高寒动车组走行部防冰雪扰流的空气动力学性能研究

李超辉， 何德华， 周新建， 陈厚嫦， 王刚义

(1　华东交通大学　机电工程学院载运工具与装备教育部重点实验室， 江西南昌 330013；2　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



高寒动车组走行部防冰雪扰流的空气动力学性能研究

李超辉1， 何德华2， 周新建1， 陈厚嫦2， 王刚义1

(1华东交通大学机电工程学院载运工具与装备教育部重点实验室， 江西南昌 330013；2中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

针对高寒动车组冬季运行走行部容易产生冰雪附着的问题，根据空气动力学原理设计了多种可加装于动车组走行部附近的扰流结构，并采用数值模拟的方法对原车和加装不同扰流结构之后的走行部气动流场进行对比分析。计算结果表明：加装优化后的防雪扰流装置可有效改善转向架区域的流场，扰流板的防冰雪效果与其形状和高度密切相关，改进方案最优参数下遮蔽效果良好，转向架部位进雪量减少，转向架空气阻力系数降至原车的52%。

空气动力学； 防冰雪； 扰流技术； 高寒动车组

高寒区列车的走行部冰雪附着问题会威胁列车运行安全和影响列车维护，且动车组运行速度较高，此问题更为严重。当动车组走行部发生冰雪附着后，可能会发生冻住机电设备、冰块撞击高速运动部件等危险情况。哈大高速铁路冬季受冰雪天气影响，动车组转向架关键部件结冰、制动盘被硬质颗粒划伤等现象在高寒动车组上大量出现，危及列车运营组织和行车安全[1]。

目前铁路防冰雪技术大致分为被动控制[2-4]、线上线下清扫、材料改进和主动控制[5]等，其中被动控制技术无需额外能耗即可改变走行部的流动特征，从根本上降低冰雪附着速率，是目前的主流技术。北山茂[2]在700系列车转向架区域加装三角形扰流板，通过数值模拟的方法分析了转向架区域流场，但由于计算能力的限制使用了局部模型，实际车底流速和车体侧方流速具有较大的速度差，在侧向冰雪附着评估上存在较大的误差。桥本克史[3]通过在列车转向架区域前后方安装简便扰流结构，扰流结构在纵剖面上呈双斜面三角形，在车宽方向有多种设计，但仿真模型结构过于简化，会对转向架区域流场计算结果产生较大影响。謙田慈[4]在列车侧方裙板上添加三角形扰流结构来抑制冰雪在转向架侧方的附着，通过风洞试验宣称获得了较好的效果。日本Shishido[6]设计了在线冰雪附着实测装置并开展了实际应用，得到了典型的冰雪附着分布图，为列车防冰雪提供了一定依据。李俊民[7]提出对动车组设备舱导流罩结构进行改进，并对模型的流场和压力分布进行了仿真计算，但只对设备舱导流罩处积雪问题进行了改进，但对于走行部积雪更严重的转向架区域并未做研究。通过对3节编组某型动车组模型走行部附近加装扰流装置，采用数值模拟的方法，对改进模型的防雪效果进行仿真分析。分析结果表明，加装防雪扰流装置有效的达到了防冰雪的目的。

1　扰流结构几何模型设计

动车组3节编组现车模型及转向架区域几何模型见图1。从图1(b)可以看出，靠近车端一侧的转向架区域的设备舱导流罩为斜面结构，另一侧的设备舱导流罩为垂直结构。斜面的设备舱导流罩相对于垂直的导流罩在气动阻力和维护性等方面有优势，但斜面导流罩极易将含雪气流带入转向架区域，导致转向架结构产生冰雪附着。

为减少因斜面导流罩造成的冰雪附着，设计了安装在斜面导流罩前方的扰流结构，通过改变车底气流，减少含雪气流进入转向架区域，扰流结构分为直线型和流线型两种方案，见图2。直线型扰流板为直三角形结构的棱柱，主要将车底来流引导向地面，见图2(a)。而流线型扰流板在将车底来流向地面引导的同时还向扰流板两侧引导，见图2(b)。

图1　动车组几何模型

图2　扰流结构

另外，通过列车车厢连接处的纵剖面图3(a)可以看出，气流到达后车走行部区域时，将连续经过3个台阶，台阶不仅会增加列车的空气阻力，而且转向架受到高速气流直吹的迎风面积也会增加。在不改动车厢连接处结构的条件下，去除后车与风挡连接时的下沉(台阶2)作为流线型结构的改进设计，为第3种扰流结构设计，见图3(b)。

图3　改进流线型扰流结构

2　数值模拟计算

2.1数学模型

列车最大运行速度为300 km/h，对应马赫数为0.25，小于0.3的不可压标准，因此流动可以作为不可压缩流处理。采用基于RANS的k-ωSST的两方程湍流模型，连续性方程为：

动量方程为：

k-ωSST模式的两个输运方程分别为：

式中k和e分别为湍动能和湍流耗散率，ρ，ρm为空气密度；P为空气压力；Pt为湍动生成项，μt为湍流黏性系数，Ce1、Ce2、∂e、∂k等为模型常数，其取值见文献[8]。

