DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.041
端面下斜导流板对高速列车转向架防积雪性能的影响
丁叁叁1, 2，田爱琴2，董天韵3，周伟3，李靓娟4
(1. 北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京，100044；
2. 中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111；
3. 中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075；
4. 广州轨道交通建设监理有限公司，广东 广州，510010)
摘要：针对风雪气候条件下高速列车转向架区域的防积雪结冰问题，设计端部下斜橡胶板导流方案。基于RNG k-ε湍流模型对15 m/s横风环境、200 km/h运行车速条件下，不同导流板下斜距离方案的转向架区域进风量、流线流速及对整车的气动力影响进行计算和分析。研究结果表明：转向架底面为主要进风来源，导流板下斜距离越大，转向架区域的总进风量越小，下斜距离由40 mm增至60 mm，总风量减小幅度最高达50%；优化前后流速流线对比显示，下斜导流方案改变了运行前方底板下方来流流场，上扬气流受导流板抑制往下流动，气流绕过转向架区域腔口抵达转向架底部后方，有效减少了车底进入转向架区域气流；增加导流板后，随着导流板下斜距离增加，整车阻力为增加趋势，相比原型车最大增加2.4%。而横向力、升力和倾覆力矩变化均在1.8%以下，影响较小。
关键词：防积雪；导流板；高速列车；RNG k-ε湍流模型
中图分类号：U271.91 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)04-1400-06
Influence of inclined guiding plate on anti-snow performance of high-speed train bogie
DING Sansan1, 2, TIAN Aiqin2, DONG Tianyun3, ZHOU Wei3, LI Liangjuan4
(1. Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;
2. CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China;
3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,
School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
4. Guangzhou Mass Transit Engineering Consultant Co., Ltd., Guangzhou 510010, China)
Abstract: Inclined rubber guiding plate was designed for anti-snow problem of high-speed train bogie in blown snow conditions. Adopting the RNG k-ε turbulence model, air intake volume, flow line, flow velocity of the bogie area with different slant distances as well as its influence on car-body aerodynamic force were calculated and analyzed at the cross wind speed of 15 m/s and train speed of 200 km/h. The results show that bottom side is the major air intake source of bogie area. The total air intake volume of bogie area decreases as slant distance increases. Decrease rate of the total air intake volume can reach 50% when the slant distance grows from 40 mm to 60 mm. Air flow below the frontage bottom plate is changed by the installed guiding plate. Air streamline passes by the bogie cavity and goes straight to the rear bottom plate, which effectively decreases the air flow into the bogie area. As the slant distance increases, boundary layer separation of car-body surface occurs and aerodynamic drag increases by 2.4% compared with that of the original car. However, lateral force, lift force and overturning moment vary within 1.8 %, which has little effect on safety.
