謝菲，高廣軍，何侃，陳功

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.中車(chē)株洲機(jī)車(chē)電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412001)

高速列車(chē)在寒冷的冬季運(yùn)行時(shí)，軌道上的積雪會(huì)受到列車(chē)風(fēng)影響，在列車(chē)的底部和尾部飛揚(yáng)[1]。此外，列車(chē)轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)、制動(dòng)鉗夾等設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱能。當(dāng)空氣中運(yùn)動(dòng)的雪粒子接觸這些發(fā)熱設(shè)備時(shí)，將會(huì)融化為水，進(jìn)一步在高寒低溫條件下凝結(jié)成冰。因此，列車(chē)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，積雪會(huì)在轉(zhuǎn)向架區(qū)域持續(xù)堆積，最終形成厚重的冰雪混合物，如圖1所示。這一現(xiàn)象將增加轉(zhuǎn)向架配重，危害轉(zhuǎn)向架各關(guān)鍵部件的工作性能，進(jìn)而對(duì)列車(chē)行車(chē)安全產(chǎn)生極大隱患。針對(duì)列車(chē)積雪結(jié)冰問(wèn)題，JEMT[2]采用對(duì)環(huán)境無(wú)害的加熱丙二醇作為材料加入除冰設(shè)備中，來(lái)改善瑞典等北歐國(guó)家的軌道積雪問(wèn)題。PAULUKUHN等[3]針對(duì)俄羅斯冬季低溫、多雪環(huán)境，為保證列車(chē)能夠經(jīng)得起無(wú)法避免的冰雪侵害，在除冰后的列車(chē)底部噴射水和丙烯類(lèi)混合液，從而減少結(jié)冰。BETTEZ[4]針對(duì)日本鐵路線的列車(chē)運(yùn)行對(duì)高效除冰的要求，采用噴灑器作為除冰裝置，有效解決了因積雪結(jié)冰而導(dǎo)致列車(chē)延誤的問(wèn)題。綜上所述，來(lái)自于冬季處于高寒環(huán)境國(guó)家的研究人員提出了一系列的列車(chē)防積雪應(yīng)對(duì)策略。然而，針對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪結(jié)冰研究鮮有文獻(xiàn)提及。高廣軍等[5-8]采用化學(xué)發(fā)熱材料或物理結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方式來(lái)改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪情況。丁叁叁等[9-11]均對(duì)列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰問(wèn)題開(kāi)展了流場(chǎng)數(shù)值模擬研究。然而，這些研究?jī)H從流場(chǎng)進(jìn)風(fēng)量的角度間接預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪情況，并未考慮雪粒子在空氣中的分布。雪粒子雖對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)具有一定跟隨性，但氣流出現(xiàn)擾動(dòng)或者流速降低時(shí)，雪粒子的運(yùn)動(dòng)慣性將使得其對(duì)流場(chǎng)的跟隨性減弱。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，由于復(fù)雜幾何模型影響，氣流較為紊亂，存在大量湍流結(jié)構(gòu)，且流速相對(duì)車(chē)身周?chē)鲌?chǎng)較低。與真實(shí)情況相比，僅從流場(chǎng)的角度考慮轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪分布有失偏頗。因此，本文試圖從風(fēng)雪兩相流的角度探索轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪分布情況。關(guān)于風(fēng)雪兩相流，F(xiàn)UJII 等[12]針對(duì)日本鐵路積雪情況進(jìn)行研究，采用實(shí)驗(yàn)的方式分析了雪粒子運(yùn)動(dòng)的臨界風(fēng)速與雪密度及含水量之間的關(guān)系，提出雪粒子初始密度范圍為36～132 kg/m3。TOMINAGA 等[13]采用數(shù)值仿真對(duì)雪粒子的堆積、侵蝕等情況進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出雪粒子的密度為100 kg/m3時(shí)數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。桑嘉賓[14]建立風(fēng)雪流的數(shù)值模型，研究了混合粒徑，得出雪粒子直徑的影響因素，指出雪粒子直徑一般分布在0～0.6 mm 之間，且主要集中在0.2 mm 附近。莫華美[15]針對(duì)屋面積雪分布建立了風(fēng)雪流數(shù)值模型，利用該數(shù)值模型對(duì)屋面上的積雪分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，指出雪粒子直徑主要分布在0～0.4 mm 之間。TOMINAGA 等[16]采用CFD 數(shù)值模擬仿真的方法模擬雪粒子的堆積深度，并且采用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬方法的可行性。BEYERS等[17]采用數(shù)值仿真模擬了雪粒子在建筑物周?chē)鸩叫纬啥逊e的過(guò)程，有助于在建筑設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)潛在的積雪情況進(jìn)行處理。SERINE 等[18]將兩維空間上的雪粒子數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比，并將其推廣到三維空間上，從而確定雪粒子數(shù)值仿真的可行性。張強(qiáng)等[19]基于歐拉兩相流理論和擴(kuò)展傳熱模型，提出一種模擬飛機(jī)機(jī)翼積雪結(jié)冰的方法，并在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。GORDON 等[20-21]針對(duì)嚴(yán)寒天氣的積雪現(xiàn)象，對(duì)雪粒子的形狀、大小、速度及密度等進(jìn)行研究，得出雪粒子的相關(guān)物理性質(zhì)。SATO 等[22]針對(duì)在強(qiáng)風(fēng)情況下的雪粒子破碎問(wèn)題，采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)積雪的密度進(jìn)行研究，并在實(shí)地觀測(cè)結(jié)果中驗(yàn)證其合理性。ZHOU 等[23]采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓屋頂?shù)难┝Ｗ蝇F(xiàn)象進(jìn)行模擬，并用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬技術(shù)的可靠性，從而得出湍流模型、風(fēng)速及風(fēng)向等對(duì)積雪的影響。BEYERS等[24]采用數(shù)值方法模擬立方體周?chē)姆e雪情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。韓俊臣等[25]采用三維非定常雷諾時(shí)均模擬高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)和雪粒子分布情況。婁振[26]采用準(zhǔn)瞬態(tài)的方法模擬高速列車(chē)拖車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積冰過(guò)程，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積冰分布特征。上述文獻(xiàn)表明，采用風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬仿方法可以再現(xiàn)積雪分布實(shí)際情況，具有較高的可行性。因此，本文采用數(shù)值模擬方法，復(fù)現(xiàn)列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)流動(dòng)情況，結(jié)合DPM 模型預(yù)測(cè)了雪粒子在空氣中的運(yùn)動(dòng)軌跡，揭示了雪粒子在轉(zhuǎn)向架上的分布情況，并從雪粒子隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的角度描述了轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪形成的原因，為高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰研究提供參考。

