风洞研究预防粒子堆积到高速列车转向架
刘浴
光李1、4、5和
杰张- 1重点实验室力学的灾难和环境在中国西部,中国教育部,兰州大学、兰州,中国
- 2兰州大学土木工程与力学学院,兰州,中国
- 3信息工程学院、兰州大学、兰州,中国
- 4兰州大学大气科学学院、兰州、中国
- 5学校的建筑,土木与环境工程,瑞士联邦理工学院、瑞士洛桑
高速列车运行时环境中与大量的空气粒子,这些粒子可能积累的转向架上火车,这将进一步挑战转向架的正常运行,减少舒适性和火车安全。为了防止粒子进入转向架,转向架采用不同的保护装置。然而,现在,系统分析不同防护措施的防护效果与不同类型的粒子仍非常有限。在这项研究中,广泛使用的衬衫板和扰流板保护装置、转向架周围的空气粒子运输过程中模拟风洞实验室。三种典型的粒子,包括人造雪粒子,麦麸(雪花的替代品)和土壤渗,被选出来代表不同的空气粒子在真实条件下。三个进化索引,包括人造雪粒子的相对减薄率、减薄率相对粒子通量的麦麸,减速比和相对浓度的细筛土壤颗粒,被用来评估他们的保护作用。结果表明,短裙的组合板和直三角扰流板(即。,在一个5case, the straight triangle spoilers installed at the front and rear ends of the train bogie, and the short-skirt boards installed on both sides of the train bogie) was the best protection with the studied three particles. The relative reduction ratio of the average snow mass in this case was 75.59%, the relative reduction ratio of the flux in the level of fine wheat bran exceeded 78%, and the relative reduction ratio of the fine soil particle concentration was more than 96%.
介绍
高速列车运行时环境中与大量的空气粒子如尘埃(田,2015;王et al ., 2017)或雪(Vajda et al ., 2014;吴et al ., 2019),这些粒子可能进入转向架面积和影响在妖怪组件的正常运行。尤其在寒冷的地区丰富的雪粒子,雪粒子通常积累和转向架上的糖衣(刘et al ., 2020)然后威胁发生列车的安全(克努森et al ., 1994;Shishido et al ., 2014;朱et al ., 2016;谢et al ., 2017)。
为了防止粒子的堆积在转向架上,解决方案通常是集中在两个子过程的粒子积累,包括1)粒子进入转向架区域,和2)颗粒接触并坚持转向架的表面形成积累最终(Zhang et al ., 2018)。例如,Bettez (2011)防止冰雪进入转向架通过密封螺旋弹簧装置与一个小缺口或添加破坏者在多个位置。安德森(2012)改善运营的列车的设计机构和妖怪在极度寒冷的条件下在北欧与保护措施阻止敏感地区的雪和冰的积累,如悬挂系统和制动系统。Azuma et al。(2010)使用暖气或空调加热转向架端盖和转向架盖板能够有效地防止雪粒子的累积,尽管加热丝的耐久性和空调的排气管的布局很难得到满足。最近,研究表明,防冰涂层转向架的关键组件是非常有效的,尽管其成本是相对较高的,生活时间直到短(他et al ., 2017)。
现在,由于成本低,操作方便,三点或破坏者通常是安装在转向架,防止或减少粒子的进入没有任何重大变化转向架组件的布局。例如,在十二的建议Kloow (2011)减少积雪转向架的底部,相对简单和可行的方法是改变周围的流场转向架通过添加破坏者减少雪粒子进入转向,虽然这些方法和相应的优化需要进一步的实验证实。Shishido et al。(2009)导向板安装在转向架改变气流方向,防止雪粒子进入从转向架。根据风洞试验和数值模拟在不同的角度导向板,人们认为60度偏转器是最好的选择,以减少转向架上的积雪。王et al。(2018),王et al。(2019)用离散模型研究端墙的影响转向架小屋的斜坡,扰流板和刹车裹尸布在转向架上的积雪和制动卡钳。高et al。(2020),高et al。(2020 b),Cai et al。(2021)模拟了anti-snow偏转器的底部安装了不同角度的转向架减少表面雪转向架的积累。然而,分析,比较和优化各种措施的保护效率在相同条件下系统尚未完成。因此,在这项研究中,5个转向架保护方法与典型的粒子(人造雪粒子和麦麸,雪花的替换)和尘埃(细筛土)进行了首次系统地通过风洞试验。
