【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及轨道列车转向架积雪结冰分析，特别涉及一种列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法。
技术介绍
1、转向架区域的积雪结冰问题对于轨道列车的安全运行较为关键。轨道列车长时间运行在风雪环境中时，环境风夹着雪花进入转向架，当运动行程存在较多漩涡时，雪花在漩涡内相互吸附，进而黏着在附近结构表面堆积。转向架区域流场受到积雪的干扰，流场结构发生变化，加剧积雪形成。另外，制动装置在制动时会产生大量热，会导致转向架上的积雪融化，而融化后的水又迅速转化成冰。转向架部位的弹性元件如空气弹簧和轴箱弹簧在轨道列车运动中也会发热，导致周围的积雪融化转化成冰。这些附加在转向架上的冰会增加簧上质量，恶化弹簧的弹性系数，影响轨道列车的动力学性能，威胁行车安全。当轨道列车在高寒条件下运行时，将导致转向架区域发生大面积积雪现象，从而影响轨道列车运行稳定性。
2、现有技术中，轨道列车转向架区域积雪结冰分析的数值仿真方法多采用将雪粒运动与气流湍流相结合的风雪两相流方法，对转向架区域积雪结冰的机理解析程度仍处于对空气流动趋势和雪粒运动特性分析阶段，并未对积雪相变覆冰的相态转换及堆积形变过程进行深入剖析。此外，防积雪结冰技术仅适用于转向架区域风雪轨迹的优化，无法对发热部件表面液膜推进路径和空间水滴运动轨迹进行有效控制。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：针对上述
技术介绍
中存在的不足，提供一种能够模拟转向架区域风-雪-水-冰多相耦合输运、转向架区域发热部件表面积雪融化-水膜推进-凝固结冰及绝
2、为了达到上述目的，本专利技术提供了一种列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，包括如下步骤：
3、s1，构建轨道列车转向架以及车体的三维模型，并对模型进行网格划分；
4、s2，构建轨道车辆转向架区域风-雪-水-冰多相耦合输运及相态转换数值模拟仿真模型；所构建的模型包括：将空气相视为连续相、将雪粒/剥落液滴视为离散相的耦合输运模型来模拟转向架区域复杂的流场结构；雪粒-壁面交互行为判别模型来判断雪粒在液膜表面的飞溅、反弹、滑移、黏附状态；融化-凝固模型来模拟雪粒融化凝冰相变过程；凝结覆冰模型来模拟转向架表面覆冰形变过程；液膜推进模型来模拟液滴剥落演化过程；
5、s3，设置初始条件和边界条件；
6、s4，基于s2所构建的模型对轨道列车转向架区域的冰雪积聚情况进行数值模拟；
7、s5，对数值模拟计算结果进行后处理，分析转向架区域的雪-水-冰复杂相态转换机理以及冰雪积聚过程中的相变、堆积形变情况。
8、进一步地，s1包括如下子步骤：
9、s11，构建轨道列车转向架、车体以及计算域的三维模型；
10、s12，对计算域进行体网格划分，建立计算域体网格模型；
11、s13，考虑轨道列车转向架所有重要结构表面的雪-水-冰相变演化，建立车体及转向架的表面面网格模型，对转向架区域的风-雪-水-冰多相耦合输运及相态转换机理开展精准模拟。
12、进一步地，s12中根据流动特点以及分析需求规划网格疏密，对车体周围体网格进行加密，以精确模拟车体周围气相流动；对转向架区域体网格进行再次加密，以准确模拟转向架区域微小涡旋结构，并精准捕捉雪粒的运动轨迹。
13、进一步地，s2包括如下子步骤：
14、s21，构建将空气相视为连续相、将雪粒/剥落液滴视为离散相的耦合输运模型：构建湍流模型来模拟空气流场；通过阻力效应函数和升力效应函数来模拟雪粒/剥落水滴与空气流场之间的力学作用；
15、s22，构建雪粒-壁面交互行为判别模型：若雪粒运动速度小于阈值捕获速度则雪粒与壁面作用后的运动状态为飞溅或反弹；再判别雪粒直径和最小击溅直径的大小关系，若雪粒直径大于或等于最小击溅直径则雪粒的运动状态为飞溅，若雪粒直径大于或等于最小击溅直径则雪粒的运动状态为反弹；
16、若雪粒运动速度大于或等于阈值捕获速度则雪粒运动状态为滑移或黏附；再判别壁面摩擦速度和阈值摩擦速度的大小关系，若壁面摩擦速度大于或等于阈值摩擦速度则雪粒与壁面作用后滑移运动，若壁面摩擦速度小于阈值摩擦速度则雪粒与壁面作用受到黏附；
17、s23，构建融化-凝固模型：采用拉格朗日碰撞模型来模拟雪粒对液膜的碰撞作用；使用焓公式实现转向架表面相组分特性；
18、s24，构建凝结覆冰模型，模拟轨道列车转向架表面覆冰形变过程，采用覆冰质量移除和网格变形重构技术来实现轨道列车转向架表面积冰轮廓演化模拟；
19、s25，构建液膜推进模型，模拟液滴剥落演化过程，采用剥落模型模拟转向架表面融化液滴剥离现象。
20、进一步地，s21中的空气流场模拟可采用基于sst k-ω或realizable k-ε湍流模型的分离涡(des)或非定常雷诺时均(urans)方法开展，近壁面采用全y+壁面处理；
21、对于阻力效应函数和升力效应函数，设定雪粒/剥落液滴为光滑表面的球形颗粒，其基本的运动方程由以下基本动量守恒方程给出：
22、