2.2流体网格的生成

采用trim + prism layer的六面体网格，trim网格对复杂外形有较好的适应性，也能保证生成的网格质量。由于流场离列车越远越平稳，因此对远离列车区域采用大尺寸网格，在流场变化大的区域以及走行部关键区域进行网格细化，采用从粗网格到细网格逐层过渡的方案[9]。每个模型网格量均在4 500万左右，网格划分见图4。

2.3边界条件的设定

采用相对运动的方法模拟列车附近的外流场，设定列车静止，地面移动，空气来流以及列车运行速度等值

图4　模型网格

反向的速度绕流列车。计算域边界条件设定：入口为速度边界，速度取列车运行速度；出口为压力边界，出口压力取一个标准大气压强；列车表面设定为有摩擦的固壁边界；采用移动地面的方法，以消除地面效应的影响，设定速度值为与气流入口处的速度大小相等，方向相同；计算域上表面和左右侧表面，由于选择的流场计算区域足够大，可认为计算域外围边界对列车周围的流场无影响，计算区域的外围边界设定为可滑移壁面边界。

2.4计算工况

为了研究不同扰流板对列车气动性能的影响，分别对原车和加装扰流结构的模型进行仿真计算。为研究最佳的扰流方案，对扰流结构的长度、宽度和高度进行修改，获得不同列车模型，最终有18组工况，见表1。

表1　工况数　mm

3　计算结果分析

为方便对比扰流效果，扰流板只安装在中间车上，每个转向架一个，共2个，我们按照流动方向(从左到右)将其分别称为前扰流板和后扰流板，相应的两组转向架分别称为前转向架和后转向架。评价防冰雪有效性的首要判据是转向架受到较好的遮蔽，对应的流场特征为高速气流应当尽量少的冲击转向架区域，滞流区尽量大地包裹转向架重要部件，转向架区域气流以低速局部的小环流为主。对于吸入的雪粒，当其撞击在转向架时，高压区和低压区都会产生附着，因此认为低压区和高压区都会造成冰雪附着。

3.1走行部气动特性分析

3.1.1列车整体流场分析

列车表面的压力分布是列车气动力分布的基础，首先给出列车表面整体压力分布云图和各个特征部位的压力分布云图，见图5。

从图5(a)可以看出，列车头部鼻锥上存在比较明显的高正压区域，而在鼻锥两侧则因为气流经过时流速较快而形成较低压强。头车前转向架迎风面和背风面压力差别分明，车底流动的阻力较大。由于转向架区域的阻力，头车后转向架中部已经形成滞流区，随后气流经过列车连接处附近，此处有流道收缩，气流加速，而后受到中间车前转向架的阻碍再次滞留，见图5(b)。中间车后转向架和尾车前转向架区域的气流因列车阻力的原因，气流速度大幅降低，形成了较大的滞流区，见图5(c)。

3.1.2转向架区域典型流场分析

转向架区域主要关注转向架和转向架周围导流罩区域的流场情况，以L×H×W:1 800×80×300的流线型扰流板在300 km/h速度条件下的情况为例，分析转向架区域的流场情况，见图6。列车中剖面为速度分布云图，转向架表面按压力大小染色。

图6　前后转向架表面压力分布及中剖面流场

从压力图中可以看出，前转向架区域的压力峰值点出现在前轮缘中下方、制动盘中下部以及设备吊舱前缘等的迎风面上，低压区则分布在高压区周围。由于扰流板和转向架导流罩的遮蔽作用，转向架上部表面并未出现明显的高、低压区；从剖面速度云图可以看出，扰流板后方区域形成了一个滞流区，滞流区内存在一个局部环流结构，整个转向架区域上部为分散的多个环流。在后转向架区域，垂直导流罩有较强的遮蔽效应，在转向架区域上部形成了一个较大的局部环流，且其流速较小，不易吸入含雪气流。

3.1.3扰流板形态对流场的影响

扰流板形态的不同，其最终效果也不相同，以300 km/h条件下无扰流板、直线型扰流板、流线型扰流板(L×H×W:1 800×80×300)、改进流线型扰流板(L×H×W:1 800×80×300)为例讨论扰流板形态对流场的影响，见图7。

图7　扰流板形态对前后转向架中剖面流场的影响

对于前转向架，从中剖面流场图可以看出，改进的流线型扰流板能更好的将气流引导向地面方向，转向架上部区域形成了基本平直的滞流区，从而降低冲击转向架中间区域的气流速度，同时在转向架上部会形成稳定而低速的局部环流，进而降低冰雪吸入和附着。而直线型和流线型扰流结构均会被前方台阶产生的滞流区所影响，发挥的作用并不明显。对于后转向架，加装扰流板能增大后转向架区域的滞流区面积，降低转向架上部流动的环流流速，抑制整体环流的生成，但由于前方垂直导流罩的作用，改变并不明显。

3.1.4扰流板高度对流场的影响

在此处我们讨论扰流板高度对中间车前后转向架区域流场的影响，具体以300 km/h条件下，流线型扰流板在长L1 800，高H×宽W为80×300，100×330，200×360，300×360 4组方案的流场作为分析，见图8。

