Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи планируемых исследований.
В первом разделе диссертации на основе обзора литературы дан анализ
современного состояния экспериментальных и численных исследований
аэродинамических процессов в подвагонной зоне высокоскоростного
подвижного состава.
Исследования по взаимодействию подвижного состава (как грузового,
так и высокоскоростного), с воздушной средой проводились учеными
ВНИИЖТ, ПГУПС, МИИТ и др. Особый вклад по изучению аэродинамики
подвижного состава внесли Абрамович Г. Н., Астахов П. Н., Кравец В.В.,
Кулекина А. В., Лопушинский В. И., Романенко Г. А., Сюзюмова Е. М, Челноков
И. И., Чурков Н. А., Kinghorn P.D., D., Mohammad, A. R., Soper и др.,
посвященные аэродинамическим расчетам подвижного состава с целью
оптимизации сопротивления движению при высоких скоростях. Более
детальное рассмотрение аэродинамических процессов в подвагонном
пространстве было выполнено в работах A. Ido, S. Saitou, K. Nakade, S. Iikura,
H.-J. Kaltenbach, P.-E. Gautier, H. B. Kwon, A. Quinn, однако, в исследованиях на
тему движения частиц в турбулентных потоках, протекающих в подвагонном
пространстве остались неразрешенные вопросы.
Выявлено,чтосуществующаяконцепциямоделирования
высокоскоростного подвижного состава представляет исследуемый объект в
виде тонкого тела большого удлинения с плохообтекаемой формой, имеющий
интенсивную турбулентную диффузию в районе головного и хвостового
обтекателей, а также в нишах ходовых частей и межвагонных промежутков, что
с одной стороны упрощает математическую модель, но с другой не позволяет
точно и адекватно исследовать аэродинамические процессы в подвагонной зоне
высокоскоростного подвижного состава вследствие неучета влияния
вращающихся и поступательно движущихся элементов в первую очередь
экипажной части подвижного состава. Установлено, что одним из наиболее
действенных способов повышения точности и адекватности моделирования
указанных выше процессов является применение алгоритмов вычислительной
гидрогазодинамики с использованием твердотельных трехмерных моделей.
Во втором разделе на основе проведенного обзора литературы уточнены
цель исследования и решаемые для ее достижения научно-технические задачи.
Третий раздел диссертации посвящен разработке математической
двухфазной модели для исследования аэродинамических процессов в
подвагонном пространстве высокоскоростного подвижного состава.
Одно из наиболее показательных и ценных исследований по изучению
поведения воздушных потоков подвагонного пространства проведено
китайскими специалистами в лаборатории «National Engineering Laboratory of
High-speed Railway Construction Technology» с помощью аэродинамической
трубы. Масштаб исследуемой модели тележки – 1:2, скорость потока 35 м/с.
Результаты эксперимента визуализировались лентами с высокоскоростной
камерой.
Результаты данного исследования были взяты за основу для верификации
разработанной математической модели взаимодействия ходовых частей и
воздушного пространства.
Предложенная модель тележки была спроектирована в программном
комплексе SolidWorks аналогично исследованию «National Engineering
Laboratory of High-speed Railway Construction Technology».
Гидрогазодинамические расчеты проводились в Ansys Fluent и основаны
на численном решении системы дифференциальных нестационарных
нелинейных трехмерных уравнений гидрогазодинамики в форме Навье-Стокса
и уравнении неразрывности потока.
ВследствиеневозможностирешитьуравнениеНавье-Стокса
аналитическим способом вводятся граничные и начальные условия, сам поток
считается несжимаемым, массовые силы не учитывается и применяются
численные методы расчета. В работе для расчетов Ansys за основную модель
турбулентности выбрана модель SST в связи с тем, что она достаточно
универсальна и работает со сложными градиентными потоками.
Для численного решения разработан целый ряд различных схем
дискретизации в пространстве и времени со своими структурами сеток в
расчетной области.
Наиболее эффективным в настоящее время признан “метод конечных
объемов” (МКО), не требующий столь детального моделирования пограничного
слоя, как метод конечных элементов (МКЭ).
Для создания расчётной модели трёхмерные геометрические модели
вагона с тележкой и путями были представлены в виде твёрдых тел, а область
вокруг них – в виде движущейся с заданной скоростью однофазной среды. Для
моделирования контакта воздуха с рельсами, к граням модели рельсов были
условия движущейся стенки, а также к колёсам были применены условия
вращающейся стенки.
Полученная сетка конечных объемов (рисунок 1) характеризуется
сгущением к центру расчетной области (самой модели).

