高速动车组转向架积雪特性数值仿真及优化设计

王东屏，尤 明，范 军，斯 琴, 刘高峰, 董华军

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；3.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

随着列车运行速度的不断提高，列车与空气的相互作用变得十分的强烈[1]。在动车组运行过程中，转向架裸露在空气中，由于转向架结构复杂，气流绕转向架流动，形成各种漩涡。在高速动车组近地面空间形成一个较为复杂的流场，该流场产生的作用力直接作用在转向架上。在大雪天气中，雪花会随转向架周围压力的负压而被带到转向架内部，冰晶颗粒也容易在此堆积。随空气流进入转向架的固体雪花冰颗粒撞击到转向架部件表面上时，会吸收热量熔解成液态水，在一定的条件下，这些液态水会在表面凝固成冰，因此，在转向架中产生结冰现象。转向架关键部件积冰现象严重，安全性和平稳性降低，使动车组行车安全存在隐患[2]，也影响转向架的维护与检修，而且在检修时间紧的情况下，除冰非常困难，因此高速动车转向架积冰问题亟待解决。

国内外学者利用数值模拟方法，对高速列车转向架的气动性能进行了研究。文献[3]通过对日本新干线多种车型的研究，得出了安装转向架区域整流装置对动车组周围流场空气动力学的影响。文献[4]利用风洞试验的方法检测ETR500型列车明线运行参数，得出了转向架整流装置可以减小列车高速运行的气动阻力。文献[5]数值计算了CRH型动车组的抗横风效应，重点研究了转向架的瞬态空气动力学特性，分析得出转向架的气动载荷以及周围的流场分布。文献[6]通过研究动车组以不同速度在有、无侧风工况下，裙板的安装位置对列车转向架周边以及整车空气流动性能的影响，得出了头尾车一位端转向架处安装裙板可减小列车气动阻力的结论。文献[7]对350 km/h动车组明线运行进行了数值分析，得出通过添加侧向裙板的措施可降低列车的运行阻力，并描述了添加裙板后转向架底部空间的流场分布特征。

风雪流是空气携带有黏性雪花颗粒运行的非典型气固两相流[8]。有关风雪运动的数值模拟始于20世纪90年代。文献[9]通过数值模拟方法对非恒定风场中的运动进行了模拟，给出了非恒定风场对风雪流的影响因素。文献[10]模拟了防雪栅栏后雪粒的堆积过程以及堆积形式，给出了积雪形成条件。文献[11]采用两方程模型研究了风导向板对风雪流的影响，并给出了风导向板在控制雪堆积方面的应用。文献[12]结合试验现场采集的数据，讨论了铁路试验段内雪粒的运动状态和堆积物理模型，利用Fluent数值模拟了不同路基断面的风速场。文献[13]讨论了在不同的温度、积雪时间以及雪粒粒径条件下，雪颗粒的起动摩阻风速的不同，给出了风雪运动的基本规律。

目前，关于降雪对交通工具影响的研究并不多。文献[14]通过搭建风筒试验台，模拟暴风雨雪等恶劣气候条件对新型列车各关键部件的功能与安全性指标的影响，为实际运营、降低故障发生率提供一定依据。为了减缓转向架周围设备舱导流罩附近存在冰雪堆积的问题，文献[15]优化了高速动车组导流罩结构，对比转向架周围空气流场的变化趋势，推测出优化导流罩可缓解冰雪堆积现象。

目前对于转向架内部空气流场进行了一些研究，但缺乏对风雪恶劣天气下转向架表面雪花堆积特性的研究。因此有必要对风雪天气下转向架表面积雪的问题进行研究。本文建立转向架模型，数值模拟动车组在路面积雪工况时，转向架周围的流场流动特点以及转向架表面的雪花堆积情况，为高速动车组转向架的防雪防积冰优化设计提供技术支持。

1 计算模型

1.1 风雪两相流模型

研究高速动车组转向架周围流场雪花流动特性以及转向架表面雪花堆积情况的必要条件是明确动车组转向架周围流场的规律，进而揭示高速动车组车下复杂流场环境对车下转向架雪颗粒黏附堆积分布的影响。