风洞实验
主要设备
实验的多功能环境风洞兰州大学。主要的测量仪器、火车模型、辅助设备和颗粒材料用于这些实验中所示图1。
图1。主要设备和颗粒材料在这项研究中,包括(一)兰州大学多功能环境风洞(B)可移动的snowmaker,(C)探测器和制造者的砂粒子计数器(spc - 91),(D)气溶胶谱仪,(E)人造雪粒子,(F)细粒子麦麸,(G)细筛土颗粒。
在兰州大学多功能环境风洞
为了模拟边界层风环境、多功能环境风洞在兰州大学(图1一个)使用。风洞有放空风洞有四个部分,包括权力、整改,实验和扩散部分,总长度为85.00米,洞穴55.00米的长度,一个实验部分的长度20.00米和1.3米(宽)的横截面积×1.45米(高度)。风速可以不断调整从3 m / s - 40米/秒(Zhang et al ., 2014)。
主要测量和辅助设备
1.109气溶胶谱仪的测量频率1/6 Hz从德国(图1 d)是用来测量粒子的浓度大小小于32μm。光散射原理被用于分析光散射信号强度和粒径。通常情况下,粒子的激光灯光后,固态检测器检测散射光和将光信号转换为电信号。电信号放大后登记器中根据不同的脉冲振幅,粒子的数量在一段时间或粒子的浓度可以计算出来。气溶胶谱仪1.109可以持续监测尘埃粒子质量浓度在31个粒径通道在0.25∼32μm实时。
雪/沙粒子计数器(spc - 91,图1 c)是来自新泻电气有限公司。日本。设备发出一束激光反对感光元素有一定的距离。当粒子通过该地区覆盖的激光,接收到的光强度变化和粒子的数量和大小确定并记录。根据粒子大小和数量,运输通量测量粒子的位置。选择spc - 91可以确定粒子的粒径50 - 500μm 38内通道。
shd4 - 1.5移动snowmaker (图1 b)被用于制造人造雪。雪沉积在转向架的质量平衡承压。
火车模型和实验布局
根据引用(隋et al ., 2020;妞妞et al ., 2016;艾蓝et al ., 2014),高速列车模型有三个教练(头中间列车和尾巴火车)是建立在风洞中所示图2。模型的比例在原CRH2(中国铁路高速2)是1/10。堵塞率模型固定在隧道的不到10%,而满意的定义低阻塞比率由隋et al。(隋et al ., 2020)每个转向架顺序编号G来l沿来流的方向和数量F前参考位置的车辆(图2 c)。
图2。素描的火车模型,包括(一)3天图,(B)前视图的YZ平面毫米,(C)侧面的XZ平面毫米(F参考位置,G,H,我,J,K和l代表六个转向架的中央位置区域)。
为了描述很容易,一个三维笛卡尔右手坐标系的原点,研究建立了协调的十字路口风洞入口的脸,风洞中心轴和风洞底部的脸。风洞的中心轴是积极的一面X轴沿风向,XOY平面是平行于风洞的底部,Z轴方向垂直向上,单位是毫米。
模拟地面(图2 b, C)的高度200毫米从风洞的底部被用来获得一个统一输入风场。模拟地面的宽度是1200毫米,厚度18毫米。与此同时,45°导槽被削减在地上减少表层的厚度。模拟路基和跟踪模拟地面上被放置。上飞机模拟路基的宽度是430毫米,降低飞机的宽度是560毫米,它的高度是53毫米,高度模拟跟踪是10毫米。火车模型的高度与外部之间的距离是366毫米165毫米的两个轨道(图2 b)。参考的坐标位置F在火车前面(9000 0,299)。
皮托管(图2 c)是用来测量风速的中心风洞试验部分的入口的距离9000 mm的火车。空速管从风洞底部的650毫米和650毫米的风洞侧壁。皮托管测量的坐标点(0,0,650)。一组颗粒饲料进口顶部的风洞入口的3000毫米的距离。喂入口的坐标是(3000 0,1450)。实验中使用传入的风速是30 m / s。
粒子和相对测量方法
在这项研究中,雪的一个可移动的snowmaker从头部火车和6000毫米400毫米高从底部的风洞。雪snowmaker出口的坐标(3000 0,400)。实验后,体重增加列车转向架的测量雪堆积的重量。