圖1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域冰雪混合物堆積Fig.1 Accumulation of the ice and snow mixture in the bogie area

1 研究方法

1.1 物理模型、計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

本文基于轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)，建立了如圖2所示的帶有單個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的高速列車(chē)車(chē)體模型?？紤]到實(shí)際運(yùn)行中，頭車(chē)的結(jié)構(gòu)和形狀與其他車(chē)不一致，不具有普遍性。因此，選擇中間車(chē)型作為研究對(duì)象，在實(shí)踐中能更好地估計(jì)一般轉(zhuǎn)向架上的積雪結(jié)冰情況。該簡(jiǎn)化模型忽略了列車(chē)頭、尾車(chē)等流線型結(jié)構(gòu)對(duì)真實(shí)列車(chē)宏觀流場(chǎng)產(chǎn)生影響的因素，進(jìn)而著眼于轉(zhuǎn)向架區(qū)域。車(chē)體的高度為3.6 m，寬度為3.2 m，長(zhǎng)度為17.6 m。轉(zhuǎn)向架區(qū)域距離車(chē)體迎風(fēng)側(cè)端面距離為6.9 m，使得車(chē)體底部流場(chǎng)在進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域之前得到充分發(fā)展，符合實(shí)際運(yùn)行的列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)情況。同時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域距離車(chē)體背風(fēng)側(cè)端面同樣為6.9 m，使得轉(zhuǎn)向架區(qū)域的尾流得到充分發(fā)展，避免尾流對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)產(chǎn)生干擾。此外，為真實(shí)模擬高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)體底部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，增加了離地高度為0.2 m的鋼軌模型。

