高速列车受电弓气动力对受流特性的影响

高速列车受电弓气动力对受流特性的影响

随着高速运营速度的提高，弓网的受流安全性越来越受到重视。提高弓网的受流稳定性是一个重要的问题。当列车以高速运行时，空气动力学对弓网的受流的影响是不容忽视的。结果表明，由于高速运行，受弓网的动作阻力约为8%14%，电弓的气浮力与列车的总气量呈线性关系。此外，当受电弓实际运行时，相应的气升阻力还有一些动脉，这也直接影响到网之间的分离、火花、磨损、噪声和流量的稳定性。增加对射箭网的研究难度。目前考虑受电弓气动力对弓网受流影响的研究方法主要有2种:一种是实验研究,通过实车或风洞试验直接测得受电弓在运行时所受的升阻力和弓网动态接触力;另一种是通过仿真,或利用已知的实验数据,采用稳态计算、时间平均或插值等方法将受电弓空气动力学数据导入弓网动力学模型中.对于受电弓的非稳态数值模拟,由于受电弓由多柱、杆组成,结构较复杂,要想准确计算完整受电弓的非稳态气动力、精确捕捉尾流的频率特性,所需要的网格数量和计算资源巨大,因此,这方面的研究在文献中还鲜有报道.同时,对于受电弓非稳态和稳态空气动力学对弓网受流影响的差异,在实际研究中的关注也较少,因此,这两种状态下的弓网受流特性的差异目前尚无定论.本文首先采用计算流体力学软件Fluent建立受电弓各部件的非稳态空气动力学仿真模型,捕捉受电弓各部件的非稳态气动力脉动,进而比较非稳态与平均气动抬升力作用下弓网动力学响应的差异.此外,通过人工改变气动激励的振幅与频率,分析不同的气动力脉动特性对弓网受流的影响.1模型的构建1.1空气动力学模型本文选用SSS400+受电弓,该受电弓的完整三维CAD模型如图1所示.为了简化计算,同时保持其基本气动特性,对受电弓进行了简化,简化结果如图2所示.在比较受电弓非稳态气动力与稳态平均气动力对弓网受流的影响时,为准确捕捉受电弓各部件的气动升阻力脉动,将受电弓划分为弓头与臂杆,分别对其进行网格划分与计算.建立的受电弓空气动力学模型如图2所示.流场区域取长方形区域,计算域在X-来流方向长度为受电弓高度的5倍;在X+尾流方向长度为受电弓高度的6倍;在Y+、Y-左右两方向宽度均为受电弓高度的5倍;在Z+方向高度为受电弓高度的5倍.将计算域的外边界(上、左、右面)定义为速度入口,其他边界均为无滑移壁面.设置边界条件为速度入口、压力出口.由于影响尾流脉动特性的主要因素为组成受电弓的杆件截面尺寸,因此,在本文所取的计算区域尺寸下,计算区域对流场的阻塞效应非常小,计算域外边界对计算结果基本无影响.受电弓弓头与臂杆的网格单元数分别为179万个与167万个,全流场采用六面体网格,并且在受电弓附近网格进行局部加密,受电弓表面及下底面(列车顶部)网格如图2所示.计算时,非定常项采用二阶隐式推进,动量方程、湍流模型方程的对流项采用QUICK格式,其他项采用二阶精度离散.湍流模型采用Realizablek-ε模型.1.2弓网耦合动力学方程接触网采用简单链形接触网,包括承力索、接触线、吊弦、支撑杆和定位器.其中,承力索和接触线采用梁单元进行模拟,吊弦线采用弹簧质量单元来模拟,其质量平均分配到接触线、承力索上.定位器、支撑杆均为弹簧单元,其质量分别分配到接触线、承力索上.受电弓采用线性化的三质量块模型.利用振型叠加法得到弓网的动力学方程为式中:分别为对应第i阶振型的广义质量、广义刚度与广义载荷.受电弓采用线性化的三质量块归算质量模型,考虑其等效归算质量、刚度、阻尼及干摩擦,并将接触网广义坐标的动力学方程与受电弓的运动方程通过弓网动态接触力进行耦合,得到弓网耦合动力学方程组.弓网动力学模型如图3所示,图中:FTA为承力索拉力,FTB为接触线拉力.接触网与受电弓的相关参数如表1、2所示,表中:Asa为截面积,E为弹性模量,ρ为密度,Ft为拉力.式(1)可利用Newmark-β法C语言编程求解.2气动升力受精度对于受电弓空气动力学的添加,一般有如下2种方式:1)将受电弓整体气动抬升力与下臂杆静态抬升量一起添加在下臂杆上,该加载方式可用于质量块模型中;2)建立受电弓框架模型,将各部件的气动升阻力及其力矩分别加载在各部件上.考虑到受电弓水平方向的气动阻力对竖直方向上弓网动态接触影响不大,此处只考虑气动升力的加载.同时,因受电弓框架为刚体,且气动升力主要集中于弓头,对于等效的三质量块归算质量模型,本文将其各部件所受气动升阻力分别添加在对应的质量块上.同时也对比了另外2种气动力加载方式:1)弓头气动升力加载于弓头归算质量,上下臂杆气动升力均加载于下臂杆归算质量上;2)弓头气动升力加载于弓头归算质量,上下臂杆气动升力均加载于上臂杆归算质量上.得到的非稳态气动力加载工况下弓网动态接触力均值与本文的加载方法分别相差0.674N与0.725N,但稳态与非稳态气动力对弓网受流影响结果与本文加载方法基本一致.为了求解脉动的非稳态气动升力对弓网受流的影响,首先通过Fluent分别计算受电弓各部件的气动升力,得到某时间段气动升力时序图;然后调整弓网动力学求解的时间步,使其与受电弓空气动力学计算结果时间步相对应.