Рисунок 1 – Сетка конечных объемов исследуемого объекта

На основе моделирования были получены эпюры распространения
траекторий потоков воздуха (рисунок 2), движущиеся по днищу и
поднимающиеся наверх. Потоки для двух моделей различаются: модель,
используемая в исследовании китайских специалистов, имеет косые торцевые
стенки нищи ходовых частей, вследствие чего угол наклона подъема потока
больше и выше скорость движения потока.
Рисунок 2 – Траектории потоков (Численный расчёт – сверху, исследование –
снизу)
В результате моделирования установлена удовлетворительная сходимость
результатов настоящего моделирования и проводимого эксперимента «National
Engineering Laboratory of High-speed Railway Construction Technology».
Исследуемая модель поезда выполнена по образу «Сапсан» (Velaro RUS) с
десятью вагонами с упрощенным представлением геометрии. Результаты
расчета используются как начальные и граничные условия для уточенного
анализа потоков и подхвата частиц в подвагонном пространстве.
По результатам расчетов была выявлена тенденция устойчивой
циркуляции объемов воздуха из-под донной области вагона, ниш ходовых
устройств в боковых направлениях, с последующим разворотом потоков в
обратном направлении. Существует направление устойчивой циркуляции – в
надвагонную область. Это направление представляет собой наибольшую
опасность, поскольку подхваченные частицы, в процессе подъема
перемещаются на уровень ниш ходовых частей и способны отклонить или
сбить датчики безопасности, а также причинить ущерб корпусным элементам
состава.
В четвертом разделе разработана математическая модель подхвата
частицы балластного слоя потоком, сгенерированным высокоскоростным
подвижным составом. Несвязанные, свободно лежащие на поверхности шпал и
промежутках шпальных ящиков отдельные зерна щебня под воздействием
колебаний верхнего строения пути могут перемещаться, увлекаться и
переноситьсяназначительныерасстояния воздушными массами,
сгенерированными движущимся поездом. Значительную опасность в этом
случае представляют явления рикошета витающих частиц с корпусными
элементами подвижного состава (рисунок 3).

Рисунок 3 – Результат явления рикошета витающих частиц балласта в
подвагонном пространстве.
Захват частицы и ее последующее вовлечение в воздушный поток
наиболее вероятен при определенном положении частицы щебня относительно
направления потока воздушных масс и условий трения частицы о поверхность
шпалы при отсутствии сил адгезии с поверхности шпалы на определенное
расстояние в процессе ее колебательного движения.
Спомощьюпроведенногоэкспериментапоисследованию
распространения колебаний в элементах верхнего строения пути удалось
установить факт ослабления адгезионных сил частицы от полотна.
Исследование проводилось для пассажирских высокоскоростных поездов типа
«Сапсан» (Velaro RUS) на 46 км I главного пути перегона Саблино-Тосно.
По причине скоротечности, труднодоступности и безопасности натурное
исследование колебательного процесса верхнего строения пути в полном
объеме трудно реализуемо. Моделирование поведения рельсошпальной
решетки реализовано в виде системы осцилляторов вертикального и
горизонтальногонаправленийколебанийпути
в среде специализированного функционала Motion программного комплекса
SolidWorks. Динамическая модель рельсошпальной решетки разработана с
учетом реологических свойств балластного слоя основания пути, с
воспроизведением подвижной поездной нагрузки.
В ходе проведенного численного эксперимента взаимодействия свободно
лежащей частицы щебня на поверхности шпалы установлен факт ослабления
адгезионных сил между исследуемыми элементами (рисунок 4), поскольку
поступательное ускорение в вертикальном направлении превышает ускорение
свободного падения.