圖2 車(chē)體模型Fig.2 Geometry of the train

為模擬車(chē)體周?chē)鲌?chǎng)，建立了長(zhǎng)60 m，寬20 m，高20 m 的計(jì)算區(qū)域，如圖3 所示。車(chē)體上游處(平面ABCD)設(shè)置為速度入口，給定速度為55.56 m/s，使得雷諾數(shù)為1.325×107。車(chē)體下游處(平面EFGH)設(shè)置為壓力出口，給定壓力為0 Pa。車(chē)體兩側(cè)(平面ADHE和平面BCGF)及頂面(平面ABFE)均設(shè)置為固定壁面，模擬風(fēng)洞環(huán)境。地面(平面DCGH)設(shè)置為滑移地面，給定與車(chē)速相同的滑移速度。車(chē)體及轉(zhuǎn)向架壁面設(shè)置為固定壁面。車(chē)體距離氣流入口15 m，車(chē)體兩側(cè)與計(jì)算域側(cè)邊界距離等寬。其中，模型的阻塞比約為2.8%，少于5%，滿足一般鈍體車(chē)輛計(jì)算需求[27]。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，使得庫(kù)朗數(shù)平均值小于1。

圖3 計(jì)算區(qū)域Fig.3 Domain for simulation

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

本文數(shù)值計(jì)算中采用六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格。計(jì)算域采用開(kāi)源計(jì)算流體力學(xué)分析軟件OpenFoam 進(jìn)行SnappyHex 網(wǎng)格離散，網(wǎng)格單元總數(shù)2 000 萬(wàn)。網(wǎng)格采用切割單元(cut-cell)方式，以級(jí)數(shù)遞增方式從計(jì)算域邊界向車(chē)體壁面逐層加密。車(chē)體壁面網(wǎng)格尺寸為0.02 m，轉(zhuǎn)向架壁面網(wǎng)格尺寸為0.01 m。為準(zhǔn)確模擬邊界層流場(chǎng)，在車(chē)體和轉(zhuǎn)向架壁面上布置了8 層附面層網(wǎng)格，近壁面第1 層網(wǎng)格高度為0.6 mm，使得壁面無(wú)量綱化尺寸y+處于30～300 之間。圖4展示了轉(zhuǎn)向架表面網(wǎng)格以及車(chē)身周?chē)?jì)算域剖面網(wǎng)格。

圖4 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Mesh for simulation

為了明確本文數(shù)值模擬不受網(wǎng)格密度的影響，基于相同的壁面法向y+，在流向和展向使用了不同的網(wǎng)格尺度，并采用了中等密度網(wǎng)格和精細(xì)密度網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比。其中，中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格數(shù)量分別是2 000萬(wàn)和4 000萬(wàn)。如圖5所示，為從車(chē)體底面中心線的2 個(gè)網(wǎng)格獲得的時(shí)均壓力系數(shù)Cp。在圖中可以發(fā)現(xiàn)中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格的壓力系數(shù)基本保持一致，說(shuō)明本文采用的中等網(wǎng)格已經(jīng)達(dá)到計(jì)算精度的收斂區(qū)間，具有較好的準(zhǔn)確性。

圖5 車(chē)體底面中心線壓力系數(shù)對(duì)比Fig.5 Time-averaged Cp along the centerline of the bottom surface of the train body

1.3 流場(chǎng)數(shù)值模擬方法

針對(duì)高速列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)，HE 等[28]指出采用大渦模擬(LES)能較好地捕捉湍流特性，但采用改進(jìn)的延遲分離渦(IDDES)或者非穩(wěn)態(tài)雷諾平均(URANS)方法同樣能較為準(zhǔn)確地模擬流場(chǎng)速度及壓力分布。考慮到LES 或IDDES 對(duì)于網(wǎng)格分辨率要求較高，不適應(yīng)于較高雷諾數(shù)條件下的數(shù)值仿真。此外，本文研究?jī)?nèi)容除了對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程求解之外，還需要額外求解雪粒子運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算量較大。因此，本文采用對(duì)網(wǎng)格尺度要求更低、在工程尺度得到廣泛認(rèn)可及應(yīng)用的URANS 方法對(duì)流場(chǎng)部分進(jìn)行求解。Realizablek-?湍流模型能較好地捕捉流動(dòng)分離，保持雷諾應(yīng)力與真實(shí)湍流一致，使計(jì)算結(jié)果更符合真實(shí)性。因此，為適配壁面網(wǎng)格尺寸，選用了Realizablek-?湍流模型，其控制方程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[29]。

