高速动车组转向架区域防积雪性能研究

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高速动车组在风雪环境中行驶时,车底气流携带雪花颗粒快速运动必然会流经转向架等车底设备表面,由于长时间运行设备表面温度较高,致使雪花颗粒迅速融化,更多的雪花颗粒降落在设备表面与融雪发生粘附,此过程长期不断循环往复,会导致转向架区域逐渐积雪,最终形成严重的结冰现象。这会造成转向架零部件的工作性能下降、寿命寿命缩短、发生损坏等一系列问题,给动车组的后期安全运营及维护工作带来诸多困难,影响列车正常运营及乘客出行的舒适性和安全性。本文基于三维非定常不可压缩N-S方程,RNG型k-ε湍流模型和DPM模型,利用计算流体力学软件Fluεnt对高速动车组转向架区域的流场结构与雪花颗粒运动特性进行仿真计算。本文主要研究内容包括:(1)依据动车组实际尺寸,创建三编组动车组的三维模型,详细绘制了动车和拖车转向架的重要结构;根据仿真计算需求,建立动车组流场计算域,设置风雪两相流的物性参数;利用ICEM软件划分非结构化网格,并对动车组周围进行局部加密;设置入口风速、雪花颗粒参数及粘附条件等边界条件。(2)模拟计算高速动车组转向架周围的流场分布和雪花颗粒黏附状态,主要分析了头车、中车和尾车各转向架区域的压力分布、中心平面处的流线和积雪浓度分布、黏附颗粒数。(3)提出两种转向架区域防积雪的方案,分别是转向架前端加装前置四面体导流板和中部加装中置导流板,采用与原始模型相同的计算方法,对比分析不同工况下,前、中置两种导流板参数对动车组转向架的流场特性和雪花颗粒黏附的影响。研究结果表明:(1)转向架区域雪花颗粒流动特性与流场特性类似,各零部件上的雪花颗粒粘附数与其周围的流场扰动密切相关;(2)前置导流板的高度分别设置为40mm、60mm、80mm时,与原装方案下雪花颗粒黏附数相比,分别减小了12.36%、38.22%、62.13%,由此可见,80mm前置导流板的防积雪性能优势更加明显;(3)中置导流板的长为220cm,宽为30cm,厚度为10mm,倾角分别为30°、45°及60°时,雪花颗粒的黏附数分别减小了15.78%、28.26%、27.78%,发现45°和60°的中置导流板对动车组转向架的防积雪性能均有较大影响,但对比分析各个转向架区域发现,45°的中置导流板对转向架区域防积雪果更佳。本文的研究结果具有较高的工程实用价值,能够为高速动车组转向架区域防积雪结冰提供一定的理论依据。
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