强风对受电弓的气动规律

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受电弓良好的气动性能是确保弓网系统跟随性、稳定性和减小弓网磨损及降低气动阻力、气动噪声的重要因素.在影响受电弓安全性、稳定性的诸多因素中,强侧风是一个非常重要的因素.因此,强侧风条件下受电弓空气动力特性研究显得尤为重要和迫切.在受电弓气动性能方面,各国学者做了大量的数值模拟工作,并分析其变化规律[1-4].但研究强侧风下弓网特性的文献较少,且多采用受电弓模型进行分析,忽略了车体及车体部件、接触网等对受电弓绕流场的影响.根据工程实际特点,本文作者利用数值仿真的方法,采用弓-车-接触网一体模型,分析受电弓在强侧风下的空气动力特性,为进一步提高弓网动态受流性能及改善气动噪声提供仿真手段和理论研究基础.

1模型的建立及网格的划分目前文献中多单独使用受电弓模型分析其气动性能,实际上,受电弓所在流场要受到车体、接触网等扰动,故本文建立受电弓-车-接触网一体模型来分析强侧风对受电弓的气动作用规律[5-7].

1•1受电弓-车-接触网模型的建立采用动车组3节车模型,头、中及尾车的长度分别为25•7m、25m、25•7m,宽度为3m,高度为3•9m,吊弦距地面7•4m,接触线距地面6•0m.头车和尾车均为流线型,将列车转向架部分进行简化.计算使用的几何模型及受电弓局部放大见图1.本文采用的计算域长267m,宽192m,高34m,根据原型尺寸等比建立模型进行计算模拟,网格总数为1077•13万个.边界层厚度为10mm,将边界层分为4层,保证贴近壁面的网格在2mm以内,以提高计算精度[4-5].同时受电弓附近的网格加密,网格划分情况如图2所示.

1•2数学模型及边界条件的设置边界条件的设定对数值模型的计算结果有重要影响.根据相对运动准则,数值模拟的边界条件设置如下:在列车运行方向,入口的边界条件为速度入口,速度值为97•22m/s,出口的边界条件为压力出口,相对于大气压为0;在侧风方向,入口的边界条件为速度入口,速度值分别为15m/s、20m/s、25m/s、30m/s,出口的边界条件为压力出口,相对于大气压为0;气体边界均为滑移边界.地板为无滑移边界并设置速度,其值为97•22m/s,在接近入口处,设置小范围的滑移边界.列车以350km/h、不同侧风速度及风向角下运行,气流绕流受电弓表面较为复杂,形成三维绕流场及边界层,但这些流动与传热过程都要受到最基本的物理规律支配,同时作为边界条件的设置依据.将动量方程、连续性方程等联立求解外流场[8];采用低雷诺数的k-ω方程求解边界层,流动控制方程通用形式如下由于紊流流动的复杂性,直接求解上述方程组的难度较大,故采用时均方程加紊流模型的求解方法,即把紊流流动看作时间平均流动和脉动流动的叠加.此时还需求解关于紊流模型的方程,本文采用SSTk-ω模型,它结合了k-ω原型和k-ε模型的各自优点,求解方程如下式中:k为湍动能;τij为湍动剪切应力;-ui为时均处理后产生包含脉动值的附加项;σ为湍流Prandtl数;F1为混合函数;β,β*为SSTk-ω模型的常数,μ为流体动力黏度,γ为流体运动黏度.

1•3计算方法采用有限容积法(FVM).FVM是目前流动与传热问题数值模拟计算中应用最广泛的一种方法,使用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性,且离散方程系数的物理意义明确.计算使用的离散格式为:对流项采用一节迎风格式;扩散项采用中心差分格式.计算方法采用分离式求解SIMPLE算法,即求解压力耦合方程的半隐方法.

2数值模拟结果分析计算列车运行速度为97•22m/s,侧风速度为15m/s、20m/s、25m/s、30m/s,风向角为0°至90°,每间隔10°一个计算工况,分析受电弓阻力、升力、侧向力及俯仰力矩、倾覆力矩、侧偏力矩的变化规律,并与无侧风工况进行对比.风向角的定义如图3所示,-vx为主流方向,vw为侧风方向,θ为风方向.

2•1力及力矩的计算公式1)力的计算公式如下Pi=ciA0•5ρv2,式中:Pi分别代表3个方向的力,ci分别代表3个方向力的系数,A为参考面积.A的选取准则:阻力计算中A取x方向的投影面积,侧向力计算中A取z方向的投影面积,升力计算中A取y方向的投影面积[8].2)力矩的计算公式如下式中:Mi分别代表3个方向的力矩,mi分别代表3个方向力矩的系数,L为参考长度.L的选取准则:在俯仰力矩系数中L取列车的长度,在侧偏力矩系数中L取列车的宽度,在倾覆力矩系数中L取列车的高度.参考点的选取:倾覆力矩取轮轨接触点,俯仰力矩及侧偏力矩取列车型心点.