1.4 雪粒子數(shù)值模擬方法

風(fēng)吹雪是一種氣固兩相流，根據(jù)現(xiàn)代多相流計(jì)算理論，計(jì)算模型主要有歐拉兩流體模型、混合模型以及拉格朗日粒子軌跡模型等[30]。拉格朗日粒子模型是另一種氣固兩相流計(jì)算方法，目前風(fēng)吹雪數(shù)值模擬中應(yīng)用較少。拉格朗日模型的優(yōu)點(diǎn)是物理概念明確、結(jié)果直觀，可計(jì)入粒子的軌道經(jīng)歷效應(yīng)和歷史效應(yīng)，能得到粒子的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)信息[31]。因此，本文采用拉格朗日隨機(jī)模型方法，對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

在本文中，通過(guò)對(duì)粒子的力平衡方程進(jìn)行積分，來(lái)預(yù)測(cè)離散相粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，作用在粒子上的外力主要包括氣動(dòng)力、重力、曳力等[32]。除此之外，其余力對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)影響相對(duì)較小，在分析中可忽略不計(jì)[30]，其運(yùn)動(dòng)方程見(jiàn)式(1)：

對(duì)方程(1)積分就得到了顆粒軌道上每一個(gè)位置上的顆粒速度，見(jiàn)式(2)：

其中：x為粒子位移矢量，t為時(shí)間。粒子的軌跡是在離散的時(shí)間步長(zhǎng)上逐步進(jìn)行積分運(yùn)算得到的，對(duì)式(2)進(jìn)行積分，就可以得到粒子的軌跡。

對(duì)于車(chē)體、輪對(duì)等不易積雪部件，設(shè)定雪粒子邊界為反射條件；對(duì)于構(gòu)架、電機(jī)、端板、制動(dòng)鉗夾等易積雪部件，設(shè)定雪粒子邊界為捕捉條件，認(rèn)為轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子全部被捕捉，以此來(lái)考慮積雪最嚴(yán)重情況。其中，雪粒子密度為100 kg/m3，雪粒子直徑采用均勻分布為0.2 mm，雪粒子材料為water-liquid，列車(chē)運(yùn)行速度為200 km/h。

此外，時(shí)間步長(zhǎng)Δt由庫(kù)朗數(shù)Co最大值控制，定義為Co=vΔt/Δx。其中，Δx是網(wǎng)格尺寸，v是網(wǎng)格內(nèi)的流體速度。此外，隱式算法中的庫(kù)朗數(shù)范圍為0～100。如圖6 所示，在本文數(shù)值模擬計(jì)算中，庫(kù)朗數(shù)分布為0～11.85，且絕大部分集中在0和1 之間，基本滿足計(jì)算要求。當(dāng)t=2.00 s 時(shí)，氣流多次通過(guò)該區(qū)域(風(fēng)速55.56 m/s)，轉(zhuǎn)向架中的風(fēng)雪流場(chǎng)得到相對(duì)穩(wěn)定和充分發(fā)展。并且，基于課題組多年計(jì)算轉(zhuǎn)向架積雪的經(jīng)驗(yàn)，2 s 的時(shí)間足以使得風(fēng)夾帶的雪粒子數(shù)量在轉(zhuǎn)向架區(qū)域達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。因此，本文的計(jì)算時(shí)間設(shè)置為2 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，共計(jì)2 000步。

圖6 庫(kù)朗數(shù)等值線Fig.6 Contours of the courant number

2 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

關(guān)于本文中流場(chǎng)數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證請(qǐng)參考文獻(xiàn)[33]。本文僅針對(duì)數(shù)值模擬中雪粒子在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布情況進(jìn)行驗(yàn)證分析，開(kāi)展離散相風(fēng)洞試驗(yàn)。該試驗(yàn)在中南大學(xué)高速列車(chē)研究中心的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高速段進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)段的尺寸為3.4 m×1.0 m×0.8 m(長(zhǎng)×寬×高)。由于真實(shí)雪粒子存在難制備、難保存等問(wèn)題，試驗(yàn)中采用了與雪粒子密度相似的木屑粒子(密度約為100 kg/m3)作為替代物。木屑均經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)嚴(yán)格過(guò)濾，挑選出與雪粒子直徑(0.2 mm)大小類(lèi)似的粒子進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)段主要安裝的裝置包括高速列車(chē)原始轉(zhuǎn)向架模型、高速列車(chē)原始車(chē)體模型、固定裝置，其中固定裝置又包括支撐桿、支撐座、分流板以及安裝架等構(gòu)成，如圖7所示。