通过spc - 91与探针固定F位置(参考位置,图2 c)和探测器B固定的中心G区(图2 c)、水平运输通量测量的位置了。的水平通量的减速比G区域的F地区作为基础来确定其保护效果,在更大的水平通量产生的减速比意味着更好的保护。
所示图1 d实时粉尘浓度测量系统(气溶胶光谱仪)被固定在一个位置F,l和G测量已筛土壤颗粒的浓度(直径dp= 0.1∼150μm)。根据减速比浓度的这些点,确定保护措施的有效性。
所列的表1好的麦麸粒子的体积密度,本研究中使用290公斤/米3细筛的,土壤颗粒是650公斤/米3。自然雪粒子的物理特性是改编自文献报道。
表1。。本研究使用的材料。
保护组件
所示图3三个防护部分,包括短裙委员会(图3 e)、斜三角形扰流板(图3一)和直三角扰流板(图3 c),添加和测试。短裙董事会增加了双方的训练指导框架向下延伸的部分原始训练的裙子。测试,短裙板向下扩展17毫米。飞机上的扰流板安装的一部分设备覆盖在转向架的正面和背面底部的火车。为了比较保护效率,提供了两种不同形状的剧透。两个剧透的最大高度是10毫米,和他们在火车设备覆盖长度178毫米,宽度100毫米。的长度两个斜斜三角形的扰流板(图3一)分别为31.60和70.73毫米,长度的斜一边直三角扰流板是100.50毫米(图3 c)。
图3。保护组件((一)斜三角形剧透,(B)转向架和(C)直三角剧透,(E)短裙板)和他们的五个布局与箭头指向组件扩大(D)。
在实验中,每个防护组件是粘在相应的位置用塑料带火车模型。因为磁带是光滑的表面,它应该只对实验影响甚微,很容易取代。
实验程序
根据不同的保护和扰流板的组合措施,5例测试(图3 da1-a5;表2),包括最初的情况下A1没有短裙板和扰流板,A2没有短裙董事会但斜三角形的破坏者,A3短裙板和斜三角形破坏者,A4没有短裙董事会与直三角剧透,但和A5短裙板和直三角剧透。
表2。测试用例。
所示图2后,列车沿来流方向固定,保护作用的人造雪,细麦麸和fine-and-sieved土壤调查5例(A1-A5)。实验进行了跟踪:
1。地面模拟和训练模型和相关实验设备被安排在风洞中所示图2。
2。在风场测试中,采用皮托管测量的风速逆风截面(Z∈(223、518)毫米和Y∈(-160、160)毫米](在距离X离火车头方向)500毫米。
3所示。在人造雪累积测量,当室外温度低于−6°C,可移动的snowmaker (图1 b)被用于制造雪粒子。这些雪粒子送入风洞模拟风和下雪条件。积累测试完成后5分钟内,转向架被除去,以平衡来获得它的质量变化。体重的增加是积雪。A1-A5情况下分别进行了测试,而平均积雪质量六个妖怪(G- - - - - -l在图2 c在每种情况下测量。
4所示。在粒子通量的比较测试好的麦麸,细麦麸添加从进料口见图2。探针的SPC是位于F和G分别沿中心线位置的火车。探针的固定参考位置F水平通量测量的粒子。探测器B是转向架G前的训练中心测量粒子的横向磁通在转向架G。每个测量重复了5分钟,每个提要4公斤。
5。在罚款和土壤渗浓度测试,通过喂食管的进料口(两端开口的风力流),罚款和渗土壤尘粒被送进风洞。格林调查C (图2 a, C在参考位置)F(图2 c)安装测量入射粒子的浓度。格林调查D (图2 a, C)是在底部的中心放在列车转向架G测量粉尘浓度的转向架在该地区G。格林调查E是背后的货车转向架的中心l(图2 a, C)测量粒子浓度在转向架l。每个测试在5分钟内完成和A1-A5例分别进行了测试。
6。在数据处理和分析,平均积雪妖怪A1-A5情况下的质量水平通量的麦麸和fine-and-sieved土壤的土壤浓度都总结评估的snow-protecting影响测试保护组件。
结果与讨论
风场测试和雷诺数
所示图4;补充附录SA1,测试在一个稳定的流场进行,因为列车转向架模型的高度高于位置Z > 218 + 53 = 271毫米(图4)。
图4。传入的风场的影响。V是逆风的风速截面(Z∈(223、518)毫米和Y∈(-160、160)毫米]。
根据以前的报告(Kwon et al ., 2001;安德森,2007;交叉et al ., 2015;妞妞et al ., 2016),可以计算雷诺数从以下情商。为,
那里的空气密度ρ1.225公斤/ m³,U是传入的风速(21-33 m / s),H的高度是火车模型和作为一个特征长度,和空气粘度系数μ是1.8×10−5Pa。
在这项研究中,建立了雷诺的数字是5.2×10的范围5-8.8×105。
测试积雪