影响雪粒子运动外力方程的参数因素包括粒子的直径、密度和浮力系数等因素。雪颗粒的直径大约为毫米量级，而雪颗粒的密度大约为40～300 kg/m3不等[16]。本文不考虑雪粒子在降落过程中雪颗粒的搬运、互相黏附以及平坦地面上的堆积沉淀，仅考虑单个雪粒子的物理参数。选取积雪的密度为40 kg/m3，直径0.5 mm。

雪花颗粒在空气场中的运动十分复杂，真实的模拟其运动轨迹比较困难。从力学角度分析，这种现象就是由于雪花颗粒和空气间相互作用力的影响。在实际工况中，雪花颗粒受力较多，包括自身重力、空气浮力以及气动阻力(拖拽力)等。

1.2 几何建模及网格划分

转向架引起的复杂空气流动特性是不容忽视且需要着重考虑的内容。但列车转向架的几何模型极为复杂，一个转向架就包含了上百个零件和结构。为了方便获得高质量的网格，需要将转向架结构单独处理。

对转向架空气动力学影响较小的细小零件等特征需要大量的细小网格，会占用大量的计算机资源，降低计算效率。因此在简化转向架几何模型时，尽可能的保留对空气动力学产生影响较大的结构，删除或简化细小结构以及对流场计算影响较小的结构。图1和图2分别为非动力和动力转向架计算模型。

图1 非动力转向架计算模型

图2 动力转向架计算模型

为了更加系统的统计分析转向架各部件表面黏附的雪花颗粒数目，按照转向架各部件的结构特点及其相对位置，对粗略简化后的各零部件进行归类。构架、轮盘及轮对、枕梁、轴箱、刹车片、牵引电机、齿轮箱、一系悬挂弹簧等结构较大或结构具有整体性的零部件，可归一组。横向悬挂装置、抗蛇行减振器、高度调整阀杆、抗侧滚装置组成等零件分散布置且多为细长结构，因此本文将这类零部件归类为二系悬挂装置。牵引拉杆组成结构简单且分布在转向架内部，但为了更精确的表现出整个转向架对空气流场的影响，在简化转向架各部件模型时予以保留。

本文着重分析列车转向架附近流场，因此建立头车(拖车)、中车(动车)及尾车(拖车)三节车厢模型。模型长、宽、高分别为79.64 m×3.36 m×3.94 m。本文不关注列车车顶设备的空气动力学问题，因此对列车车顶部进行较大规模简化。去除车顶的车载空调、列车受电弓、导流板、列车车顶部电缆及其绝缘座。对列车风挡做简化处理，车辆之间以内风挡连接。并将动车组简化为由光滑曲面构成的几何体，删除列车附属设备，尽可能体现出动车组真实的外轮廓。将转向架沿头车到尾车方向编号1～ 6，如图3所示。

图3 包含6个转向架的列车简化模型

高速动车组对无限远处的空气流动影响细微，没有研究价值，并且受现有计算条件的限制，所以仅对列车周围有限区域内进行数值计算。计算中通常以不影响车体附近流体流动为计算域创建原则。经反复计算，计算区域长、宽、高分别选取为334 m× 40 m ×40 m。高速动车组模型附近区域为了适应复杂的转向架结构用非结构网格进行划分，其余计算域可用简单、快捷的结构网格拉伸创建。

采用分块划分原则既提高网格质量也可减小网格数量。转向架结构复杂，局部细节尺寸较小，为获得高质量网格，需要对其局部加密细化。车体及空气外流场空间区域大，可采用适当大尺寸网格。计算域网格共计约5 800万个。车体周围(特别是转向架周围)非结构化占有总体网格的很大比例。网格质量良好。

