高速列車隧道受電弓空氣動力學響應(yīng)研究

高速列車隧道受電弓空氣動力學響應(yīng)研究

近年來，中國的高速列車快速發(fā)展。國內(nèi)外對高速列車空氣動力學的研究主要集中在列車的出發(fā)、側(cè)風安全和列車的通過上。高速列車通過隧道時,會引發(fā)一系列空氣動力學問題,如隧道壓力波動、隧道出口微氣壓波、隧道內(nèi)行車阻力增大等。高速列車隧道空氣動力學效應(yīng)會影響列車運行安全性、旅客乘坐舒適性和鐵路沿線環(huán)境,然而,高速列車過隧道產(chǎn)生的受電弓空氣動力學效應(yīng)對弓網(wǎng)動力學性能的影響卻未引起足夠重視,也未出現(xiàn)這方面的研究報告。以往關(guān)于弓網(wǎng)耦合動力學的研究,大多在不考慮空氣動力對弓網(wǎng)影響的前提下展開的,忽略受電弓空氣動力學效應(yīng)對低速受流的研究是可行的,隨著列車運行速度的提高,受電弓空氣動力學效應(yīng)對弓網(wǎng)受流的影響已非常明顯。列車高速通過隧道引起隧道內(nèi)空氣受到強烈擠壓,產(chǎn)生劇烈的壓力波動,這種壓力波動必然導(dǎo)致受電弓氣動抬升力的改變,進而影響弓網(wǎng)耦合動力學性能,在高鐵線路上也曾出現(xiàn)列車通過隧道時,由于接觸線抬升位移過大而引發(fā)弓網(wǎng)故障。本文結(jié)合高速列車空氣動力學和弓網(wǎng)耦合動力學,計算得到高速列車以時速350km/h通過隧道時產(chǎn)生的受電弓氣動抬升力,將氣動抬升力作用于弓網(wǎng)耦合動力學模型,從而獲得考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時的弓網(wǎng)動力學響應(yīng),并與未考慮隧道氣動效應(yīng)時的弓網(wǎng)動力學響應(yīng)進行對比分析,研究結(jié)果可為隧道內(nèi)弓網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供參考依據(jù)。1計算模型1.1隧道內(nèi)流場網(wǎng)格劃分建立高速列車簡化模型,采用頭車、中間車和尾車編組,長76.4m,受電弓位于中間車車頂,如圖1所示。為準確獲得列車通過隧道時的受電弓氣動力,對受電弓進行盡可能少的簡化,如圖2所示。列車通過隧道時的計算模型,如圖3所示。整個流場區(qū)域分為滑移部分和固定部分,滑移部分為列車附近區(qū)域,該區(qū)域以列車運行速度滑移,除了滑移部分以外的流場區(qū)域均為固定部分,兩部分區(qū)域之間通過滑動交界面連接進行數(shù)據(jù)交換。由于列車頭部和受電弓外形比較復(fù)雜,整個滑移區(qū)域和隧道內(nèi)流場均采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散,固定區(qū)域均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散。網(wǎng)格大小的確定必須在保證計算精度的前提下使得計算量最小化,且考慮到離高速列車越遠區(qū)域的網(wǎng)格大小對計算結(jié)果的影響越小,因此,網(wǎng)格劃分時采用漸變網(wǎng)格,列車通過隧道局部網(wǎng)格劃分,如圖4所示。列車以350km/h的速度通過隧道時,其位置時刻在變化,屬于瞬態(tài)問題;雖然馬赫數(shù)小于0.3,但是考慮到列車通過隧道時,空氣受到隧道壁面和列車表面的限制,隧道內(nèi)空氣會受到強烈擠壓,需考慮空氣的可壓縮性;列車流場雷諾數(shù)一般大于106,流場處于湍流狀態(tài),因此,整個流場采用瞬態(tài)、粘性、可壓縮流的NavierStokes方程和k-ε兩方程湍流模型描述,方程如下:連續(xù)性方程動量守恒方程湍動能方程湍動能耗散率方程式中:ρ為空氣密度;v為速度;p為壓力;vx、vy、vz為x,y,z方向上的速度分量;k為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;G為湍流動能生成項;μ為空氣粘性系數(shù);C1,C2為經(jīng)驗常數(shù);σk、σz分別是與湍流動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)。