风攻角和风攻角对接触线试验模型气动稳定性的影响

风攻角和风攻角对接触线试验模型气动稳定性的影响

当冰盖热后的高速铁路接触线受到强迫时，它们通常会发生低频率和急剧的自激振动，称为振动。接触线的舞动严重危害高速铁路动车组的运行安全,并损坏接触网设备［１］。目前对输电导线舞动的研究较多,而对接触线舞动的研究较少。DenHartog和Nigol等最早对输电导线的覆冰舞动进行研究,认为覆冰会显著改变导线的气动外形,增大舞动发生的可能性［２－４］。顾明、马文勇等进行了覆冰输电导线模型风洞试验,探讨了覆冰形状和覆冰厚度对导线气动稳定性的影响［５－６］。Stickland等对接触线在磨损情况下的阻尼特性和气动力特性进行了研究,并对舞动的控制提出建议［７－９］。谢强等在2011年进行了接触线模型的气动力特性风洞试验,研究了无覆冰接触线模型在不同风速和不同紊流度下的气动力特性,并用邓哈托垂直振动理论分析了接触线的气动稳定性,但未涉及覆冰情况对接触线舞动的影响［１０］。本文考虑到高速铁路接触网结构的复杂性以及接触线的特殊截面形状,结合高铁运行安全的要求,对无覆冰和3种不同覆冰厚度的接触线试验模型进行风洞试验,研究覆冰厚度和风速对接触线气动力特性的影响,并采用邓哈托垂直振动理论分析覆冰接触线的气动稳定性。1风洞试验设计1.1接触线刚性节段模型试验模型原形为以欧洲BSEN50149标准制造的AC—150型接触线,该型接触线普遍应用在我国的高速铁路接触网中［１１］。AC—150型接触线的材质为铜银合金,截面外形轮廓为圆形,直径为14.8mm,在截面的上半部分有2个对称的凹槽用于连接悬挂索,其截面尺寸如图1所示。接触线在低温且湿度较大的冻雨或冰雪气象条件下容易形成覆冰。在-5~0℃的气温下有冻雨或冰雪时,冰雪混合物具有很大的黏性,它们在气流的作用下会附着在接触线的迎风面并不断累积而形成覆冰。输电导线覆冰的灾害调查和理论研究表明［１２－１４］,在横风作用下导线多出现椭圆形偏心覆冰,即导线的迎风面覆冰较厚、背风面较薄,且迎风面的覆冰层与水平面呈一定倾角。因此,在试验中设计和制作比例为2∶1、高为0.5m、覆冰倾斜角(即覆冰层的椭圆长轴与接触线截面水平轴线夹角)为45°、覆冰层厚度δ分别为0,r/4,r/2和r(r为接触线试验模型的圆截面半径)的4种接触线刚性节段模型。接触线试验模型采用实心铝棒线切割制作,其截面设计尺寸和实物照片分别如图2和图3所示。1.2接触线试验模型在恒定流场中的雷诺数Re为式中:μ为流体的动力黏度系数;B为流场中物体的参考宽度,m;v为流体速度,m·s－１;ρ为流体密度,kg·m－３。在常温常压的空气条件下,ρ=1.225kg·m－３,μ=17.9×10－６Pa·s。灾害资料表明,当接触线发生覆冰舞动时,现场的风速v约为8~15m·s－１。根据式(1)可知,当B取接触线外轮廓圆形的直径14.8mm时,接触线的雷诺数在8000~15000范围内。在试验中,根据流体力学理论对刚体测力试验采用雷诺数相似准则,在试验模型比例为2∶1时,风洞试验5,6.5,8和10m·s－１风速相当于模拟工程现场10,13,16和20m·s－１风速,包含了接触线可能发生舞动的实际风速区间。试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ—2号风洞进行,使用六分量测力天平采集接触线试验模型的气动力数值。模型与风洞底面的圆形转盘连接,通过旋转转盘来改变迎风角度。