图8　扰流板高度对前后转向架中剖面流场的影响

对于前转向架，从中剖面流场图可以看出，300 mm高的流线型扰流板效果最突出，转向架上部区域形成了大片稳定的滞流区，明显的降低了冲击转向架中间区域的气流速度，进而能够降低冰雪附着，而随着扰流板高度的降低，滞流区的面积也随之减少；同时300 mm高的流线型扰流板由于其明显的遮蔽效应，明显的抑制了转向架上部的局部环流，使其几乎难以识别，这对抑制雪粒的吸入有利。对于后转向架，从流场图可以看出3个案例的差别并不明显，这是因为转向架前方的垂直导流罩起到较大的阻挡作用。

3.2扰流结构评估

列车阻力系数采用阻力、车速与车体断面面积无量纲化的计算方法，转向架阻力系数降低，说明进入转向架区域的含雪气流减少，转向架区域气流速度降低，因此把转向架阻力系数作为转向架迎风面冰雪附着难易程度的指标，辅以升力系数作为转向架底面冰雪附着难易程度的指标，对扰流结构进行评估。因后扰流结构对转向架阻力和升力均无明显的影响，在这里不做具体讨论。

由图9(a)(b)可以看出随着扰流高度的增加，升力系数和中间车阻力系数也随之增大，升力系数增大转向架底面更易附着冰雪，阻力系数增大转向架迎风面更易发生冰雪附着。从图9(c)(d)可以看出改进的流线型扰流板(长L×高H×宽W为2 000×300×330)的中间车前转向架阻力系数仅有原车型的52%，相对应的遮蔽效果最强，但中间车阻力系数比原车增加25%，3节编组增阻5%。比其长度小200 mm的改进流线型扰流板中间车增阻约20%，3节编组增阻4%。其余扰流结构的效果差别不明显。

图9　阻力系数和升力系数

4　结　论

(1)在转向架区域前方加装扰流板，引导流向转向架区域的气流流向，可以达到防冰雪的目的；

(2)扰流板的防冰雪效果与扰流板的高度密切相关，高度越高，效果越好，同时增加的额外阻力也越大；

(3)改进的流线型扰流板在相同扰流板高度的条件下，防冰雪效果比原方案具有明显优势；

(4)通过分析所有工况的计算结果，改进的流线型扰流板的两组方案(长L×高H×宽W为2 000×300×330)和(长L×高H×宽W为1 800×300×330)是防冰雪效果和阻力的综合最优方案，加装后转向架区域的阻力系数是原车的52%。

[1]中国铁道科学研究院机车车辆研究所. 既有动车组运用优化研究-高寒动车组走行部关键部位防冰雪扰流技术研究, TY字第4128号[R]. 北京: 中国铁道科学研究院，2015.

[2]北山茂，等. 《台車周りの空力特性改善に関する研究》[C]. 日本机械学会第14回交通物流部门大会演讲论文集, 2005, 12: 7-9.

[3]Onitake Yasuo. Snow accretion preventing device for express railway vehicle[P]. Japan Patent, 2006-117218.

[4]謙田慈. 移动体の着冰雪抑制构造[P]. Japan Patent, 2009-56942.

[5]Kim,M.S, et al. Thermal modeling of railroad with installed snow melting system[J]. Cold Regions Science and Technology, 2015,109: 18-27.

[6]Shishido. Development of a System for Measuring the Volume of Snow-Accretion to Running Train Car Bodies[C]. IWAIS XII Yokohama, 2007.

[7]李俊民，单永林，林鹏. 高速动车组转向架防冰雪导流罩的空气动力学性能分析[J]. 计算机辅助工程,2013, 22(2):20-80.[8]Khierw, Breuerm, Durstf. Flow structure around trains under side wind condition : a umerical study[J]. Computers and Fluids, 2000, 29(2): 179-195.

[9]刘涛，刘凤华，余以正等. 基于STAR-CCM +的高速列车空气动力学性能数值分析[J]. 大连交通大学学报,2013, 24(2):24-27.

Research on the Aerodynamic Performance of Anti-ice/Snow Disturbed Flow of High-cold EMU Bogies

LIChaohui1，HEDehua2，ZHOUXinjian1,CHENHouchang2,WANGGangyi1

(1Key Laboratory of Ministry for Conveyance and Equipment, Electromechanical Engineering Institute， East China Jiaotong University， Nanchang 330013 Jiangxi， China； 2Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081，China)

For problem of ice and snow adhered to bogies of low temperature EMU in winter, various kinds of spoiler which installed nearby the bogies of EMU were designed based on aerodynamic theory, then numerical simulation were calculated between the original and improved model. Results shows the flow field of bogie area can be improved effectively after spoiler were installed, The effect of anti-ice/snow is related to its shape and height, under the best parameters of the improved scheme, the bogie drag coefficient drops to 52% of the original train.

aerodynamic, anti-ice /snow disturbed flow technique; low temperature EMU

1008-7842 (2016) 04-0028-07

��)男，硕士研究生(

2016-03-08)

U271.91

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.07