Key words: anti-snow performance; flow guiding plate; high-speed train; RNG k-ε turbulence model
高速列车在寒冷冬季运行时，环境风雪和线路积雪会致使转向架区域出现大面积积雪结冰，影响转向架制动夹钳等关键部件的正常工作，严重时会威胁到列车的运营安全[1-4]：因此，高速列车转向架的防积雪结冰问题一直以来都是国内外铁路运营部门所关注的重点[5]。风雪特性的机理研究工作主要包括对风吹雪的分类和规律的定性研究，也有对风雪流搬运和堆积特性的量化模拟研究[6-9]。李俊民等[10]从改善车下设备舱导流罩的空气动力学性能的角度，运用STAR- CCM+仿真进行3车编组的整车流场分析，证明改进的导流罩空气流动性能良好且能缓解转向架区域冰雪堆积。高速列车转向架防积雪结冰措施方面，CRH-380B型高寒动车组采取在转向架关键部件涂刷防冰雪涂层、增设空气弹簧防雪罩等措施[11]。国外或利用空调、电机热废气融雪，或给小间隙螺旋弹簧装置密封处理，或在积雪关键部位增设导流板等措施[12]对转向架进行局部改造，达到防雪防结冰的目的。本文作者通过在高寒动车组转向架两端设置下斜导流结构，研究不同下斜距离的转向架区域进风量、流线流速及整车气动力变化规律，以便为高寒动车组的防积雪结冰提供导流结构的优化依据。
1 方案设计
雪花的空气接触面积较大，运动过程中所受阻力较大，因而雪粒子具有较好的运动跟随性[13]。当雪花的运动轨迹中存在较多旋涡时，雪花便在旋涡内相互吸附，进而黏着在结构表面，造成堆积[10]。因此，空气流场的变化，即空气流速流线变化可间接反映积雪情况。
对高速列车而言，进入转向架区域的气流从转向架中后部扬起[14]，本方案通过在端面安装下斜导流板，将气流上扬角减小，进而减少进入转向架区域的气流，降低进风量，从而改善积雪情况。下斜导流方案的安装几何模型如图1所示。
图1 橡胶导流板下斜示意图
Fig. 1 Schematic diagram of oblique rubber plate
下斜橡胶导流板长度取为160 mm，在保证限界的情况下，导流板下斜距离h分别取20，40，60 mm，与未做导流处理的原型车进行比较。
2 计算模型
计算车型选取高寒动车组，选取3节车作为计算编组模型，编组车辆的运行方向、转向架编号及导流板设置分布如图2所示。
计算区域如图3所示。其中，H为1个车高距离，长×宽×高为45H×23H×10H。
列车高速运行时车体近壁面会形成沿表面法线方向速度梯度很大的边界层，因此，车体近壁面采用较细网格来模拟附面层。
网格由OpenFOAM软件生成，车体最小网格尺寸为2.5 mm，转向架最小网格长度为1.25 mm。车体和转向架壁面上布置了8层均匀分布的附面层网格，
最内层网格厚度为0.6 mm，同时对车体附近流域做加密处理，计算域网格总数达6 000万。车体附近区域网格如图4所示。
图2 3节车编组的下斜导流板分布
Fig. 2 Inclined guiding plate distribution of the 3-car model
图3 计算区域
Fig. 3 Computational area
车体周围第1层网格距离y+(量纲为一)在30~300之间，满足RNG双湍流模型和N-S方程求解流场的要求。
仿真计算在Fluent软件中进行，速度压力耦合采用SIMPLEC格式，压力插值采用2阶格式，动量、湍动能及湍流耗散率均采用QUICK格式，采用标准壁面函数控制靠近壁面区域流场求解。考虑列车运行速度为200 km/h，环境横风风速为15.0 m/s条件，具体边界条件设置如表1所示。
为验证本文所选数值模拟方法及网格条件的可靠性，采用本文数值方法和网格策略对文献[15]风洞试验所用的CRH2型车进行阻力计算。计算模型采用与风洞试验一致的CRH2型动车组三维模型，通过前端吹风模拟列车与环境风的相对运动，各工况下入口固定风速为60 m/s，流场雷诺数为1.7×106，出口边界定义为压力出口边界，静压为0 Pa。阻力系数的数值计算与风洞实验对比结果如表2所示。
图4 车体附近区域网格
Fig. 4 Meshes around car-body surface
表1 边界条件
Table 1 Boundary conditions
表2 数值计算与风洞试验结果对比
Table 2 Results comparison between numerical simulation and wind tunnel test
由表2可知：该计算方法与风洞试验的最大相对误差为1.9%，能够满足工程计算精度要求。
3 优化结果分析
3.1 优化前后风量比较
定义转向架区域底面、迎风侧、背风侧的进风风速与切面面积的积分为不同位置的进风量。计算得到导流板不同下斜高度方案下各转向架区域的进风量情况如表3所示。对各转向架导流板不同下斜距离方案的进风量相对于原型车的减少百分比进行统计，其统计直方图如图5所示。
由计算结果可知：