试验的数值采样频率为1000Hz,每个工况的采样时间为60s,样本数量为6×10４个。假设接触线试验模型的体轴坐标方向如图4所示。图中:x轴和y轴位于接触线模型的横截面上;z轴按照右手螺旋法则确定,与x轴和y轴均垂直;风向与x轴负半轴的夹角α为风攻角,α在x轴下方为负,在x轴上方时为正。试验中风攻角α从-90°增加至90°,每5°采集4种风速下的气动力数据。试验可以得到接触线试验模型的瞬时气动力数据,包括x轴方向受到的阻力Fｘ(t),y轴方向受到的升力Fｙ(t)以及垂直方向的扭矩Mｚ(t)。将气动力数据在试验时间内取均值,可得到接触线试验模型受到的平均气动力Fｘ,Fｙ和Mｚ。根据风洞试验理论,接触线试验模型的体轴气动力系数为式中:CＦｘ,CＦｙ和CＭｚ分别为接触线试验模型的x轴气动力系数、y轴气动力系数和z轴扭矩系数;v１,B１和h分别表示试验风速、接触线试验模型的宽度和高度。在计算时,v１取试验风速5,6.5,8和10m·s－１;B１取接触线试验模型的截面圆直径29.6mm;h取模型高度0.5m。根据接触线试验模型体轴和风轴间的角度关系,可将体轴气动力系数CＦｘ,CＦｙ和CＭｚ转换为风轴气动力系数式中:CＤ,CＬ和CＭ分别称为阻力系数、升力系数和扭矩系数。2接触工程模型的气动力特征由于扭矩系数较小,随风攻角变化的趋势不明显,下文未列出扭矩系数曲线。2.1-45风攻角处的试验模型4种不同覆冰厚度接触线试验模型在不同风速下的阻力系数和升力系数随风攻角变化的曲线分别如图5—图8所示。由图5可以看出:无覆冰和风攻角为-45°时,接触线试验模型的阻力系数有1个明显的波谷;在5m·s－１风速下,在-45°~60°风攻角区域内的阻力系数显著大于其余3个风速下的;升力系数在-60°~-45°风攻角附近出现明显的下降段,在-45°风攻角处出现1个波谷。由图6可以看出:3.7mm覆冰厚度时接触线试验模型的阻力系数随着风攻角的变化呈现下降趋势,随着风速升高阻力系数略有减小;在-45°~60°风攻角区域内5m·s－１风速下的阻力系数大于其他3个风速下的;在4个不同风速下升力系数的大小和变化趋势相近,但5m·s－１风速下的升力系数在-50°~10°风攻角区域内略大。由图7可以看出:7.4mm覆冰厚度接触线试验模型的阻力系数变化趋势相近;但在-45°~90°风攻角区域内,5m·s－１风速时的阻力系数大于其他3个风速下的;在6.5,8和10m·s－１风速下升力系数的大小和变化趋势相近;-60°~90°风攻角区域内,5m·s－１风速下的升力系数在大于其他3个风速下的。由图8可以看出:14.8mm覆冰厚度接触线试验模型的阻力系数在6.5,8和10m·s－１风速下变化趋势相近,但在-45°~90°风攻角区域内,5m·s－１风速时的阻力系数大于其他3个风速时的;升力系数在6.5,8和10m·s－１风速下的大小和变化趋势相近,但在-60°~30°风攻角区域内5m·s－１风速时的升力系数大于其他3个风速时的。2.2不同覆冰厚度对接触线升力系数的影响为研究覆冰厚度对接触线气动稳定性的影响,对比同一风速下不同覆冰厚度接触线试验模型的阻力系数和升力系数,如图9和图10所示。由图9可以看出:在相同风速下,随着覆冰厚度的增大,接触线试验模型的阻力系数曲线起伏变大,即在覆冰厚度较小时,曲线较平缓,而当覆冰厚度增大时曲线的下降段变陡;无覆冰模型的阻力系数在-45°风攻角处出现突变,而其他3种覆冰接触线试验模型无此现象,表明接触线凹槽对其阻力系数的影响明显;在5m·s－１风速下、-30°~90°风攻角区域内14.8mm覆冰厚度接触线试验模型的阻力系数显著增大,与其他3种模型的差异明显。