王東屏，劉高峰，岳凌漢 ，陳濟臣

(1.大連交通大學 機械工程學院 ，遼寧 大連 116028; 2.中車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116028)

0 引言

我國約80%的煤炭資源分布在西部、北部地區(qū)，而東部、南部卻要消耗大量的煤炭來發(fā)展工業(yè)，由此形成了由北向南、自西向東的運輸格局[1].煤炭漏斗車在運輸煤炭的過程中，列車的高速運行或會車時的壓力變化會使煤炭顆粒泄露損失，給鐵路運輸安全造成很大的隱患，同時飄落在鐵路兩側的煤炭顆粒給鐵路沿線城市造成的環(huán)境污染問題也很突出[2].因此，解決煤炭漏斗車車體上表面煤炭顆粒飄落損失具有重要的現(xiàn)實意義.

在漏斗車研究和設計過程中，國內外學者的思路和方法基本相同，都是采用相應的軟件分析與實車試驗的方法進行對比分析，但是大部分學者都是集中在車體結構靜力學分析、結構動力學分析以及實車的靜強度試驗，比如焦平，田紅旗[3]以三維顆粒流程序PFC3D為計算平臺，運用其內嵌式FISH語言，并結合MATLAB 軟件，得出了散粒體對漏斗車端墻的壓力基本呈三角形梯度分布等結論；田葆栓，王文[4]依據(jù)北美鐵路協(xié)會AAR M- 1001- 997《貨車設計制造規(guī)范》的相關條款，利用CAD集成軟件I-DEAS對該車車體進行了比較詳盡的有限元結構分析和車體靜強度試驗；王壽長[5- 6]結合國內外鐵路標準，分別從理論與實車試驗角度，研究和分析了多種不同工況下散粒貨物對敞車端墻、側墻的靜壓力，同時對我國鐵路標準的修改提出了合理建議.但是，就目前來看，對煤炭漏斗車在運行過程中煤堆上表面煤炭顆粒被氣流擾動而損失的數(shù)值分析還未涉及，而煤炭漏斗車煤炭被吹散落的主要原因是車體運動過程中車體周圍流場發(fā)生變化，流動的空氣將重量較輕的煤炭向車尾飄去.因此對車體運動過程中車體周圍的多相流流場進行數(shù)值分析十分必要.

本文以KM98型鋁合金煤炭漏斗車為研究對象，建立了一節(jié)煤炭漏斗車車廂的三維模型，數(shù)值模擬煤炭漏斗車80 km/h時速明線運行時煤炭顆粒與空氣流動的兩相流情況，為煤炭漏斗車的改進設計提供理論依據(jù).

1 計算模型概述

1.1 空氣流場計算方法

研究煤炭漏斗車車體外流場及煤炭顆粒飄落損失情況的必要條件是準確的描述車體外流場的規(guī)律，進而揭示流場對煤堆上方表面煤炭顆粒損失情況的影響.

在煤炭漏斗車運行過程中，煤炭顆粒與空氣流動的兩相流流場是典型的多相流流場，研究多相流流場的流動特性比結構設計領域中力學問題要困難得多，并且多項流流動中的湍流擴散問題比單一流體中遇到的湍流現(xiàn)象要更加復雜，尤其是多相流流場中顆粒物對湍流的調節(jié)[7]；在顆粒-空氣的兩相流流場計算過程中，最常用的兩相流模型是離散相模型，離散相模型是歐拉-拉格朗日模型的一種，它要求顆粒相體積較小，而且大體上均勻分布于連續(xù)相中，氣體是連續(xù)相，顆粒是離散相，首先通過連續(xù)相的計算獲得流場的速度、壓力等信息，然后再在拉格朗日下對單個顆粒的軌跡積分，在考慮顆粒在連續(xù)相場中的受力和湍流擴散等物理過程，最終可以得到單個顆粒的軌跡.

數(shù)值模擬煤炭漏斗車車體周圍多相流流場主要基于RNGk-ε雙方程湍流模型[8]和 三維不可壓縮N-S方程[8]，通過求解湍流RNGk-ε雙方程模型，得到湍流動能k及其耗散率ε，從而將湍流的脈動值與均時值聯(lián)系起來，這樣就可以利用Reynolds平均法將湍流瞬時脈動簡化為時均化方程；為了提高計算精度，采用SIMPLE算法計算流場并對離散方程中的對流項使用二階迎風格式，擴散項使用中心差分格式進行差值求解.

1.2 三維幾何模型及網(wǎng)格劃分

煤炭漏斗車的三維幾何模型非常復雜，而部分結構對流場計算結果的影響微乎其微，如車體內部含的筋板、螺栓和梁等結構，因此需要將煤炭漏斗車三維幾何模型進行簡化處理，刪除不必要的結構，故將煤炭漏斗車簡化為如圖1所示封閉幾何模型，車體的長、寬、高分別為13 m×3.34 m×3.6 m.