2•2强侧风条件下的计算结果及分析1)受电弓气动力及份额分布规律.图4是受电弓的气动阻力随风向角变化的曲线,图5是其占全车阻力的份额情况.受电弓的气动阻力在30°风向角附近出现最大值,并随着风向角的继续增大而有所降低,下降的趋势逐渐平缓.受电弓阻力占全车阻力的份额在10°风向角处达到最大值,随后降低,在90°风向角处又有所回升.图6是受电弓的气动升力随风向角变化的曲线.受电弓升力在10°风向角之后有所下降,然后在某个风向角后大幅度增加.侧风速度30m/s时,升力在风向角30°处开始迅速增大;同时最大值高于其他工况.而侧风速度15m/s时,升力在风向角50°处开始增加.由图7可见,受电弓升力占全车份额分布较为复杂,在风向角30°至60°之间出现最大份额,此后有所降低.受电弓侧向力随侧风速度及风向角的增大而增大.在风向角达70°后,增加的趋势逐渐变缓,在侧风速度较高的工况中尤为明显,如图8所示.随风向角的增大,受电弓侧向力占全车侧向力份额逐渐减小,趋势平缓,如图9所示.由于受电弓是由滑板、上框架、下臂杆等变截面构件组成的复杂杆系,且各个部件的迎流面及迎流方向不同,因此气动力分布较为复杂.而车体截面变化较小,气动力分布的规律性更强,故受电弓气动力占全车份额分布较为复杂,应对变化剧烈的工况进行更详尽的分析.阻力所占份额较大,在7•2%以内,而升力所占份额较小,但分布复杂.2)受电弓力矩及份额分布规律.由图10可见受电弓倾覆力矩分布.随侧风速度受电弓倾覆力矩占全车份额在2•5%以内;俯仰力矩占全车份额在7%以内,且分布复杂,侧偏力矩份额较小.受电弓气动特性的研究重点应放在份额较大的倾覆力矩及分布规律复杂的俯仰力矩上.由图14可见,受电弓侧偏力矩随侧风速度及风向角的增大而增大,侧风速度15m/s、20m/s时趋势平缓.由图15可见受电弓侧偏力矩占全车份额变化规律,风向角40°出现最大值.在无侧风条件下,受电弓气动力及力矩占全车份额发生变换,俯仰力矩所占份额大幅度减小,而侧偏力矩所占份额增大.受电弓气动力及力矩与所占份额如下:阻力1395•48N,占全车份额6•74%;升力295•88N,占全车份额3•36%;侧向力25•58N,占全车份额1•66%;倾覆力矩60•77N•m,占全车份额3•21%;俯仰力矩7120•97N•m,占全车份额0•89%;侧偏力矩205•2N•m,占全车份额2•24%.可知,强侧风对受电弓的各项气动荷载的影响程度相差较大.

2•3受电弓流场分布1)受电弓绕流场.以侧风15m/s、风向角90°,20m/s、风向角90°,侧风15m/s、风向角40°及侧风20m/s、风向角40°为例,分析受电弓绕流场,如图16所示.由图16可知,在受电弓流场区域内产生大量漩涡,速度方向发生改变,漩涡的交替出现会在受电弓杆件上产生交变力,这种力会使受电弓出现自振现象,受电弓振动加剧会导致弓网受流恶化.多尺度涡以及大涡出现在受电弓尾流区、受电弓导流罩后方以及弓头区域内.同时可以看出,侧风15m/s、风向2)受电弓速度及压力分布规律.以侧风15m/s,方向角30°为例,分析受电弓速度及压力分布,如图17和图18所示.在受电弓流场内形成较大范围的低速区,速度接近于零.同时可以看出,受到附近空调导流罩、车体连接处等影响,速度分布更为复杂.由图16可见在弓网接触部分的后方,出现面积较大的低速尾流区.由于受电弓外形复杂,迎流面积很小,在迎风面出现最大正压,在背风面出现最大负压,并随侧风速度与风向角的增大,这种影响更加强烈.由图18可见弓头滑板表面以及底座表面所受到的压力较大,弓角更大,对高速列车稳定运行产生重要影响[9].

3结论

通过建立弓-车-接触网的组合模型,计算和分析了不同侧风速度、不同风向角下受电弓气动力及力矩的分布规律,重点讨论了气动力对高速运行中受电弓稳定性的影响.1)气动力及份额.受电弓阻力随侧风速度、风向角度的增大,先增大而后减小;升力先减小而后增大;侧向力增大,并在强侧风条件下趋势尤为明显.受电弓气动力占全车份额分布较为复杂,升力所占份额较小,但分布规律最为复杂.2)气动力矩及份额.受电弓气动力矩总体随侧风速度、风向角度的增大而增大.俯仰力矩占全车份额较大且分布复杂,侧偏力矩份额较小.3)受电弓绕流场.受电弓安装于列车顶部随列车高速运行,运行过程中受到高速气流的作用,在受电弓区域内形成的气体流动场十分复杂,出现漩涡及低速尾流.本文计算了列车在不同侧向风速、不同风向角下,受电弓的空气动力学性能参数,分析了强侧风对受电弓的气动作用规律,为弓网系统稳定性和减小弓网磨损及降低气动阻力和保证运行安全提供依据