高速弓網(wǎng)受流穩(wěn)定性分析

高速弓網(wǎng)受流穩(wěn)定性分析

0受流能力性能仿真隨著高速鐵路的快速發(fā)展，舒適安全快速的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。當(dāng)列車(chē)速度超過(guò)250kmh時(shí)，高速氣流產(chǎn)生的空氣動(dòng)力對(duì)列車(chē)部件的影響也越來(lái)越大，空氣阻力占總阻力的75%80%，這影響到高速鐵路上波形網(wǎng)的接收質(zhì)量。接收質(zhì)量的質(zhì)量直接影響到列車(chē)的行駛速度。電能通過(guò)接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)經(jīng)由安裝在機(jī)車(chē)頂部的受電弓傳到機(jī)車(chē)上,而良好的受電弓空氣動(dòng)力性能是保證弓網(wǎng)系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定性和跟隨性的重要因素,且空氣動(dòng)力也影響到列車(chē)的運(yùn)行性能,安全運(yùn)行以及噪聲污染等問(wèn)題。良好的受流應(yīng)該具有良好的空氣動(dòng)力性能,但這受試驗(yàn)條件限制,因此用計(jì)算機(jī)仿真成為研究該類(lèi)問(wèn)題的一種快捷有效的措施,并且通過(guò)數(shù)值仿真也有助于新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和性能要求的提高。文獻(xiàn)介紹了弓網(wǎng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的受流穩(wěn)定性分析及影響因素,隨著鐵道運(yùn)輸高速化,空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象變得越來(lái)越突出,目前開(kāi)展高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能研究有2種典型的方法:一種是實(shí)驗(yàn)研究方法,包括實(shí)車(chē)試驗(yàn)和模型模擬試驗(yàn),模型模擬試驗(yàn)又包括風(fēng)洞、水洞、動(dòng)模型試驗(yàn);另一種是數(shù)值計(jì)算。本文利用STAR-CCM+建立了流體力學(xué)的仿真模型,通過(guò)施加邊界來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境下受電弓的空氣動(dòng)力性能,采用紊流模型對(duì)受電弓在開(kāi)放空間的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析,研究了風(fēng)阻對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力變化的影響,受電弓受風(fēng)壓的影響情況,為進(jìn)一步提高弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流性能及改善氣動(dòng)噪聲提供了仿真手段和理論研究基礎(chǔ)。1從馬克思主義哲學(xué)中引入社會(huì)學(xué)理論來(lái)研究空氣流體高速列車(chē)是在充滿(mǎn)著以空氣為介質(zhì)的空間里運(yùn)行的,其研究對(duì)象可以歸納為研究空氣流體及在空氣流體中的剛體間相互作用的問(wèn)題,于是引入了流體力學(xué)理論。1.1空氣動(dòng)力學(xué)模型在空氣動(dòng)力學(xué)研究中,忽略流體的分子結(jié)構(gòu),將流體看作是連續(xù)介質(zhì),其中沒(méi)有真空的地方,沒(méi)有分子間隙和分子運(yùn)動(dòng),物質(zhì)連續(xù)地分布于其所占的整個(gè)空間,物質(zhì)宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)的物理參數(shù)是空間及時(shí)間的可微連續(xù)函數(shù)。該假設(shè)對(duì)空氣動(dòng)力是成立的,稱(chēng)之為連續(xù)性假設(shè)或流體介質(zhì)密度稠度性假設(shè)。采用流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)后,表征流體屬性的物理量為空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。由于流體的連續(xù)性使得能夠把流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)上的各個(gè)基本量(如速度、壓力等)看作是某些物理量(如時(shí)間、空間坐標(biāo))的連續(xù)函數(shù),這樣就可以建立在連續(xù)函數(shù)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型求解空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。