1) 转向架底面是主要进风来源，迎风侧进风量相对较少，背风侧进风量基本可以忽略。
2) 增设导流板后转向架区域进风量均减少15%以上。转向架区域迎风、背风侧进风量随橡胶导流板下斜距离的增加而有增有减，但占主导作用的底面进风量在下斜距离60 mm方案下进风量下降效果显著。因此，橡胶导流板下斜距离越大，总进风量越小。
3) 以转向架2为例，与原型车相比，导流板下斜距离20 mm方案总进风量减少31.58%，下斜距离40 mm方案总进风量减少32.99%，总风量减小幅度不大；但下斜距离60 mm方案总进风量减少42.67%，下斜距离由40 mm增加到60 mm，总风量减小幅度明显提升。转向架3~转向架5的总风量变化规律类似。
4) 由于位置的对称性，转向架2与转向架5、转向架3与转向架4优化效果类似。而由于在该计算工况下，转向架1沿运行来流方向前端未设置下斜导流板，其进风量降低效果不明显，而转向架6前端经导流板优化，后端无导流结构阻碍，其总风量减少幅度达50%。
表3 各转向架区域进风量
Table 3 Regional air flow of each bogie m3/s
图5 各方案总进风量相比原型车减少百分比
Fig. 5 Air flow decrease percentage compared with prototype
3.2 优化前后流线流速比较
选取前端、后端均增设了导流板的转向架2区域进行流线分析，以转向架区域中心沿车体长度方向的纵切面作流线图，如图6所示。
图6 转向架2区域中心纵切面流线图
Fig. 6 Streamline of bogie No.2 in longitudinal section
与原型车相比，转向架2区域前端安装下斜橡胶导流板后，前端下方气流方向改变，上扬气流减少并受下斜橡胶导流板的抑制，向下导流，转向架内部形成凹腔流动，从前方底部来的气流越过腔口流到转向架底部后方；车体下方气流流经后端下斜板时，部分气流受到下斜板的阻碍，沿着下斜板上扬并回流，会存在一部分受横风影响向背风侧流出，导流板下斜距离越大，后部向背风侧流动的回流气流会有所增加。
头尾端转向架区域中心沿车体长度方向的纵切面作流线图，如图7所示。
下斜导流板的设计方案中，转向架6后端、转向架1前端均未设置导流板，其原因有：
1) 转向架1前端与转向架6后端为垂直端面形式，与其他位置的倾斜形式相比，其阻流作用使前端来流避过了转向架内腔区域，能够实现下斜导流板的同等功能。
图7 头尾端区域中心纵切面流线图
Fig. 7 Streamline of bogie on both ends in longitudinal section
2) 转向架6的前端导流板改变了底部前端来流方向，使气流绕过转向架底部，同时由于后端未设置下斜导流板，只有小部分气流回流到转向架区域，否则会增大转向架6后端区域的回流风量。
作为转向架制动单元的关键部件，对转向架2的制动盘迎风、背风侧纵切面速度场进行分析。速度场切面图如图8所示。
图8 转向架区域制动盘处切面速度场
Fig. 8 Velocity of Section field of the bogie brake disc
从图8可知：不论是迎风侧还是背风侧，增加导流板后，转向架前端区域1的上部气流明显减少，反映为前端制动盘后方构架下部区域2的低速气流区域增大；在转向架迎风侧向后流出的气流由于受下斜橡胶导流板的阻碍向背风侧回流，端面处区域3卷起的气流流速增加。
综上所述，转向架区域前进端设置的下斜导流板能够有效减少车底进入转向架的气流，下斜距离越大，对进入转向架区域并扬起的气流状况改善越好。但在转向架区域后端设备舱端面安装下斜橡胶导流板不利于转向架区域气流的排出，下斜距离越大，反而会导致回流。
3.3 优化前后气动力比较
在横风速度为15 m/s、车速为200 km/h运行条件下，将不同导流橡胶板下斜高度方案下的动车组整车气动力与原型车进行对比，对比结果如图9所示。
当橡胶块略微下斜时，底罩附面层分离现象滞后，其阻力与原型车相比有所下降。随着下斜距离增加，车体表面附面层发生分离现象，阻力逐渐增大，导流板下斜距离为60 mm方案与原型车相比，阻力增加2.4%；横向力、升力、倾覆力矩则随着下斜距离增加，相对原型车在1.8%以内变化。
图9 气动力比值
Fig. 9 Aerodynamic force ratio
4 结论
1) 转向架底面为主要进风来源，随着导流板下斜距离增大，转向架区域的总进风量减小，下斜距离由40 mm增至60 mm时优化效果明显，总风量减小幅度高达50%。
2) 运行前方底板下方的空气流场受转向架端部下斜导流板的抑制，气流绕过转向架区域腔口抵达转向架底部后端，受后端下斜导流板影响，在转向架尾部形成了一定的反射流。
3) 随着导流板下斜距离增加，车体表面附面层发生分离现象，车体阻力较原型车略微增加，而横向力、升力和倾覆力矩仅有小幅变化，但总体影响很小。
4) 提出的端面下斜橡胶导流方案能够有效优化转向架内部流场，为高寒地区高速列车转向架的防积雪结冰提供科学依据。
参考文献：
[1] TIAN Hongqi, HUANG Sha, YANG Mingzhi. Flow structure around high-speed train in open air[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(2): 747-752.