1.2受電弓動力學平衡方程建立包含承力索、輔助線、接觸線和吊弦4個部件的17跨接觸網(wǎng)模型,結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示,受電弓采用質(zhì)量塊模型,如圖6所示,等效參數(shù)見表1。采用有限單元法對接觸網(wǎng)進行離散,其中,承力索、輔助線和接觸線采用梁單元進行模擬,吊弦采用彈簧質(zhì)量單元模擬。接觸網(wǎng)動力學平衡方程式中,[Mc]為接觸網(wǎng)質(zhì)量矩陣,[Cc]為接觸網(wǎng)阻尼矩陣,[Kc]為接觸網(wǎng)剛度矩陣,為接觸網(wǎng)節(jié)點加速度向量,{uc·}為接觸網(wǎng)節(jié)點速度向量,{uc}為接觸網(wǎng)節(jié)點位移向量,{f(t)}為接觸網(wǎng)節(jié)點載荷向量。受電弓動力學平衡方程如下:式中:mi,ki,ci(i=1,2,3)分別為弓頭部分、上框架和下框架的等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼;P(t)為接觸網(wǎng)和受電弓的動態(tài)接觸壓力;F(t)為受電弓所受的靜態(tài)抬升力和氣動抬升力的合力。接觸網(wǎng)和受電弓之間通過動態(tài)接觸壓力P(t)實現(xiàn)耦合關(guān)系,聯(lián)立方程(7)~(10),采用直接積分法求解弓網(wǎng)動力學響應(yīng)。2受電弓空氣動力學仿真《弓網(wǎng)受流技術(shù)標準》(EN50367:2002)中給出的不同速度等級下弓網(wǎng)平均接觸壓力Fm的上限值,如圖7所示。其中,v代表列車運行速度,0.00097v2實際為不同運行速度等級受電弓的氣動抬升力值,70N為受電弓靜態(tài)抬升力值,因此,Fm實際為受電弓靜態(tài)抬升力和氣動抬升力的合力。目前,采用弓網(wǎng)耦合動力學仿真來評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量以及接觸線動態(tài)抬升位移時,受電弓抬升力值通常按照圖中所示曲線施加,因此,不能有效區(qū)分列車在明線和隧道運行時產(chǎn)生的受電弓空氣動力學效應(yīng)對弓網(wǎng)受流的影響,進而對接觸網(wǎng)和受電弓系統(tǒng)進行合理的設(shè)計。高速列車在明線和隧道運行時產(chǎn)生的受電弓氣動抬升力差異導(dǎo)致弓網(wǎng)受流質(zhì)量以及接觸線動態(tài)抬升位移不一致。為分析兩種線路條件下弓網(wǎng)接觸壓力和接觸線抬升位移的差異,建立長度為500m的雙線隧道,隧道截面面積為100m2。高速列車通過隧道時,受電弓氣動抬升力計算工況分為開口和閉口,初始時刻列車頭部距離隧道入口80m,受電弓開口和閉口運行時,受電弓距離隧道入口的距離分別為126.44m和110.76m。弓網(wǎng)耦合動力學分析時,分兩種計算工況進行對比分析。工況一:考慮受電弓隧道氣動效應(yīng),按照空氣動力學仿真獲得的受電弓氣動抬升力時程曲線施加;工況二:未考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時,氣動抬升力按照圖7曲線給定的值施加。3計算結(jié)果和分析3.1到達隧道東北部受電弓空氣動力學測試時,通常保持受電弓滑板與接觸線之間的距離為100~200mm,以此高度測得的氣動力表征受電弓正常工作高度時的氣動力,因此,文中進行受電弓空氣動力學仿真時,不考慮受電弓垂向位移引起的受電弓氣動力的變化。受電弓空氣動力學計算時,當高速列車駛離隧道后,受電弓氣動抬升力趨向定常后計算終止,整個非定常計算時間為7.5s,受電弓通過隧道所用時間為5.14s,受電弓開口和閉口運行時,到達隧道入口處分別為1.3s和1.14s;到達隧道出口處的時間分別為6.44s和6.28s。根據(jù)列車通過隧道時計算得到受電弓各部件的氣動力,按照受電弓氣動抬升力計算方法,由此計算獲得受電弓氣動抬升力,如圖8所示。由圖可知,受電弓開口和閉口通過整個隧道時所產(chǎn)生的氣動抬升力的變化規(guī)律比較一致,只是氣動抬升力的大小存在差異;氣動抬升力隨著受電弓與隧道入口的距離減小而不斷增大,當受電弓到達隧道入口處時氣動抬升力出現(xiàn)峰值,隨后略有減小。受電弓在整個隧道內(nèi)通過時氣動抬升力具有一定的波動性,這主要是由于壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)的傳播形成,但氣動抬升力值要比明線上大。