Рисунок 4 – Ускорение частицы, м/с2
Таким образом, среднее значение вертикальной составляющей ускорения
частицы не менее 10 м/с2, что влияет на силы сцепления и трения частицы с
поверхностью, то есть под воздействием вибрации рельсошпальной решетки от
проходящего состава частица может быть увлечена воздушными потоками,
сгенерированными проходящим поездом.
Установлено, что вследствие пульсации составляющих скоростей,
изменения подъемной силы вследствие несимметричного обтекании тел
потоком воздуха, движение частиц имеет винтовой, циклоидный характер
движения, причем в силу выявленных особенностей распределения воздушных
потоков и склонности их к образованию вихрей в характерных зонах
подвагонных частей высокоскоростных поездов, частицы балласта,
обладающие достаточно высокой кинетической энергией, испытывают
соударения с элементами корпусов подвижного состава.
Пятый раздел диссертации посвящен разработке расчетной модели
повреждения фальшборта корпуса высокоскоростного подвижного состава,
выполненного из композитных материалов с ячеистой структурой, заполненной
эпоксидным компаундом и наружным слоем из листового алюминия.
Основными зонами поражения частицами являются подвагонное
пространство, боковые стены кузова. Внешний материал, из которого
изготовлен корпус состава – композит (рисунок 5). В случае удара возможны
различные деформации конструкции. Большое влияние на прочность
композитов оказывает скорость деформации. При высокой скорости
приложения нагрузки макромолекулы композита не успевают изменить
конформацию, и упрочнение полимера не происходит.
1–фрагмент контактирующей частицы; 2 – волокнистый композит.
Рисунок 5 – Фрагмент композитной структуры кузова
Для исследования взаимодействия витающей частицы с фрагментом
композитной пластины разработаны и реализованы подходы, основанные на
представлении композитной мембраны в виде балочных объемных элементов,
двухслойной модели в виде металлической мебраны сопряженной с пластиной
полимера с усредненными по объему характеристиками упругости
компонентов, а также при послойном моделировании композитной структуры
Наиболее адекватные результаты позволяет получить моделирование в
системе Comsol MultiPhysics послойным моделированием. Выполнена серия
расчетов вариантов взаимодействия для наиболее характерных скоростей: 11,
32, 74 м/с, с углом контактирования 20°, 45°, а также прямой удар. Некоторые
результаты – зависимости напряжений в композите (послойно) от инерционного
импульса индентора (0° к нормали испытуемой пластины, скорость внедрения
индентора 11 м/с) представлены на рисунках 6-8.
а) фаза обжатия; б) фаза отскока
Рисунок 6 – Эпюра напряжений на композитной пластине и инденторе
где 1– смещение в точке 1; 2– смещение в точке 2; 3– смещение в точке 3; 4– смещение
в точке 4; 5– смещение в точке 5; 6– смещение в точке 6.
Рисунок 7 – График смещения слоев композита по времени (фаза обжатия)

где 1 – напряжение в точке 2; 2 – напряжение в точке 1; 3 – напряжение в точке 3; 4 –
напряжение в точке 4; 5 –напряжение в точке 5; 6 –напряжение в точке 6.
Рисунок 8 – График напряжений в слоях композита по времени (фаза отскока)
В результате исследования установлено, что при контакте объектов по
пологой траектории признаки повреждения материала связующего компонента
композита появляются на скорости контактирования 11 м/с (угол 20°). При
скорости 32 м/с (угол 45°) появляются признаки пластической деформации
металлической пластины и расслоение композита. На скорости 74 м/с (угол 20°)
– имеет место выраженная остаточная пластическая деформация металлической
пластины и вынужденно – эластическая деформация полимера (обжатие). При
угле контактирования 45° на данной скорости пластическая деформация
переходит в разрушение металлической пластины – пробой.
В шестом разделе работы описывается анализ аэродинамических
процессов, формирующих структуру снежных наносов на поверхностях
высокоскоростногоподвижногосостава. Обледенениеподвагонного
пространства напрямую связано с аэродинамическими процессами,
происходящими при движении поезда, работе тормозного оборудования и при
определенных климатических условиях. Наибольшую опасность представляет
заклинивание тормозной рычажной передачи при критическом наросте
ледяного образования.
Структура снежного насоса или ледяного образования во многом зависит
от траекторий воздушных потоков, сгенерированных подвижным составом.
Исследование проводилось методом cfd-анализа в комплексной среде
SolidWorks Flow Simulation (рисунок 9).

