利用整流罩通过流场优化与流固耦合效应主动抑制风致煤尘迁移

《Journal of Cleaner Production》：Active suppression of wind-induced coal particle migration via flow optimization and fluid-structure interaction using gondola fairings

　　

# 摘要

• 提出了一种新型气动整流罩结构，以主动改善气流并抑制铁路运输过程中的煤粒污染。
• 建立了一种公平评估方法，采用在非定常、移动和非均匀流场下敞顶敞车车体表面积平均的颗粒物质浓度进行评价。
• 在隧道进洞阶段，优化后的整流罩实现了64.81%的净质量减少率；在实际铁路运行中，考虑粒子跨车传输的情况下，该比率达到42.81%。

## 引言

在铁路运输过程中，列车车厢不可避免地会遇到周围空气产生的气动阻力，这一现象被称为气动效应。该效应显著影响线路安全、运行效率（RAIB, 2008）、乘客舒适度（Han和Wang, 2009）以及周边环境（Wang等, 2024）。作为国家铁路网的重要组成部分，货运运输具有稳定高效的内陆物流优势，对连接区域经济体至关重要。虽然货运列车的运行速度通常低于客运或高速铁路列车，导致气动效应相对温和，但货物多样化的装载配置显著改变了车厢几何形状，从而使列车周围的气动场更加复杂多变。

重载列车以其较大的轴重为特征，常用于散货运输。在中国，这些列车主要用于煤炭运输，将内陆矿区供应给沿海高需求地区用于火力发电和冬季供暖。鉴于中国的经济发展和从公路运输向铁路运输的政策转变，煤炭运输仍然是铁路货运的基石（Zhang等, 2021; Zhang等, 2021），并将继续是近期主要能源来源（Wang, 2020; Zu和Li, 2023）。为便于装卸并降低有限空间内自燃的风险，敞顶敞车是铁路运输中的标准选择，既满足物流需求也满足安全要求。然而，这种顶部开放设计不可避免地使气流直接越过煤炭装载面，导致颗粒物被卷吸并沿轨道沉积。根据统计数据，每辆车的煤炭损失率可达0.5%至1.2%（Chen等, 2013）。此外，在隧道区间内，气动效应会加剧，显著恶化颗粒物迁移（Zhang等, 2026）。封闭的隧道环境进一步放大了这种空气中煤尘带来的安全风险。目前，主要工业解决方案是喷洒抑尘剂，在煤表面与气流之间形成物理屏障。然而，这种被动策略需要支付大量的化学药剂和专用喷洒设备成本。从物理角度来看，铁路运输过程中颗粒的运动受气动拖曳力和颗粒惯性耦合作用的支配。因此，优化车厢周围的流场是一种减少颗粒移动性的有前景但尚未充分探索的方法。

早期关于隧道运输过程中煤炭颗粒污染的研究，采用离散相模型与计算流体力学（DPM-CFD耦合）方法，将该现象主要归因于敞顶敞车前挡板边缘附近的气旋卷吸（Zhang等, 2021; Liu等, 2024）。Yang等人对重载列车进入隧道的过程进行了数值模拟，发现迎风条件可以促进煤粒迁移（Yang, 2022）。敞顶车内部煤堆的形态显著影响气动场及后续的颗粒行为。中国《铁路煤炭运输抑尘技术规范 第1部分：抑尘剂》（TB/T 3210.1, 2020; Lan, 2020）定义了两个典型的装载剖面：尖峰形装载和平铺装载，如图1(a)和(b)所示。前者模式在中国煤炭铁路运输中通常采用，煤堆积面与气流不直接接触。针对这种平铺模式，Zhang等人采用ANSYS Fluent仿真，证明了封闭的隧道空间增强了沿煤面方向的流速，产生强烈的上升气流效应，将颗粒物提升。然而，他们的工作缺乏对抑制机制的定量分析（Zhang等, 2026）。Wang等人研究了隧道入口处使用四种降压整流装置进行抑制的方法，比较了收缩面积比和角度对流调节的影响。现场测试表明，在隧道运行期间风压减少了60-100 Pa，煤颗粒浓度降低了70-90%（Wang等, 2025）。

关于货运列车的一般气动行为，相关研究表明，车厢特征随集装箱尺寸、货物类型和装载配置的变化而显著不同（Soper等, 2015; Li等, 2017; Maleki等, 2019）。鉴于颗粒迁移涉及包括启动、离地、空中运输和沉降在内的多个连续阶段（Han, 2024; Zhang等, 2026），在初始启动阶段进行干预可能是最有效的策略。先前的研究强调了优化车厢几何形状以达成此目标的可能性。因此，优化车厢形状是一条理论上可行的途径，可以改变铁路运输过程中颗粒的迁移行为。关于重载列车车厢几何形状的气动效应已进行了广泛的研究。例如，Stucki等人提出了用于机车的附加头部整流罩，在各种定位条件下实现了高达14%的气动阻力减少（Stucki和Maynes, 2022）。Maleki等人研究了双层集装箱车的气动阻力、侧力和力矩系数，考虑了不同车厢间距和偏航角的影响（Maleki等, 2020）。同样，Lai等人考察了车厢间距对气动阻力的影响（Lai等, 2008）。Vladimir等人采用数值模型和风洞试验验证了用于机车和尾车的流线型替代方案，旨在降低计算成本。他们得出结论，列车中间车厢表现出几乎均匀的气动特性（Golovanevskiy等, 2012）。然而，这些研究主要集中在气动载荷和能耗上；没有研究专门针对污染迁移控制进行车厢形状优化。因此，存在巨大且未满足的需求，需要开发能够减缓煤炭颗粒扩散的车厢设计策略。