5例分别进行了测试,计算出的平均质量的雪积累了在试验条件下的六个妖怪,雪和平均质量记录米我的情况下我。雪质量在每种情况下的平均降低率从原来的A1(没有短裙板和扰流板)被记录RM我,,
与原案例A1作为参考,一个更大的RM我意味着一个更小的平均数量的积雪在Ai的情况下,指示一个更好的措施来抑制相应的转向架上的积雪。
图5显示了相对平均积雪的减速比质量的六个妖怪5例。短裙板和底部的破坏者,积雪的平均质量明显低于原情况A1没有短裙板和扰流板。在A3与最小的减少,其减速比RM3为62.46%,表明短裙董事会和斜三角破坏者可能有良好的保护作用。减少的比率平均积雪质量在A5短裙董事会和直三角剧透,A4没有短裙董事会与直三角剧透,但和A2没有短裙董事会但斜三角破坏者RM5RM = 75.59%,4= 69.79%,RM2分别= 67.08%。结果表明,短裙板和直三角破坏者可以减少有效转向架地区积雪和结冰。因此,设计与变化的位置转向架侧裙和前后盖板的原始情况下可以减少完成转向架地区积雪和结冰下雪的天中列出补充附录SA2。其中5例,A4案子类似于引用(案例3王et al ., 2018),它的整个转向架的积雪减少不到69.79%是由于情况3的破坏者而引用(王et al ., 2018)减少了49.34%。
图5。减薄率相对RM我平均积雪质量六个妖怪在不同的情况下在原来的情况下(A1)。
通量测试好的麦麸
水平通量与程控测量探头的位置F被记录为质量保证我(我= 1,2,3,4,5,对应5例)。同样的,QB程控探测器B的数据在职位G。横向磁通质量保证入射粒子的测量头火车面前,这是最初的粒子通量水平状态没有火车的影响和保护部分。QB是水平通量的粒子在流场影响下部盖片和保护地区的火车。区别这两个通量(比质量保证- - - - - -QB),质量保证被定义为通量减少比率中移动(情商。)。
一个更大的中移动意味着入射通量水平通量质量保证和粒子水平通量底部的转向架G QB有更大的区别,水平通量QB底部的转向架G小于水平通量质量保证的粒子,粒子的数量进入转向架面积相对较小,和相应的防护措施的防护效果好的麦麸的转向架与大粒径和低密度更好。
图6显示了概率密度函数(pdf)的麸皮颗粒(颗粒直径/ pdf)与程控探针在A1的情况下进行测试。因为好的麦麸粒子的大小是程控测试范围,有较高比例的36-60μm和490 - 500年μm粒子,但整体粒子通量仍是可控的。
图6。概率密度函数(pdf)细糠粒子与程控测试探针在A1(颗粒直径/ pdf)。
图7说明了粒子通量的相对比率减少中移动我(我= 1、2、3、4、5)和麦麸的五个条件下(A1, A2, A3、A4和A5)。因为重复中移动我(我= 1、2、3、4、5)每组的值相对较近,可重复的实验。根据程控的布局和数据处理方法,更大的相对通量的比例减少中移动我应该提出更好的保护影响转向架与较大粒径细麦麸和低密度。
图7。测试用例的通量减少比率。
所示图7减少,相对比中移动1最初的情况下A1没有任何防护措施不超过8%,最低的5例。这一结果表明,没有裙板和底部的破坏者,水平通量质量保证1入射粒子和水平通量QB1粒子的转向架G的底部非常小,有超过92%的入射粒子进入转向架通过火车底部区域,沿来流。这些结果进一步通过机载雪粒子将进入转向架区域沿着高速火车旅行和可能形成积雪和冰。此外,与裙子的保护板和底部的破坏者,通量的相对减速比中移动我(我= 2,3,4,5)相比显著增加原来的A1。的相对通量减速比中移动2(没有短裙但是斜三角剧透)超过34%,中移动3(与短裙董事会和斜三角剧透)超过30%,中移动4(没有短裙但是直三角剧透)大于37%,中移动5(与短裙板和直三角剧透)超过78%。这些结果表明,保护作用在A5短裙董事会和直三角破坏者5例中是最好的。因此,在实验和麦麸大粒径和低密度,结合保护性短裙董事会和直三角破坏者能有效地减少粒子进入转向架区域所示补充附录SA3。
浓度测试Fine-and-Sieved土壤颗粒
已筛试验的土壤,格林调查C (图2 a, C)被放置在参考位置F(图2 a, C)测量的土壤颗粒的浓度,记录NA我(我= 1,2,3,4,5,代表5例)进行测试。另一个格林探针D是放置在底部的转向架中心G头部的火车(图2 a, C)测量粉尘浓度进入转向架的底部G(记录为注我)。第三格林调查E是放置在转向架的中心l跟踪培训(图2 a, C)来测量粒子的浓度进入底部的转向架L(记录问我)。A1-A5情况下分别进行了测试。
