模擬方法，研究了列車人工氣候室環(huán)境下飄雪過程冰雪粒子運動特性，得到如下結(jié)論：

1)氣候室內(nèi)影響冰雪粒子運動特性的關(guān)鍵因素為冰雪粒子粒徑、初始風速和人工氣候室風速等。當冰雪粒徑從1.6 mm增至3.2 mm時，軌跡傾角增大82.9%，落雪面積減少73.1%，落雪距離縮短54.7%。；初始風速從4.67 m/s增至7.82 m/s時，軌跡傾角增大5%，落雪面積減少63.3%，落雪距離縮短6.41%；當氣候室風速從1.98 m/s增至6.00 m/s時，軌跡傾角減小67.3%，落雪面積增大約500%，落雪距離延長約460%。同時結(jié)果表明，人工氣候室溫度的變化對冰雪粒子運動軌跡的無影響。

2)根據(jù)耦合冰雪粒子粒徑、初始風速和人工氣候室風速等參數(shù)，建立了漂浮距離、落雪區(qū)域及軌跡斜率等表征冰雪粒子運動軌跡的特征參數(shù)計算模型，可準確預(yù)測冰雪粒子運動特性，該模型適用范圍：冰雪粒子粒徑0～3.2 mm、初始風速0～7.82 m/s、氣候室風速0～6.00 m/s。