高速列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)是紊流場(chǎng)即湍流場(chǎng),湍流是空間中不規(guī)則和時(shí)間上無(wú)秩序的一種高度復(fù)雜的非線(xiàn)性流體運(yùn)動(dòng)。在湍流中流體的各個(gè)物理參數(shù),如壓力、溫度、速度等都隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)變化,本文中使用到非線(xiàn)性剪切壓力傳輸(SST)k-ω湍流模型。SST(k-ω)模型和標(biāo)準(zhǔn)(k-ω)模型相似,但有些改進(jìn),該改進(jìn)使得SST(k-ω)模型比標(biāo)準(zhǔn)(k-ω)模型在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。SST(k-ω)流動(dòng)方程如下式:式中,Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gω為由ω方程產(chǎn)生的;Γk,Γω分別代表k與ω的有效擴(kuò)散項(xiàng);Yk,Yω分別代表k與ω的發(fā)散項(xiàng);Dω為正交發(fā)散項(xiàng);Sk,Sω為用戶(hù)自定義。下式說(shuō)明空氣的阻力系數(shù)和抬升力系數(shù):式中,cx為空氣阻力系數(shù);cy為抬升力系數(shù),Px為受到的空氣阻力;Py為受電弓的抬升力。1.2氣動(dòng)力特性分析受電弓運(yùn)行時(shí)阻力和氣動(dòng)抬升力與空氣流動(dòng)速度有關(guān)。通過(guò)研究空氣的氣動(dòng)力特性,分析列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí),受電弓受到的阻力和框架受到的抬升力,以便于在后期的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化。1.2.1受電弓的氣動(dòng)力分析對(duì)于受電弓弓頭,上臂和下臂進(jìn)行x,z方向上的氣動(dòng)力分析,再對(duì)整個(gè)受電弓進(jìn)行受力分析。根據(jù)列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的定義,在通常研究中,定義空氣動(dòng)力系數(shù)為式中,Px為受電弓受到的阻力。1.2.2弓網(wǎng)接觸壓力對(duì)受電弓的抬升力的研究目的是為了維持弓頭平衡,特別是在高速運(yùn)行情況下,受電弓弓頭的平衡穩(wěn)定運(yùn)行是良好受流質(zhì)量的保證。如果弓網(wǎng)接觸壓力降低到0會(huì)造成離線(xiàn)和火花,如果接觸壓力太高,接觸線(xiàn)的抬升量會(huì)超過(guò)范圍,甚至?xí)饠嗑€(xiàn)等事故。接觸網(wǎng)和滑板的磨損也是與接觸壓力有關(guān)系的,為了避免抬升量過(guò)高以及過(guò)度磨損,要求接觸壓力不能太大,但是為了避免離線(xiàn)和火花,要求接觸壓力又不能太小。保證接觸線(xiàn)和滑板磨耗最小又不致使導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的偏離是可靠經(jīng)濟(jì)的受流條件。2值模擬cfd計(jì)算流量2.1受電弓模型計(jì)算域利用三維建模軟件UG建立受電弓幾何模型,建模過(guò)程中需要確定的參數(shù)有受電弓上框架、下框架、滑板和弓頭的幾何參數(shù),通過(guò)簡(jiǎn)化得到的該模型可以在STAR-CCM+中進(jìn)行幾何體的包面和網(wǎng)格劃分。整個(gè)計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)方體,從入口到出口約為受電弓8倍的長(zhǎng)度,側(cè)面到受電弓的外側(cè)約為1.5倍的弓寬,頂部到弓頂約為2.5倍的弓高。確定好模型的計(jì)算域,如圖1所示,由于受電弓是沿幾何X軸對(duì)稱(chēng),故可以只取當(dāng)前計(jì)算域的一半來(lái)模擬,以節(jié)省計(jì)算資源。進(jìn)行網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置,由于受電弓各部件的空氣動(dòng)力特性隨運(yùn)行速度變化而不同,所以在弓頭和下臂桿部位設(shè)定體網(wǎng)格的加密,最后設(shè)置網(wǎng)格參數(shù),生成多面體的體網(wǎng)格,該算例中體網(wǎng)格數(shù)目為588605個(gè),這樣既可保證網(wǎng)格的質(zhì)量和求解的高效率,又能提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。2.2邊境條件的定義計(jì)算邊界條件的設(shè)定如表1所示。