为了实现形状优化的基本工程适用性，可以参考高速铁路的相关方案和策略，因为它们的气动效应更为明显。大多数针对高速列车的形状优化集中在转向架和受电弓区域。例如，Wang等人研究了转向架腔体的气动效应，证明了其几何形状显著影响湍流动能、尾流速度和总阻力（Wang等, 2020）。Wang等人数值研究了在铁路限界约束下不同车顶-翼面距离和迎角条件下翼型的气动特性（Wang等, 2022; Wang等, 2022; Wang等, 2022）。Du等人考察了翼弦比和足跟-趾比对抗升阻比性能的影响，并根据气动力评估了导流参数（Du等, 2024）。此外，以颗粒浓度作为指标的形状优化研究主要集中在积雪问题上。Kim等人修改了以320 km/h行驶的韩国高速列车（EMU-320）的转向架整流罩。他们的设计在转向架前方设有开口，该开口可以消散涡旋结构并削弱轨道产生的雪云（Kim等, 2023）。Lan等人使用Euler-Lagrange方法研究了寒冷气候下转向架区域的积雪问题。他们发现，横风可以将雪吹出该区域，但背风面的低剪应力促进了积雪（Lan等, 2025）。总之，现有的形状优化主要集中在车厢顶部（用于减阻）或转向架（用于地面污染物），但有限研究涉及直接源自车厢顶部开口的颗粒迁移问题。

综上所述，虽然现有研究已阐明了各种车厢周围的流场和颗粒迁移的基本原因，但没有研究专门针对敞顶敞车进行气动优化。先前的形状优化仅限于机车和客运列车以达成不同目标。然而，这些研究证明了通过流场优化来抑制颗粒迁移的可行性。但是，煤炭运输涉及复杂的装卸周期，需要全面的车厢设计，同时不能损害必要的运营要求。

本文针对平铺煤炭装载形式下，在开放线路和隧道运行条件（60-100 km/h）下，研究铁路运输过程中煤颗粒的风致迁移效应。利用ANSYS Fluent中的DPM-CFD耦合模型，通过颗粒迁移抑制效果和风载荷指标对比了多种整流罩配置。通过分析流线分布和气动阻力，在宏观和微观尺度上阐明了风致煤炭颗粒迁移的抑制机制。最后，讨论了相关的实际工程问题，包括由流体-结构相互作用引起的气动载荷和额外阻力能耗。

## 设计策略：基于工程需求

敞顶敞车的开放车顶便于煤炭装卸并确保煤炭与环境之间的充分热传递。虽然这种直壁设计适合装卸，但其气动性能较差。气动整流罩设计为一种改装附件，可以在不改变车厢基本形状的情况下优化局部流场。本研究选择平铺煤炭装载，该方式在中国广泛使用。

## 研究方法

流场域在理想条件下建模。由于深隧道空间中的流场影响有限，忽略了开放线路区段的横风效应，假设活塞风是颗粒迁移的主要原因。暴露于空气中的煤炭被视为处于自由状态的离散个体，忽略了岩层中的原始煤炭结构（Wang等, 2022）。关于大量颗粒的微观和瞬态运动行为

## 机械稳定性

虽然优化方案（方案1-c）在刚体假设下气动性能良好，但整流罩的安装引入了额外的气动载荷，可能引起连接处的旋转。幸运的是，风险可以通过根据气动载荷预测进行适当的材料选择和结构加以缓解。

图18显示了整流罩的机械特性。为评估稳定性，进行了单向气动-结构耦合分析

## 结论

本研究针对重载铁路运输过程中煤炭颗粒迁移的抑制问题，特别是在隧道区间内，提出了一种安装在敞顶敞车上的气动整流罩结构。通过优化敞顶车周围的流场并削弱气流对煤颗粒的驱动力，有效减少了颗粒迁移。此外，通过气动-结构耦合分析，验证了优化整流罩方案的适用性

## CRediT作者贡献声明

张伟伟：撰写–初稿，形式分析，概念构思。罗建军：撰写–审阅与编辑，监督，概念构思。闫高明：撰写–审阅与编辑，资金获取，概念构思。何保华：调查研究。李飞龙：撰写–审阅与编辑，验证。董明伟：撰写–审阅与编辑，验证。朱鹏程：撰写–审阅与编辑，验证。

## 利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响了本文报告的工作。

## 致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号：52378386和52408413）的支持。

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