圖1 一節(jié)煤炭漏斗車車廂簡化模型

無限遠處的空氣氣流對漏斗車煤堆上表面煤炭顆粒的影響微不足道，沒有研究價值，并且受現(xiàn)有計算條件的限制，所以僅對列車周圍有限區(qū)域內流場進行數(shù)值計算.通過反復計算，計算區(qū)域長、寬、高分別選取為43 m×33 m×16 m.本文網(wǎng)格采用非結構化網(wǎng)格進行計算，在漏斗車上表面劃分邊界層網(wǎng)格，車體其他部分及空氣外流場空間區(qū)域大，可采用適當?shù)拇蟪叽缇W(wǎng)格，計算域網(wǎng)格為192萬，網(wǎng)格質量良好.

邊界條件是控制方程有確定解的前提，將提高計算結果的精度以及體現(xiàn)數(shù)值計算的真實性.流場入口為速度入口，速度為22.2 m/s；流場出口為靜壓出口.

1.3 煤炭顆粒物性參數(shù)及產生方式

影響煤炭顆粒運動的主要因素與其含水率和粒徑大小密切相關，文獻[9]中指出粒徑超過0.5 mm的較大煤炭顆粒，顆粒起動風速隨含水率提高變化較??；煤的堆密度是裝滿容器的煤粒的質量與容器容積之比，文獻[10]中指出，焦煤的堆密度一般為700～1 200 kg/m3.因此在本次數(shù)值模擬計算中，假定煤炭密度為800 kg/m3，粒徑分別為0.5、1、3和5 mm，不設置煤炭顆粒的含水率.

由于本次數(shù)值模擬是為了分析在漏斗車車廂內裝滿煤炭的情況下煤堆上表面與車廂上表面平齊時的第一層煤炭顆粒的飄落損失情況，因此將煤炭顆粒均勻的分布在煤堆上表面即車體上表面，并且在計算開始時僅產生一次，數(shù)量為2.8萬個，如圖2所示.

圖2 煤炭顆粒分布

2 計算結果分析

模擬煤炭漏斗車體多相流流場采用常用的相對運動法，即假定煤炭漏斗車靜止，空氣來流以與漏斗車運行方向相反的速度吹向漏斗車.為了得到較為理想的計算結果，計算時，先對計算模型進行穩(wěn)態(tài)無煤炭顆粒運行.當計算區(qū)域流場穩(wěn)定后，再加入煤炭顆粒進行瞬態(tài)計算.經(jīng)多次計算得知，穩(wěn)態(tài)計算到1 000步時，流場趨于穩(wěn)定；瞬態(tài)計算時間步長取0.001 s，計算列車運行7 s.

2.1 煤炭漏斗車車體表面外流場計算結果分析

煤炭漏斗車穩(wěn)態(tài)運行時，前端墻是迎風面，正對空氣來流方向，氣流在此處被滯止，速度幾乎為零，所以此處正壓值最大，為327 Pa，表面壓力呈正壓狀態(tài)，側墻及后端墻表面處于負壓狀態(tài)，如圖3所示.

圖3 漏斗車表面壓力分布

由于漏斗車前端墻非流線型結構并且沒有導流板等設施，氣流在其車體前端墻受到阻礙，部分氣流以一定角度向上運動，在漏斗車上表面前部有明顯的渦流產生；氣流到達車體中部時，由于車體上表面平坦，貼近上表面區(qū)域空氣流速較小，速度變化比較平穩(wěn)；氣流到達車體尾部后，與下方氣流的相互作用，形成尾流區(qū).圖4為煤炭漏斗車車體周圍速度矢量圖.

圖4 漏斗車車體中心縱向截面(Z=0)速度矢量

圖5是不同時刻車體中心縱向截面壓力云圖，在2 s時，前沿上表面由于受空氣渦流影響，壓力較小，呈負壓狀態(tài)，車體上表面其它區(qū)域壓力比較平穩(wěn)；在4 s時，由于前方煤炭顆粒被氣流帶動飄起，散落到車體后方流場，影響車體周圍壓力分布，使得車體后方正壓區(qū)域擴大，正壓區(qū)域向前移動；隨著車體的不斷前進，煤炭顆粒飄起的越來越多，車體上表面壓力逐漸增大，在8 s時，正壓區(qū)域將車體上表面包圍，車體上表面僅在車前端為負值，其他區(qū)域全部為正值.

圖5 不同時刻中心縱向截面壓力云圖

2.2 粒徑為0.5 mm的煤炭顆粒損失情況分析

從圖6，圖7可以看出，當煤炭漏斗車運行過程中，由于車體上表面前部有渦流產生，煤炭顆粒在車體前端產生短暫的堆積現(xiàn)象；由于車體尾部存在渦流，流向車體后端的煤炭顆粒沒有立刻落于車體下方，而是被尾部渦流帶向后方流場；隨著車體的不斷前行，煤炭顆粒受周圍流場的影響，更多的顆粒隨高速氣流流向車體側墻和后端墻外部的流場中.