[2] 田红旗. 中国恶劣风环境下铁路安全行车研究进展[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2010, 41(6): 2435-2443.
TIAN Hongqi. Research progress in railway safety under strong wind condition in China[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2010, 41(6): 2435-2443.
[3] TIAN Hongqi. Formation mechanism of aerodynamic drag of high-speed train and some reduction measures[J]. Journal of Central South University, 2009, 16(1): 166-171.
[4] TIAN Hongqi. Determination method of load balance ranges for train operation safety under strong wind[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(3): 1146-1154.
[5] Lennart Kloow. High-speed train operation in winter climate[D]. KTH Railway Group and Transail, Royal Institute of Technology, 2001: 27-39.
[6] Serine A, Shimura M, Maruoka A, et al. The numerical simulation of snowdrift around a building[J]. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 1999, 12(3/4): 249-255.
[7] THIIS T K. A comparison of numerical simulations and full-scale measurements of snowdrifts around buildings[J]. Wind & Structures An International Journal, 2000, 3(2): 73-81.
[8] BEYERS M, WAECHTER B. Modeling transient snowdrift development around complex three-dimensional structures[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial, 2008, 96(S10-11): 1603-1615.
[9] BEYERS J H M, SUNDSBO P A, HARMS T M. Numerical simulation of three-dimensional, transient snow drifting around a cube[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial, 2004, 92(9): 725-747.
[10] 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(2): 20-26.
LI Junming, SHAN Yonglin, LIN Peng. Analysis on aerodynamic performance of anti-ice/snow dome of high speed motor train unit bogie[J]. Computer Aided Engineering, 2013(2): 20-26.
[11] 王辛娜. 哈尔滨17项精尖防冰雪技术升级高铁[EB/OL]. [2013-12-29]. http://ha.sytlw.com/sytlw/info/2014/0723/32666.
WANG Xinna. 17 advanced anti-icing technology in Harbin for upgrading high-speed railway[EB/OL]. [2013-12-29]. http://ha. sytlw.com/sytlw/ info/2014/0723/32666.
[12] BETTEZ M. Winter Technologies for High Speed Rail[D]. Sweden: Norwegian University of Science and Technology. Department of Civil and Transport Engineering, 2011: 4-6.
[13] 王廷亮. 铁路风吹雪灾害数值模拟及防治技术研究[D]. 兰州：兰州大学土木工程与力学学院, 2012: 40-43.
WANG Tingliang. Study on numberical simulation and prevention measures of the drifting snow disaster along railway[D]. Lanzhou: Lanzhou University. School of civil Engineering and Mechanics, 2012: 40-43.
[14] 李靓娟, 张洁, 刘堂红. 动车组车轮流场数值模拟[J]. 铁道科学与工程学报, 2014, 11(4): 115-120.
LI Liangjuan, ZHANG Jie, LIU Tanghong. Numerical simulation of flow field around wheel of EMU[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(4): 115-120.
[15] 张在中, 周丹. 不同头部外形高速列车气动性能风洞试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(6): 2603-2608.
ZHANG Zaizhong, ZHOU Dan. Wind tunnel experiment on aerodynamic characteristic of streamline read of high speed train with different read shapes[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(6): 2603-2608.
(编辑 罗金花)
收稿日期：2015-02-18；修回日期：2015-04-20
基金项目(Foundation item)：中国铁路总公司研究开发计划项目(2013G006)；中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2013J008-E)；中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题(2014T002-A)(Project (2013G006) supported by the Research and Development Program of China Railway Corporation; Project (2013J008-E) supported by the Key Program of Technological Research and Development of China Railway Corporation; Project (2014T002-A) supported by the Major Program of Technological Research and Development of China Railway Corporation.)
通信作者：丁叁叁，高级工程师，从事高速列车空气动力学研究；E-mail：dingsansan@cqsf.com