23、其中vp表示瞬时颗粒速度，fs是作用于颗粒表面的力的合力，fb是体积力的合力；
24、这些力可分解为：
25、fs＝fd+fp+fvm
26、fb＝fg+fmrf+fu+fc+fco
27、其中fd为曳力，fp为压力梯度力，fvm为虚拟质量力，fg为重力，fu为自定义的体积力，fc为接触力，fco为库仑力；
28、雪粒/剥落液滴在空气相中所受的曳力，由以下曳力函数给出：
29、
30、其中，cd为颗粒的曳力系数，ρ为空气相的密度，vs＝v-vp为颗粒滑移速度，v为空气相的瞬时速度，ap为颗粒的投影面积；
31、曳力函数中的曳力系数通过schiller-naumann曳力模型给出：
32、
33、其中，rep是颗粒的雷诺数，定义函数如下：
34、
35、其中，dp是颗粒直径，μ是动力粘度；
36、雪粒/剥落液滴在空气相中所受的压力梯度力，由以下定义给出：
37、
38、其中，vp是颗粒的体积，是空气相中静压的梯度；
39、雪粒/剥落液滴在空气相中所受的虚拟质量力，由以下函数给出：
40、
41、其中，cvm是虚拟质量系数，假设颗粒在均匀、无粘性、不可压缩流中，此系数可取0.5。
42、进一步地，s22中阈值捕获速度阈值摩擦速度最小击溅直径由设定给出，雪粒运动速度up以及雪粒直径dp通过仿真模拟获得，雪粒直径壁面摩擦速度u*的计算方法包括以下两种：
43、采用公式计算：
44、u*＝(τ/ρ)1/2
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1.一种列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S1包括如下子步骤：
3.根据权利要求2所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S12中根据流动特点以及分析需求规划网格疏密，对车体周围体网格进行加密，以精确模拟车体周围气相流动；对转向架区域体网格进行再次加密，以准确模拟转向架区域微小涡旋结构，并精准捕捉雪粒的运动轨迹。
4.根据权利要求1所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S2包括如下子步骤：
5.根据权利要求4所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S21中的空气流场模拟可采用基于SST k-ω或Realizable k-ε湍流模型的分离涡(DES)或非定常雷诺时均(URANS)方法开展，近壁面采用全y+壁面处理；
6.根据权利要求4所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S22中阈
7.根据权利要求4所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S23中的焓公式为：
8.根据权利要求4所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S25包括：采用边缘剥落模型对液膜在锐角边上的破碎过程进行建模；采用波剥离模型对液膜表面的破碎过程进行建模；
9.根据权利要求1-8任意一项所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，S5中后处理得到转向架区域强剪切流动分布特征、雪粒运动轨迹及浓度分布、发热部件表面粘附积雪吸热融化后所形成液膜的初始位置、发热部件表面液膜的推进和发展运动趋势、重要部件表面结冰分布及轮廓变形演变过程、剥离液滴从发热部件到绝热部件表面剥离-撞击-覆冰的相态演化过程，并对这些过程进行分析。
...【技术特征摘要】
1.一种列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，s1包括如下子步骤：
3.根据权利要求2所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，s12中根据流动特点以及分析需求规划网格疏密，对车体周围体网格进行加密，以精确模拟车体周围气相流动；对转向架区域体网格进行再次加密，以准确模拟转向架区域微小涡旋结构，并精准捕捉雪粒的运动轨迹。
4.根据权利要求1所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，s2包括如下子步骤：
5.根据权利要求4所述的列车转向架区域风雪水冰耦合输运及相态转换仿真方法，其特征在于，s21中的空气流场模拟可采用基于sst k-ω或realizable k-ε湍流模型的分离涡(des)或非定常雷诺时均(urans)方法开展，近壁面采用全y+壁面处理；
6.根据权利要求4所述的列车转向架...
【专利技术属性】
技术研发人员：王家斌，高广军，刘浩源，张洁，姜琛，王田天，刘操，李小白，陈光，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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