1.3 边界定义

边界条件是控制方程有确定解的前提。设置与动车运行环境尽可能近似的边界条件，将直接影响计算结果的精度以及数值计算的真实性。流场边界条件见表1。

表1 流场边界条件设置

1.4 SC/Tetra 求解模型

湍流流动是非常复杂的流动，计算湍流运动时，需要附加湍流方程。模型方程的选取要根据具体情况而定。本文选用RNGk-ε双方程模型。

为了提高计算精度，对离散方程中的对流项利用二阶迎风离散格式，扩散项采用中心差分格式进行差值求解；采用SIMPLE算法计算流场；针对流体中常见的湍流运动，通过求解湍流两方程RNGk-ε模型，得到湍流动能κ及其耗散率ε，从而将湍流的脉动值与均时值联系起来，这样就可以利用Reynolds平均法将湍流瞬时脉动简化为时均化方程；在将粒子加入到计算域时，因为动量方程可追踪粒子在任意一个时刻的位置，其速度、压力等随着时间变化，因此加入粒子计算后，计算转化为非定常流动(Unsteady)。

1.5 路面积雪工况雪花颗粒产生方式

考察实际工况，雪花在两条铁轨之间紧密堆积。将堆积的雪花全部纳入流场计算较为困难。为了简化计算，将路面积雪区域划分为若干个0.1 m×0.1 m×0.1 m立方体模块，每个立方体模块产生雪花粒子。这种粒子产生方法可通过设置每个立方体内粒子数，来控制雪花粒子的均匀性和积雪厚度。由降雪量与积雪厚度经验公式[17]可知，降雪量(mm)/积雪深度(cm)=1/15。在暴雪天气，24 h降雪量大于10 mm。根据经验公式可知，暴雪天气路面积雪深度大于15 cm。本文根据三辆编组动车模型长、宽、高(79.64 m×3.36 m×3.94 m)在动车组车下设置两种粒子产生方式。第一种是在车下已存在颗粒，第二种是随着列车相对运动不断产生的雪花颗粒。

2 计算结果及后处理

为得到理想的数值计算结果，模拟动车组在无雪花颗粒的环境下高速运行，直到计算区域内流场稳定后，再加入雪花颗粒进行非稳态计算。瞬态计算时间步长取0.000 1 s，计算列车运行2 s雪花颗粒在转向架上的分布情况。

动车组高速稳态运行时，车头鼻尖处是迎风面，正对空气来流方向，气流在此处被滞止，速度几乎为零，所以此处正压值最大，如图4所示。由数值计算可知，车头鼻尖处的压力值为5 898.2 Pa，和理论计算值5 786.8 Pa相比，相对误差为1.93%，小于10%，满足计算误差允许范围。车体表面空气压力分布相对均匀，两车体连接风挡对空气沿车体运动有阻力作用，压力较大。

图4 动车组表面压力分布云图

2.1 转向架周围流场计算结果分析

动车组在高寒风雪的环境下高速运行时，车身底部转向架周围的空气流动比较复杂，分析转向架周围的流场特性可以探究转向架积雪的原因。本文截取了1号、3号和5号转向架左轮对处纵向截面的压力云图和速度矢量图，如图5、图6所示。

图5 转向架左轮对处纵向截面压力云图对比(单位：Pa)

图6 转向架左轮对处纵向截面速度矢量(单位：m/s)

图5为1、3、5号转向架左轮对处纵向截面上的压力云图，由图5可知各个转向架同一坐标截面上的压力值不同，其变化的基本趋势都是沿着竖直方向由上往下逐渐增大。相对于转向架后导流板和转向架中部竖直方向的上下压差值，其前导流板处的压差值较小，压差值从前导流板处向后导流板处保持增大趋势。

1号转向架是非动力转向架，位于车体的最前端。前轮周围处的压力值在-1 122～-665 Pa之间，竖直方向上下压差在-470～-205 Pa之间，后轮周围处的压力值在-1 241～-547 Pa之间，竖直方向上下压差在-277～-683 Pa之间。空气由转向架底部高压区流向上部低压区。3号转向架是动力转向架，位于中车前端部分，为整列动车组提供动力支撑。前导流板处的压力值在145～390 Pa之间，竖直方向上下压差为-245 Pa，后导流板处的压力值在-139～164 Pa之间，竖直方向上下压差为-303 Pa，两轮对之间的压力值在109～ 322 Pa之间，竖直方向上下压差在19～ 66 Pa之间。5号转向架是非动力转向架，位于尾车前端。前轮对周围处为正压值，后轮对周围处为负压值。其前轮对周围处的压力值在23～267 Pa之间，竖直方向上下压差在-244～-60 Pa之间，后轮对处的压力值在-142～31 Pa之间，竖直方向上下压差在-93～128 Pa之间，转向架在此截面上中间部分的压力值在-4～39 Pa之间，竖直方向上下压差为-43 Pa。