受電弓在明線上開口和閉口運行時,氣動抬升力分別為120N和140N左右,根據(jù)隧道內(nèi)氣動抬升力統(tǒng)計結(jié)果可知,隧道內(nèi)氣動抬升力均值比明線上分別增加了21.25%和10.11%。當受電弓接近隧道出口時,氣動抬升力又不斷增大,在接近隧道出口時出現(xiàn)峰值,隨后急劇減小,當受電弓離開隧道出口后氣動抬升力達到最小值,最后逐漸增大至明線上時的氣動抬升力值。3.2考慮和未考慮隧道氣動效應(yīng)時的接觸線動態(tài)升降位移通過弓網(wǎng)耦合動力學仿真計算得到兩種工況下的接觸壓力和接觸線抬升位移。圖9給出了考慮和未考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時的接觸壓力時程比較,由圖可知,當未考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時,明線上和隧道中的接觸壓力并無區(qū)別;考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)后,隧道中的接觸壓力比明線上的接觸壓力明顯增大,而且接觸壓力的波動性也增大。表2為考慮和未考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時的接觸壓力數(shù)據(jù)比較,由表可知,未考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時,開口和閉口運行的接觸壓力統(tǒng)計數(shù)據(jù)并無差異,這是由于開口和閉口時施加的受電弓氣動抬升力值是一致的?？紤]隧道氣動效應(yīng)時,接觸壓力的平均值、最大值和標準差均變大,而接觸壓力最小值變小;開口和閉口運行時,接觸壓力平均值分別增大了10.20%和16.58%,接觸壓力標準差分別增大了16.09%和20.46%,因此,由接觸壓力的統(tǒng)計結(jié)果可知,當列車以350km/h通過隧道時,弓網(wǎng)受流質(zhì)量會明顯變差。接觸線動態(tài)抬升位移的設(shè)計應(yīng)考慮最不利因素,當定位器處的實際抬升位移大于設(shè)計值時將造成受電弓與定位器發(fā)生碰撞,從而引發(fā)弓網(wǎng)事故。受電弓通過隧道時相比明線上的氣動抬升力顯著增加,這必將導(dǎo)致接觸線抬升位移增加,因此,考慮受電弓隧道空氣動力學效應(yīng),對隧道內(nèi)接觸線抬升位移的合理設(shè)計顯得十分重要。圖10給出了考慮和未考慮受電弓隧道氣動效應(yīng)時的接觸線動態(tài)抬升位移時程比較。由圖可知,接觸線動態(tài)抬升位移在每個跨距內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化,跨中抬升位移較大,定位器處抬升位移較小,這是由于跨中剛度較小,定位器處剛度較大造成的。由于接觸網(wǎng)剛度和接觸壓力是隨接觸網(wǎng)跨距呈現(xiàn)周期性變化的,因此,并非在受電弓氣動抬升力達到峰值的同時接觸線抬升位移也出現(xiàn)峰值,但是,當受電弓進入隧道后,接觸線抬升位移較明線上顯著增加。接觸線最大抬升位移需統(tǒng)計整個隧道中的抬升位移值獲得,受電弓開口和閉口運行,未考慮其隧道空氣動力學效應(yīng)時,定位器處的最大抬升位移為59.91mm,而考慮隧道空氣動力學效應(yīng)時,定位器處的最大抬升量分別為70.12mm和71.87mm。因此,在進行隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計時,需充分考慮受電弓隧道空氣動力學效應(yīng)引起的弓網(wǎng)受流質(zhì)量和接觸線抬升位移的變化,此外,受電弓開口和閉口運行時,受電弓氣動抬升力存在差異,需對兩向運行時的接觸壓力和抬升位移進行綜合評價,從而使隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計更合理。4氣動升降力分析(1)受電弓在隧道內(nèi)開口和閉口運行時,氣動抬升力具有一定的波動性,但變化規(guī)律比較一致,氣動抬升力均值比明線上分別增加了21.25%和10.11%,受電弓在隧道入口和出口處,氣動抬升力分別出現(xiàn)峰值。(2)考慮受電弓隧道空氣動力學效應(yīng)時,接觸壓力的平均值、最大值和標