当两时间步不对应时,可利用线性插值的方法求解得到可加载的受电弓气动力.本文受电弓非稳态气动升力的时间步为0.0001s,对于弓网动力学程序,选取的时间步长经验算,时间步为0.0001s与0.001s时弓网动态接触力计算结果几乎一致,而受电弓气动力经调整时间步后得到的结果也体现了气动力的实时非定常变化,故为计算方便,此处动力学计算的时间步取为0.001s.3弓网动态接触力特征分析在300km/h速度下受电弓顺弓运行时各部件的升阻力如图4所示,时间步长为0.0001s.可以看到,弓头的非稳态气动升力在0.8s以后趋于稳定的周期性脉动,上臂杆非稳态气动升力在1.2s以后趋于稳定,因此,当进行弓网空力学计算时,取稳定后的受电弓非稳态气动升力作为每跨的激励(图4中黑框标示),选取时间步长为0.001s.稳定后受电弓8跨内非稳态气动升阻力的平均值见表3.由图4可知,在300km/h时,受电弓各部件升力均有一定的脉动.对于弓头,FL有约7N脉动,上臂杆有约5N脉动.对比文献[1-2,11]数据可知,上述脉动值结果是可信的.由表3可知,对于简化的受电弓,受电弓顺弓运行时整弓升力为22.71N,整弓阻力为609.92N,其中弓头阻力最大.下臂杆的阻力也远大于上臂杆,这主要是由于对于水平来流作用,垂直于X方向平面放置的圆柱杆件易出现漩涡分离,该区域压差较大,故上臂杆阻力主要集中于下端两水平杆,而下臂杆阻力主要集中于两端水平圆柱处,但下臂杆的下端水平圆柱由于接近列车顶部,空气旋涡流动所造成的压差比上臂杆压差大得多.计算得到300km/h速度稳态气动力加载情况下弓网动态接触力FS如图5所示,FCh为非稳态与稳态气动力加载情形下弓网动态接触力之差.表4中:FSmax为弓网动态接触力最大值,FSmin为弓网动态接触力最小值,FSave为弓网动态接触力平均值,FC为弓网动态接触力标准差.由图5与表4可知,对于上述弓网模型,300km/h下弓网动态接触力最小值小于0N,出现了离线现象.2种工况下弓网动态接触力FSmax、FSmin、FSave和FC均相差不大.添加稳态平均气动力与实际考虑非稳态时气动力对弓网受流的影响基本一致.考虑弓网非稳态与稳态气动力加载情形下弓网动态接触力的频谱如图6所示,其中FWSA、FFSA分别为稳态和非稳态气动力加载情况下弓网动态接触力频域内幅值.图6表明,弓网动态接触力频谱主要集中于1.75、10、20与31Hz,其中1.75、10Hz分别对应接触线与受电弓的高阶频率.对比稳态与非稳态气动力加载情形下弓网动态接触力频谱可以发现,两者基本一致.分析加载的受电弓各部件气动升力的频谱可知,弓头非稳态气动力(FGAL)频谱主要集中于44.5、56.6、61Hz,上臂杆非稳态气动力(FGLA)频谱主要集中于17Hz,具体见图7所示,其中:FGLA、FSLA分别为弓头、上臂杆非稳态气动力频域内幅值,下臂杆非稳态气动力脉动不大,故其频谱振幅也不大,未在图7中显示.由图7可知,受电弓弓头频谱略高于弓网系统,在弓网动态接触力频谱中并未得到显示.为验证在何种气动力情形下弓网动力学会受到较大影响,构造以下3种工况下的弓头气动力:Faf1=sin(2×π×10.35×t)×3.5-0.015426097+18.14,Faf2=sin(2×π×10.35×t)×20-0.088149163+18.14,Faf3=sin(2×π×56.6×t)×20-0.005443199+18.14.3种气动力函数均值均为18.14N,频率分别为10.35、10.35、56.6Hz,振幅分别为3.5、20、20N.将相应的弓网动态接触力与稳态气动力加载情形下弓网动态接触力进行比较,分别如图8所示.由图8可知,在较高频率激励时,如频率为56.6Hz,即使振幅较大,气动力加载情形下动态接触力相对稳态气动力加载情况下时变化亦不大(见图8(d)),但对于可能引起弓网共振的低频气动激励,如频率为10.35Hz,结果相比稳态气动力加载情形下差别较大,而且随着振幅增加,差别越大(见图8(b)、(c)),因此,可以认为受电弓气动力的较高频率信号通过弓网系统后被削弱,这也解释了为什么高频的非稳态气动力与稳态气动力对弓网受流影响基本一致.当然,在阵风、横风等特殊情形下,可能出现较低频的随机激励信号,该信号对弓网受流的影响是较大的.4受电弓稳态平均气动力的动态激励本文基于受电弓非稳态空气动力学与弓网动力学的模型,计算对比了稳态平均与非稳态脉动情形下弓网受流特性.通过密集的网格单元可以模拟受电弓空气动力学的较高频脉动,然而,当考虑中低频弓网系统时,较高频脉动的受电弓非稳态气动升力在弓网动力学分析时失去其影响,其对弓网受流影响与平均气动力时相近,因此,在研究受电弓空气动力学对弓网受流的影响时,采用受电弓稳态平均气动力作为弓网空气动力学的激励,得到的结果也有很高的精度.许多的