转向架本身结构复杂，存在若干细小空间，空气流经其内部会产生涡流。由于转向架底部与地面之间的流道截面较小，所以此处的空气流速快，并且贴近地面处的空气流动相对最快。而转向架所占空间大，空气在由下向上流动的过程中，速度逐渐下降，在转向架某些复杂的结构区域会出现涡流现象。

由图6可知，转向架的涡流区域主要存在于其前后导流板处和构架中部。

2.2 转向架周围流场雪花颗粒计算结果分析

通过统计高速动车组转向架前后设备舱导流板及转向架各零部件表面黏附雪花的数量，量化分析雪花堆积情况。

图7 动车组运行2.0 s路面雪花颗粒运动状态

图7为动车组明线运行雪花颗粒流动分布图，直观的展示了路面积雪在动车组外流场扰动下的复杂运动。随着动车组不断前移，车下转向架周围产生大量涡流，空气流动复杂，带动雪花颗粒流动，雪花颗粒流动逐渐混乱。动车组尾车后区域，雪花颗粒在该区域受绕流作用明显，雪花颗粒运动规律复杂。

表2为头车第二个转向架零部件表面雪颗粒堆积黏附数量。各零部件表面上雪颗粒黏附数量随着时间逐渐增加，其中0.5～1.0 s雪颗粒增幅最大，1.0～1.5 s，1.5～2.0 s雪颗粒增幅较均匀。

通过统计1～6号转向架和导流板上雪花颗粒的黏附情况，可知转向架构架底面和后导流板上黏附的雪花颗粒较多。各转向架零部件因结构表面积以及装配相对关系，表面雪颗粒黏附数量不同。构架表面积大且裸露在空气中，表面雪颗粒黏附数量最多。2号转向架构架占整个转向架黏附雪颗粒数目的51.5%。制动盘占27.2%、轴箱表面约占14.1%。一系悬挂、二系悬挂装置、枕梁、双拉杆牵引装置等因体积小，位于转向架结构内部，其表面黏附雪颗粒最少。对于3号、4号动力转向架，构架黏附雪颗粒约占36%。电机、齿轮箱体积较大，且位于转向架外部，两部件表面雪颗粒黏附数量相对较多，约占14.7%～20.1%。

表2 2号转向架表面颗粒黏附统计

图8 动车组雪花颗粒统计(2 s)

由图8(a)可知，由于1号转向架靠近动车组头车鼻尖处，车体的前方来流相对稳定，雪花颗粒受车下气流的扰动影响较小，所以1号转向架上无雪花颗粒黏附。3号转向架上的雪花颗粒黏附数最多，为1 731个粒子，4号转向架次之，为1 361个粒子，5号和6号转向架上的雪花颗粒黏附数相对较少，分别为875个和784个。

转向架前后靠近设备舱的导流板面积大，起到导流、阻风作用，在其周围存在涡流区域，空气流动紊乱，所以雪花颗粒扰动剧烈，黏附数相对较多。图8(b)显示了动车组运行到2 s时，1～6号转向架前后导流板上的雪花颗粒黏附数。转向架后导流板是迎风面，贴近轨面的雪花颗粒会随着空气从列车底部直接流向后导流板的表面，致使1～6号转向架的后导流板上黏附雪花颗粒数较多，而前导流板上黏附的雪花颗粒数极少。其中，1号转向架前导流板上无雪花颗粒黏附，3号转向架前导流板上黏附的最多，为81个粒子。2号转向架后导流板上黏附的雪花颗粒数最多，为1 229个粒子，3号次之，6号转向架受尾流的影响，其后导流板黏附的雪花颗粒数相对较多，为1 042个粒子。