由图10可以看出:在5m·s－１风速下随着覆冰厚度的增加,升力系数整体呈增大趋势,但在-45°~15°风攻角区域内呈下降趋势;在其他3个风速下的-45°~15°风攻角区域内,随着覆冰厚度的增大,升力系数的下降趋势越发明显,但升力系数的绝对值越大,表明随着覆冰厚度的增加接触线试验模型受到的升力增大,且升力随着风攻角的变化更剧烈;在4个不同风速下升力系数曲线的下降段都出现在-45°~15°和45°~60°风攻角区域;无覆冰接触线试验模型的升力系数曲线在-45°风攻角处出现1个明显的波谷,而其他3种覆冰模型无此现象,表明接触线的凹槽对其升力系数的影响明显。3不同覆冰厚度对接触线试验模型的影响邓哈托垂直振动理论将舞动解释为一种气动失稳现象。分析舞动时导线受到的气动力,经过对运动方程的求解可以推导出发生舞动时导线的总阻尼η为其中,式中:ρｌ为导线的线密度;ζ为导线的机械阻尼比;ω为导线的自振圆频率;c１与导线的物理特性相关,一般认为是导线的机械阻尼,c２则与导线受到的气动力变化有关,称为导线的气动阻尼。当η>0时,导线处于稳定状态,由外部风场作用所输入的能量会不断耗散,直至导线恢复稳定;当η=0时,导线处在介于稳定和气动失稳的临界状态;当η<0时,导线发生气动失稳,在这种情况下外界风场作用所输入的能量不会耗散,导线会发生长时间的自激振动,即舞动。当舞动发生时总阻尼η<0,由于结构的机械阻尼c１>0,则气动阻尼c２<0。由此可推出,气动阻尼c２<0是导线发生舞动的一个必要条件。可以得出舞动的判别方法,即邓哈托判据,其表达式为式中:δＤ为称为横风向邓哈托系数。通过对邓哈托系数的分析就可以对接触线试验模型的气动稳定性进行判定。接触线试验模型在不同风速下的邓哈托系数曲线如图11所示。由图11可以看出:4种接触线试验模型在5m·s－１风速下的邓哈托系数均与其他3个风速下的有显著差别,且在-60°~-30°风攻角区域均较大,曲线呈凸起状;风速为6.5,8和10m·s－１时的邓哈托系数曲线差别不大,说明5m·s－１风速下接触线试验模型受到的气动力具有一定特殊性;4种覆冰厚度下接触线试验模型的邓哈托系数均在-30°风攻角和50°~60°风攻角区域出现极小值,说明此区域是舞动发生的危险区间;在无覆冰情况下,接触线试验模型的邓哈托系数均在-45°风攻角区域出现极小值,其余3种覆冰接触线无此现象,说明接触线的截面凹槽明显降低接触线的气动稳定性。相同风速下不同覆冰厚度接触线试验模型的邓哈托系数曲线如图12所示。由图12可以看出:与其他3种覆冰接触线试验模型相比,无覆冰接触线试验模型在-45°风攻角附近的邓哈托系数均取最小值;随着覆冰厚度的增加,邓哈托系数曲线的波动性增大,14.8mm覆冰接触线试验模型的波动性最大,且均在-30°风攻角区域取最小值,这表明覆冰会改变接触线原有的气动力特性;δＤ<0时接触线试验模型的舞动危险区域出现在-45°~-15°风攻角区域,在此区域内随着覆冰厚度的增接,邓哈托系数减小,这表明覆冰厚度的增加会降低接触线的气动稳定性。4不同覆冰厚度对接触线振动的影响(1)无覆冰和风攻角为-45°时接触线试验模型的阻力系数和升力系数有明显的波谷,且邓哈托系数出现极小值,而其他3种覆冰模型无波动,这表明接触线截面上的凹槽对其气动特性有明显影响。(2)在6.5,8和10m·s－１风速下,3种覆冰接触线试验模型在-45°~-1