圖7 模型的安裝與固定Fig.7 Installation and fixation of the model

本次兩相流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需要模擬雪粒子在轉(zhuǎn)向架區(qū)域各關(guān)鍵部件的黏附情況，為此，在轉(zhuǎn)向架和車(chē)體模型表面涂抹蜂蜜以黏附吹過(guò)的木屑。如圖8所示，為涂刷蜂蜜后的轉(zhuǎn)向架以及轉(zhuǎn)向架各個(gè)細(xì)節(jié)部位的示意圖。

圖8 涂刷蜂蜜后的轉(zhuǎn)向架Fig.8 Bogie painted with honey

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性，且保障計(jì)算與試驗(yàn)的一致性，依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)室和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇笮?，建立了和風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯耆嗤臄?shù)值模擬模型，且計(jì)算入口風(fēng)速與風(fēng)洞試驗(yàn)自由流風(fēng)速一致。網(wǎng)格離散原則及數(shù)值模擬方法與本文第1節(jié)描述一致，由于簡(jiǎn)化了車(chē)體模型，網(wǎng)格總數(shù)為1 400萬(wàn)。

圖9展示了風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真計(jì)算的轉(zhuǎn)向架粒子堆積情況。從圖9可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)中木屑分布特點(diǎn)與數(shù)值仿真計(jì)算的積雪分布規(guī)律一致，粒子的堆積均產(chǎn)生在轉(zhuǎn)向架各部件的迎風(fēng)側(cè)。因此，本文采用的數(shù)值仿真計(jì)算方法能較為準(zhǔn)確地模擬雪粒子在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布情況。

圖9 轉(zhuǎn)向架底部表面積雪結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of snow results on the bottom surface of bogie

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

本節(jié)采用第1節(jié)所述流場(chǎng)及雪粒子數(shù)值模擬方法，針對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，得出轉(zhuǎn)向架區(qū)域壓力分布、流線分布、雪粒子分布及轉(zhuǎn)向架表面積雪分布情況。

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域壓力分布

針對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域主要部件的積雪結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行分析，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域作縱截面空間切片，如圖10 所示，切片1 和4 在轉(zhuǎn)向架輪對(duì)、制動(dòng)鉗夾位置，切片2和3在轉(zhuǎn)向架電機(jī)位置。

圖10 轉(zhuǎn)向架區(qū)域切片位置Fig.10 Position of slices in the bogie area

如圖11 所示，展示了轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)均壓力云圖，來(lái)流方向?yàn)閺淖笾劣摇Ｓ捎谇衅? 和4 較為對(duì)稱，為簡(jiǎn)略表達(dá)僅展示切片1，2 和3 上的時(shí)均壓力分布。從圖11 可以看出，輪對(duì)、制動(dòng)鉗夾、電機(jī)等突出部件在迎風(fēng)側(cè)由于受氣流沖刷出現(xiàn)明顯正壓，而在這些部件的背風(fēng)側(cè)則為負(fù)壓。轉(zhuǎn)向架區(qū)域的壓力分布體現(xiàn)了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)分布具有較大影響。因此，在進(jìn)一步探討雪粒子軌跡之前，需對(duì)流線分布進(jìn)行分析。

圖11 轉(zhuǎn)向架區(qū)域壓力分布Fig.11 Pressure distribution in the bogie area

3.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線分布

圖12 展示了轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線分布，來(lái)流方向?yàn)閺淖笾劣摇膱D12 可以看出，車(chē)體底部氣流在轉(zhuǎn)向架區(qū)域發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，部分氣流在流經(jīng)轉(zhuǎn)向架前端時(shí)向上揚(yáng)起進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，并在轉(zhuǎn)向架區(qū)域各個(gè)部件處形成多處漩渦，說(shuō)明轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)具有較高湍流度。此外，氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域之后受復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)影響，速度明顯降低，尤其在轉(zhuǎn)向架輪對(duì)、制動(dòng)鉗夾以及電機(jī)等部位的流速接近為0。當(dāng)流速降低時(shí)，雪粒子跟隨性降低，當(dāng)流速低于雪粒子起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，重力占雪粒子所受合力比重增大。因此，當(dāng)雪粒子隨氣流上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)，更易在低速區(qū)域附著至轉(zhuǎn)向架各部件上形成堆積。值得注意的是，在轉(zhuǎn)向架后端，部分氣流在設(shè)備艙端板受阻，再次回流入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。