3 裙板优化方案数值分析

转向架周围空气压差对转向架表面及其前后设备舱导流板的雪颗粒黏附有一定的影响。鉴于现有工艺及设计要求，经多次试验表明，优化设计各转向架左右裙板，可改善转向架周围空气的压力及流场分布。优化裙板即为将原转向架处原裙板形状向下延伸至近车体底端，使优化后的裙板更多包住转向架区域，如图9所示。

图9 裙板优化前后对比

4 优化模型计算结果分析

优化裙板后，由于裙板向下延伸，增加进入转向架内空气流动的阻力, 所以增大了转向架内部的压力。与原方案相比，转向架各个截面上相同点处的上下压差基本上呈现下降趋势，从而减小了雪花颗粒的堆积。

图10 2号转向架左轮对处纵向截面压力云图对比(单位：Pa)

图10为2号转向架裙板优化前后左轮对处纵向截面的压力对比云图，相对于原方案，前导流板竖直方向上下压差从原方案中的-49 Pa减少为-20 Pa，后导流板处竖直方向的上下压差从原方案中的294 Pa减少为优化方案中的-94 Pa，两轮对之间竖直方向的上下压差从原来的-128～-54 Pa减少为现在的-93～-3 Pa。竖直方向上下压差明显减小，气流扰动有所减缓。

裙板优化前后2号转向架表面雪花颗粒黏附统计见表3。从表3可以看出，2号转向架中各个部件和前后导流板上黏附雪花颗粒均得到不同程度的减少，总黏附颗粒数降低了84.75%。

表3 裙板优化前后2号转向架表面雪花颗粒黏附统计

图11 各转向架雪花颗粒统计对比(2 s)

由图11(a)可知，裙板结构改进后的动车组运行2 s时，1号转向架上无雪花颗粒黏附，2～6号转向架上的雪花颗粒黏附数都减小。其中，2号和3号转向架上的雪花颗粒黏附数降幅较大，4～6号转向架上的雪花颗粒黏附数降幅较小。

图11(b)显示了动车组运行2 s时，裙板优化前后导流板上的雪花颗粒黏附数。可知裙板结构改进后，2号和3号转向架前后导流板上的雪花颗粒黏附数降幅较大，4～6号转向架前后导流板上的雪花颗粒黏附数降幅较小。

表4为裙板结构改进前后1～6号转向架和导流板表面雪花颗粒黏附统计，可知动车组运行2 s时，各转向架和导流板雪花颗粒黏附总数降幅达51.03%。

表4 裙板优化前后1～6号转向架和导流板雪花颗粒黏附统计

5 结论

本文对350 km/h明线运行的动车组在路面积雪工况下的空气动力学特性进行数值仿真。由于转向架周围流场沿垂直方向的空气压差对转向架表面及其前后导流板的雪颗粒黏附有一定的影响，因此通过改变转向架裙板可改善转向架周围空气的压力及速度分布，从而改善其内部的雪花黏附状况。对比分析裙板优化前后转向架零部件表面及导流板上的雪花颗粒堆积数目，得到如下结论：

(1)动车组转向架雪花堆积的原因是：在风雪两相流中高速运行时，各转向架周围易形成大量涡流，竖直方向上下存在压差，致使动车组车下扰动的雪花颗粒吸入转向架内部，堆积黏附在转向架各零部件表面。

(2)转向架左右裙板往下延伸的优化方案增加进入转向架内空气流动的阻力, 增大了转向架内部的压力, 由此减小了转向架沿垂直方向的压差。与原方案相比，转向架大部分截面上相同对应点处的上下压差呈现下降趋势，从而减小了雪花的堆积。

(3)与原方案相比，优化方案转向架上的雪花颗粒黏附数明显减少。列车运行2s时，1～6号转向架及导流板总黏附颗粒降幅分别为94.12%、84.75%、79.55%、29.47%、21.85%和17.71%。

(4)优化方案有效减小了雪花颗粒在转向架及导流板上的堆积，与原方案相比总雪花颗粒黏附数降低了51.03%。