Рисунок 9 – Формирование теплофронтовых микроклиматических условий в
подвагонном пространстве – эпюра температуры воздушного потока

Эпюра демонстрирует характерную траекторию движения воздушных
масс в процессе омывания тележки, которая отражает наличие центробежно –
поперечной зоны текучей среды непосредственно за поверхностью обода
колеса. В результате воздействия центробежных сил образовавшегося вихря
происходит вынос капель в радиальном направлении, при взаимодействии с
металлическими элементами конструкции капли растекаются и быстро
замерзают, взвесь мелких снеговых включений налипает на замерзающую
водяную плёнку, образуя белый тип ледяных образований, который имеет
достаточно низкую прочность.
Комплексным решением обледенения и нанесения ущерба корпусным
элементам может стать принудительное ограничение проникновения
воздушных потоков в подвагонную полость.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе выполнен комплекс теоретических и экспериментальных
исследований по решению научной задачи движения воздушных масс в
подвагонном пространстве высокоскоростного подвижного состава, механизма
увлечения частиц воздушным потоком и взаимодействия их с кузовом,
подвагонным оборудованием и ходовыми частями. При этом:
1)Установлено, что существующая концепция моделирования
высокоскоростного подвижного состава представляет исследуемый объект в
виде тонкого тела большого удлинения с плохообтекаемой формой, имеющий
интенсивную турбулентную диффузию в районе головного и хвостового
обтекателей, а также в нишах ходовых частей и межвагонных промежутков. В
подобных моделях отсутствует возможность определения частных случаев
взаимодействия воздушной среды, возмущаемой подвижным составом, и
объектов окружающей инфраструктуры, например, подвагонного пространства.
Показано, что существующие модели, методики и нормативные документы не
рассматривают возможность подъема частиц с железнодорожного пути в летнее
время и ледяных частиц в зимнее.
2)Разработана методика по определению направления потоков
объемов воздуха из нижней части кузова вагона, ниш ходовых частей в
боковых направлениях, а также в пространство между кузовом и рамой
тележки. Проведена ее верификация и программная реализация на основе
сравнения с результатами испытаний аналогичных по типу геометрии моделей
в аэродинамических трубах и при натурных замерах.
3)Установлено (экспериментально и численно), что при
низкочастотных колебаниях железнодорожного полотна при движении
высокоскоростного подвижного состава частица балласта, свободно лежащая
на шпале дорожных путей, способна потерять контакт с землей и зависнуть в
воздухе, что называется витанием частицы. Также определен диаметр
частицы, которая может быть увлечена потоком воздуха с поверхности
верхнего строения пути.
4)Предложена классификация повреждений нижних люков и боковых
элементов фальшбортов подвагонного пространства вылетающим щебнем по
характерной форме остаточной пластической деформации на три вида:
деформация «колоколообразной» формы, деформация в виде борозды и
«пробой» в виде отверстия неправильной формы. Предложены схемы
взаимодействия витающей частицы с поверхностью люка корпуса: упругий
рикошет, пластический рикошет.
5)Разработано математическое описание динамического нагружения
на композитную пластину части защитного борта кузова при ударе твердой
частицы с помощью модифицированной модели Зинера.
6)Изучено три варианта численного моделирования динамического
нагружения защитного борта кузова: композитная мембрана, композитная
структура балочными объемными элементами, композитная структура
послойного представления. Показано, что наиболее адекватной моделью,
отвечающей реальным физическим характеристикам высокоскоростного
динамического нагружения, соответствует композитная структура послойного
представления.
7)Даны рекомендации по предотвращению увлечения частиц
балластного слоя высокоскоростным подвижным составом.
8)Предложена пространственная аэродинамическая модель структуры
движущихся воздушных масс в подвагонном пространстве высокоскоростных
составов, позволяющая установить особенности формирования снеговых и
ледяных отложений на критически значимых для безопасности движения
элементах конструкции ходовой части.