粒子浓度下转向架的减速比G(注我)的粒子浓度(NA我)计算,
粒子浓度(的减速比问我)下的转向架l在传入的粒子浓度(NA我)被确定为,
和更大的RNB我和RNL我显示了更好的保护。
土壤粒子的概率密度函数(pdf)和格林(颗粒直径/ pdf)测试探针在A1的情况下显示10 - 30μm粒子所占的比例相对较高(图8)。
图8。细粒土壤粒子的概率密度函数(pdf)测试与格林探针在A1(颗粒直径/ pdf)。
图9显示浓度的减薄率和渗下的土壤颗粒的妖怪G和l5例。浓度更大减速比提出了一个更好的保护效果好,已筛土壤颗粒体积小,密度高。相对浓度减少比率在所有情况下超过71%,表明,在高风速30 m / s,只有相对有限的尘粒进入转向架。但是,在不同的情况下,相比原来的A1(没有短裙板和扰流板),粒子浓度在所有情况下的相对减少比率与裙板和底部剧透(RNB我和RNL我(我= 2,3,4,5)增加到94%以上。底部的转向架G,粒子浓度的相对减速比A5(短裙板和直三角板块)(RNB5)是最大的。底部的转向架L,减速比的相对浓度在A4(没有短裙但是直三角剧透)(RNL4)是最大的,其次是在A5 (RNL5)。在这些测试用例,A5有最好的保护,其次是A4,表明短裙董事会和直三角破坏者可以有效减少尘埃粒子浓度在转向架区域试验,已筛土壤颗粒体积小和高密度。
图9。粒子浓度的比率减少底部的妖怪G和l(RNB我和RNL我)的粒子浓度。
与渗土壤颗粒的罚款和实验,粒子浓度的相对减少比率下转向架Ghead-train和入射粒子浓度,和那些在后方转向架ltail-train和入射粒子浓度,比较。发现5例的相对浓度减少比率都超过了71%,这再次验证了相对有限的尘粒进入转向架地区在高风速30 m / s。相对粒子浓度在A5减速比是96%以上,甚至超过99%在前面的转向架区域前面的火车。这些结果表明short-shirt董事会和直三角破坏者可以减少尘埃粒子浓度和有效保护高速列车转向架地区(补充附录SA4)。
结论
在这项研究中,通过风洞实验中,保护保护底部部分转向架的影响(裙板和扰流板)从三个典型的粒子(雪谷物、小麦麸皮和罚款已筛土壤粒子)进行了研究。基于不同的组合保护衬衫板和底部的破坏者,实验在5例,包括原始病例A1(没有短裙板和扰流板),A2(没有短裙但是斜三角剧透),A3(短裙板和斜三角剧透),A4(没有短裙但是直三角剧透),和A5(短裙董事会和直三角剧透)。得出两个裙板和底部的破坏者可能大大防止粒子进入转向架。A5在所有5个测试用例有最好的保护与不同的粒子。相比与原案例A1, A5积雪的平均减速比质量的75.59%,相对减速比的麦麸水平通量(中移动5)超过78%,渗土壤颗粒的相对浓度的减薄率和96%以上。新列车设计,因此,改变应该在转向架的侧裙板,和前后盖破坏者的原始情况,从而有效降低粒子积累新列车转向架地区。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。
作者的贡献
黄:实验设计、数据收集和分析,编写;GL:实验设计和数据收集;生理:概念化、验证方法、监督和写作。
资金
这项工作是支持的第二青藏高原科学考察和研究项目(2019 qzkk020611),科学技术研究与发展计划,中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司有限公司(wlmq - kghzgs hrtlggb - 2020 - 0031),甘肃省科技重大项目(21 zd4fa010),中央大学和基础研究基金(lzujbky - 2020 cd06 lzujbky - 2020 pd11)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/feart.2022.829309/full补充材料
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关键词:预防、粒子、积累、高速列车转向架,剧透
引用:刘Y,李G和张J(2022)风洞研究预防粒子堆积到高速列车转向架。前面。地球科学。10:829309。doi: 10.3389 / feart.2022.829309
收到:2021年12月05;接受:2022年1月05;
发表:2022年1月25日。
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