圖12 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線分布Fig.12 Streamline in the bogie area

3.3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子分布

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域凈風(fēng)場(chǎng)流場(chǎng)情況的分析，已經(jīng)初步判斷出轉(zhuǎn)向架區(qū)易形成雪粒子堆積區(qū)域。為進(jìn)一步直觀體現(xiàn)雪粒子在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的分布情況，圖13 展示了雪粒子運(yùn)動(dòng)的快照，體現(xiàn)了雪粒子的運(yùn)動(dòng)歷程。從圖13 可以看出，在t=0.12 s 時(shí)刻，雪粒子進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域的前部；在t=0.16 s時(shí)刻，雪粒子進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域的中部，且集中在高度較低區(qū)域，對(duì)制動(dòng)鉗夾、電機(jī)等發(fā)熱元件的沖刷不明顯；在t=0.20 s 時(shí)刻，雪粒子經(jīng)過(guò)整個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域，更多的雪粒子進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架的內(nèi)部；當(dāng)時(shí)間到達(dá)t=2.00 s 時(shí)刻，經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)物理時(shí)間后，大量雪粒子進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。此后，雪粒子分布趨于穩(wěn)定。

圖13 雪粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列快照Fig.13 Snap shots of the movement of snow particles

整體而言，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，大量雪粒子跟隨氣流從列車(chē)車(chē)體底部流入，盡管大多數(shù)雪粒子到達(dá)并且通過(guò)了轉(zhuǎn)向架區(qū)域，仍然有許多雪粒子隨著上揚(yáng)的空氣進(jìn)入了轉(zhuǎn)向架區(qū)域。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前方，雪粒子跟隨氣流運(yùn)動(dòng)，具有一定的跟隨性；在轉(zhuǎn)向架區(qū)域后方，雪粒子在運(yùn)動(dòng)慣性作用下和氣流發(fā)生偏離。進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒子流速降低、跟隨性減弱，因此被轉(zhuǎn)向架區(qū)域各部件捕捉。隨著時(shí)間推移，雪粒子將會(huì)持續(xù)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，從而在各部件上產(chǎn)生堆積。

3.4 轉(zhuǎn)向架表面積雪分布

如圖14 所示，為展示轉(zhuǎn)向架區(qū)域主要積雪部位，本文顯示了轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪濃度大于1×10-12kg/m3以上時(shí)的積雪覆蓋情況，并采用速度渲染顯示沖擊到轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)雪粒子的速度情況。圖14 中，來(lái)流方向?yàn)閺淖笾劣摇？梢钥闯?，在轉(zhuǎn)向架底部區(qū)域產(chǎn)生大量積雪，且積雪更易堆積在轉(zhuǎn)向架各部件迎風(fēng)側(cè)，而在各部件背風(fēng)區(qū)域積雪相對(duì)較少。此外，積雪主要集中在電機(jī)、制動(dòng)鉗夾、輪對(duì)以及端板等部件底部迎風(fēng)區(qū)域，而在轉(zhuǎn)向架部件頂部和背風(fēng)區(qū)域堆積相對(duì)較少。

圖14 轉(zhuǎn)向架表面積雪分布Fig.14 Snow accumulation on the surface of the bogie

4 結(jié)論

1) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果具有較高一致性，說(shuō)明本文數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確可靠，適用于轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰研究。

2) 空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)時(shí)會(huì)向上揚(yáng)起，進(jìn)入轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)、電機(jī)、制動(dòng)鉗夾等關(guān)鍵部位，空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)向架背風(fēng)側(cè)時(shí)會(huì)沖刷轉(zhuǎn)向架區(qū)域的設(shè)備艙后端板。

3) 雪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和積雪堆積主要集中在輪對(duì)、電機(jī)、制動(dòng)鉗夾以及端板等部件底部迎風(fēng)區(qū)域，而在轉(zhuǎn)向架頂部和背風(fēng)區(qū)域堆積較少。

本文的數(shù)值計(jì)算方法可適用于模擬高速列車(chē)在風(fēng)雪天氣下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰情況，對(duì)于高寒動(dòng)車(chē)組防積雪結(jié)冰研究具有一定參考價(jià)值。