圖6 車體前部渦流

圖7 車體尾部渦流

結合圖6～圖 9可以得出，在1.05 s時，煤炭已有部分被氣流帶起，在2 s時，煤堆上方表面煤炭顆粒開始減少，由于在煤堆前部上方的流場中存在渦流，導致車體中前部的煤炭顆粒往上游聚集，在煤堆前端有顆粒堆積現(xiàn)象；在2～4 s顆粒減少量呈直線下降趨勢，在4 s時，由于受氣流和重力的雙重影響，被氣流帶起的煤炭顆粒落于側方及后方，同時車體后部的煤炭顆粒大部分被氣流帶起，流向車尾，中部的顆粒首先減少，車體前端仍有相對較多的煤炭存在；隨著車體的運行，在運行8 s時，煤堆上表面的煤炭顆粒在氣流的作用下大部分朝下游飄落損失掉了，僅剩720個，占總數(shù)的2.5%.也就是說，97.5%的表面煤炭顆粒被吹離車體上表面.

圖8 不同時刻煤堆表面第一層煤炭顆粒分布

圖9 不同時刻煤堆表面第一層煤炭 顆粒損失量隨時間變化曲線

2.3 不同粒徑下的煤炭顆粒損失情況分析

由圖10可知，隨著煤炭顆粒粒徑的增大，滯留在煤堆上表面的煤炭顆粒數(shù)量呈上升趨勢，即煤炭顆粒粒徑越大，煤炭顆粒損失越少.

圖10 t=8 s時刻不同粒徑的煤炭顆粒分布對比

圖11所示為不同粒徑下的煤炭顆粒隨時間變化曲線，可以看出，在2s時車體上表面粒子幾乎相等，隨著漏斗車的前行，煤堆上表面第一層的煤炭顆粒越來越少，損失量隨之增大，在8 s時，粒徑為0.5 mm和1 mm的煤炭顆粒都在氣流的作用下大部分飄落損失掉了，滯留在車體上方表面的粒子分別為720個和1 184個，粒徑為3 mm的煤炭顆粒還剩4 723個，粒徑為5 mm的煤炭顆粒剩余最多，為8 690個.

圖11 不同粒徑下的煤炭顆粒損失量隨時間變化曲線

通過表1可以得出，煤炭漏斗車煤堆表面煤炭顆粒的損失量隨著粒徑的增大而減小，粒徑為0.5 mm的煤炭顆粒損失最大，為97.5%，粒徑為5 mm的煤炭顆粒損失最小，粒徑為1、3、5 mm的煤炭顆粒相比于0.5 mm的分別下降1.5%、14.5%和28.5%，這就說明煤炭顆粒粒徑增大，顆粒重力隨之增大，在同等外界環(huán)境下，重力大的粒子不易被吹走，致使損失量減少，即煤炭漏斗車在運輸過程中損失減小.

表1 不同粒徑的煤炭顆粒損失量對比

煤炭漏斗車在裝車前會給煤堆上表面噴灑粘結劑，會使其表面的煤炭顆粒粘結成小塊，也就是說會使煤炭顆粒的粒徑增大，損失相應減少，但是運輸成本也會增加，效益會相對減少.如果可以將較小的顆粒放置于車廂內部，而將較大粒徑的煤炭顆粒放置于車體上方表面，煤炭泄漏量隨之會減少，對沿途城市的污染一定會減輕.

3 結論

通過建立KM98煤炭漏斗車三維模型，采用有限體積法的數(shù)值模擬方法，利用CFD仿真軟件SC/Tetra對漏斗車以80 km/h時速明線運行進行了多相流流場的數(shù)值模擬.分析數(shù)值計算結果得到以下結論：

(1)當煤炭漏斗車在運行過程中，車體前端墻為迎風面，成正壓狀態(tài)，車體側墻及后端墻處于負壓狀態(tài)；在煤堆上表面前部和尾部有明顯的渦流產生，在煤堆中部上表面區(qū)域空氣流速小，速度變化都比較平穩(wěn)；

(2)由于煤堆上表面前部存在渦流，中部的煤炭顆粒先被吹起，煤炭顆粒在車體前端產生短暫的堆積現(xiàn)象，隨后被前端的氣流帶動，朝下游飄去；由于受尾部渦流和重力影響，飄向的煤炭顆粒落于車體側墻和后端墻外部的流場.隨著漏斗車的運行，在8 s時，車體上表面煤炭顆粒在氣流的作用下大部分朝下游飄落損失掉了；

(3)煤炭顆粒損失量與粒徑大小有關.粒徑為0.5 mm的煤炭顆粒損失最大，為97.5%，粒徑為5 mm的煤炭顆粒損失最小，為69%，粒徑為1、3、5 mm的煤炭顆粒相比于0.5 mm的分別下降1.5%、14.5%和28.5%，可以得出煤炭顆粒的損失量與其粒徑成反比關系，即煤炭顆粒粒徑越大，損失量越小，可見漏斗車在運輸過程中，如果可以將較大粒徑的煤炭顆粒放置于車體上方表面，煤炭泄漏量隨之會減少，對沿途城市的污染一定會減輕.

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