2.3aasst模型和氣調(diào)技術(shù)該模型選擇的是穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng),k-OmegaSST(k-ω)模型和AllY+壁面處理方式。采用Segregated求解器,利用模型的二階精度計(jì)算,設(shè)置迭代步數(shù)為800步。3受電弓空氣動(dòng)力學(xué)仿真仿真結(jié)果通過(guò)對(duì)受電弓的數(shù)值仿真計(jì)算,可以得到受電弓表面風(fēng)壓、速度分布圖及阻力和抬升力的變化。圖2是整個(gè)受電弓表面受到的風(fēng)壓分布云圖。從圖中可以看出,在受電弓的弓頭和上臂桿與下臂桿連接處受到的壓力較大,約為4000Pa,因此這是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)分析的重要區(qū)域。圖3是受電弓弓頭和平衡桿的側(cè)面方向表面壓力云圖。圖中弓頭和平衡桿右方的區(qū)域?yàn)橛L(fēng)壓力流動(dòng)滯止面,所以弓頭方向受到的壓力較大,在弓頭下方的平衡桿處的壓力也很大,上臂桿和下臂桿連接處也是重點(diǎn)受力區(qū)域。正面的風(fēng)壓決定了滑板的正面阻力。圖3中還顯示了在迎風(fēng)方向受到的力明顯大于背風(fēng)側(cè),因此弓頭是分析受電弓在高速空氣動(dòng)力作用的一個(gè)重要因素,特別是弓頭的穩(wěn)定作用決定了空氣動(dòng)力的中心,在弓角及平衡桿上安裝導(dǎo)流板可以調(diào)節(jié)壓力中心,改善空氣動(dòng)力學(xué)性能。由于高速空氣的作用,渦流效應(yīng)會(huì)影響背風(fēng)側(cè)的壓力分布,仿真可以顯示受電弓各部件在高速空氣動(dòng)力作用下所受的壓力情況。圖4是從受電弓的側(cè)面得到的表面速度云圖。在弓頭的2個(gè)滑板處的速度是不一樣的,這是由于邊界層的分離現(xiàn)象,在分離區(qū)中倒流往往形成氣流渦旋,使得前滑板的速度要比后滑板速度大些。在上、下臂桿連接處的速度也是明顯差別的。桿件前方來(lái)流的速度是由于渦旋作用導(dǎo)致的增大,但在后方會(huì)使速度減小些。接下來(lái)對(duì)受電弓在高速運(yùn)行中受到的阻力以及抬升力的情況進(jìn)行分析,首先對(duì)受電弓的外流場(chǎng)進(jìn)行模擬,根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可以得到受電弓在高速運(yùn)行時(shí)受到的阻力系數(shù)。如圖5顯示的是阻力系數(shù)在程序迭代運(yùn)行過(guò)程中的變化情況,在迭代次數(shù)達(dá)到800步左右時(shí)趨于穩(wěn)定,阻力系數(shù)維持在0.75。圖6顯示的是受電弓阻力的變化,對(duì)于整個(gè)受電弓(沒(méi)有絕緣子和底座)而言,在速度為350km/h時(shí),受到的阻力為1200N。據(jù)文獻(xiàn)可知,受電弓氣動(dòng)阻力占列車(chē)運(yùn)行總氣動(dòng)阻力的8%~14%,可見(jiàn),應(yīng)用STAR-CCM+對(duì)受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真是可行的。經(jīng)過(guò)800步迭代受電弓在運(yùn)行過(guò)程中受到的抬升力將趨于125N,如圖7所示。由經(jīng)驗(yàn)公式知,平均接觸壓力Fm=0.00097v2+70,動(dòng)態(tài)接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差σ≤0.3Fm;最大接觸壓力Fmax=Fm+3σ,最小接觸力Fmin=Fm-3σ。當(dāng)速度為v=350km/h時(shí),Fm=188.825N,可知空氣對(duì)于受電弓的抬升力維持在118.825N左右,由仿真結(jié)果推知,受電弓在閉口方向運(yùn)行時(shí),受到的抬升力125N左右,在經(jīng)驗(yàn)公式的范圍之內(nèi),由此得知,仿真結(jié)果基本正確,所以可以通過(guò)對(duì)受電弓空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真,研究高速下風(fēng)阻對(duì)弓網(wǎng)之間接觸力、受電弓弓頭和桿件的影響情況,得到受電弓的整體阻力和抬升力,分析出其主要的影響因素,提出合理的解決方案使其控制在合理的范圍內(nèi),保證受電弓與接觸網(wǎng)間良好受流性能。4受流性能分析通過(guò)分析與研究,得出以下結(jié)論:(1)利用流體力學(xué)計(jì)算軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值仿真,用UG建立受電弓的三維模型,在合理的邊界條件下對(duì)受電弓的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了分析,能夠正確地反映弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)受流性能,為進(jìn)一步研究弓網(wǎng)配合、