楊 康，馬峰超，朱星光，李經(jīng)緯

基于Fluent 的受電弓空氣動(dòng)力特性分析

楊 康，馬峰超，朱星光，李經(jīng)緯

建立了受電弓的簡(jiǎn)化仿真模型，采用Fluent 軟件模擬受電弓運(yùn)行時(shí)周圍的空氣場(chǎng)，仿真計(jì)算了受電弓運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力和升力，為改善受電弓的空氣動(dòng)力特性提供一定的依據(jù)。

受電弓；空氣動(dòng)力；仿真分析

0 引言

在電氣化鐵路中，機(jī)車通過受電弓與接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸獲得電能。因此，受電弓與接觸網(wǎng)之間的穩(wěn)定接觸是保證機(jī)車良好受流的關(guān)鍵。機(jī)車運(yùn)行時(shí)，受電弓受到的空氣動(dòng)力會(huì)影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的跟隨性和穩(wěn)定性。列車低速運(yùn)行時(shí)，忽略受電弓空氣動(dòng)力效應(yīng)是可行的，隨著列車運(yùn)行速度的提高，空氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)受流的影響越來越明顯，會(huì)嚴(yán)重影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。因此研究受電弓空氣動(dòng)力特性具有重要意義。

對(duì)受電弓空氣動(dòng)力特性的傳統(tǒng)研究方式主要采用數(shù)值計(jì)算[1，2]和風(fēng)洞試驗(yàn)[2～4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真方法具有周期短、費(fèi)用低且能夠模擬多種情況的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為一種有效的研究方法。本文以高速雙向受電弓為例，應(yīng)用流體力學(xué)基本理論，采用Fluent 軟件對(duì)受電弓的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析。

1 受電弓空氣動(dòng)力學(xué)理論

假設(shè)列車在平直的路線上穩(wěn)定運(yùn)行，忽略環(huán)境風(fēng)對(duì)列車的影響。當(dāng)列車運(yùn)行速度在160～350km/h時(shí)，受電弓周圍空氣場(chǎng)一般可以看做為定常、等溫、不可壓縮的三維流場(chǎng)，通常具有較高的雷諾數(shù)，應(yīng)按湍流處理[5]。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來模擬湍流模型，其方程[6]為

式中，ρ為空氣密度；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；xi或xj為坐標(biāo)的3個(gè)分量，分別代表x，y，z三個(gè)方向坐標(biāo)；ui或uj為列車周圍流場(chǎng)速度，分別代表ux， uy， uz三個(gè)坐標(biāo)方向的速度分量；μ為流體的黏性系數(shù)；C1，C2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk， σε分別為湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)。

受電弓周圍流體運(yùn)動(dòng)遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，可得到連續(xù)方程式（4）和動(dòng)量方程式（5）[6]：

2 仿真模型的建立

2.1 受電弓的簡(jiǎn)化建模

圖1 受電弓實(shí)體模型圖

圖2 受電弓仿真模型圖

2.2 確定計(jì)算區(qū)域及劃分網(wǎng)格

現(xiàn)實(shí)中，受電弓是在無限的大氣環(huán)境中運(yùn)行的，而在仿真計(jì)算中，需要選用一個(gè)有限的計(jì)算域進(jìn)行替代，所選計(jì)算域的大小直接影響到計(jì)算結(jié)果的可信度。計(jì)算域的選取沒有統(tǒng)一的規(guī)定，所以需要視具體問題而定。經(jīng)過反復(fù)嘗試，下文受電弓計(jì)算域選取為22m×12m×5m的長(zhǎng)方體。

由于受電弓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算區(qū)域用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，受電弓表面為三角形網(wǎng)格，空氣區(qū)域?yàn)樗拿骟w網(wǎng)格。受電弓表面的網(wǎng)格劃分比較密集，網(wǎng)格大小為10mm； 離受電弓越遠(yuǎn)的區(qū)域，網(wǎng)格越稀疏，流場(chǎng)最外層網(wǎng)格大小為500～600mm（圖3）。

圖3 受電弓及計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 邊界條件設(shè)定

所謂的邊界條件是流體力學(xué)方程組在求解域的邊界上，流體物理量應(yīng)滿足的條件。

（1）入口邊界。在模擬高速列車受電弓運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法來處理受電弓相對(duì)于周圍空氣的運(yùn)動(dòng)。將入口截面設(shè)為速度入口邊界，速度設(shè)定為與列車運(yùn)行速度大小相等，方向相反。

（2）出口邊界。出口截面設(shè)為壓力出口邊界，出口處的壓強(qiáng)設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

（3）對(duì)稱面邊界。由于受電弓是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減小計(jì)算量，取受電弓的一半進(jìn)行模擬仿真，對(duì)稱截面處的邊界條件設(shè)置為對(duì)稱面邊界。

因此，在對(duì)含風(fēng)電機(jī)組的配電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化時(shí)，應(yīng)充分考慮其出力的不確定性、連續(xù)與離散變量之間的關(guān)系。為此，首先基于場(chǎng)景概率的理論建立了全場(chǎng)景下計(jì)及有功網(wǎng)損、靜態(tài)電壓穩(wěn)定性、無功補(bǔ)償設(shè)備投資成本的多目標(biāo)無功優(yōu)化模型；然后針對(duì)基本差分進(jìn)化算法的不足對(duì)其進(jìn)行了一定的改進(jìn)；最后將改進(jìn)后的算法用于求解含風(fēng)電機(jī)組的配電網(wǎng)多目標(biāo)無功優(yōu)化問題。

（4）壁面邊界。計(jì)算區(qū)域的頂部和側(cè)面與外部大氣相連，設(shè)置為滑移的壁面邊界條件；受電弓表面及地面設(shè)置為無滑移的壁面邊界條件。

3 仿真結(jié)果及分析

在Fluent軟件中，受電弓周圍的空氣流場(chǎng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來模擬，其控制方程即為式（1）—（5）。仿真計(jì)算列車運(yùn)行速度為160～350km/h，受電弓在開口和閉口運(yùn)行時(shí)，受電弓周圍的壓力分布與速度分布情況，并計(jì)算各部件的空氣阻力和空氣升力。下文以列車運(yùn)行速度350 km/h，受電弓開口運(yùn)行為例，分析受電弓的空氣動(dòng)力特性。

3.1 受電弓表面及其周圍空氣的壓力分布

受電弓表面壓力云圖以及對(duì)稱面上空氣場(chǎng)的壓力云圖如圖4和圖5所示。

圖4 受電弓表面壓力云圖

圖5 受電弓對(duì)稱面壓力云圖

由圖4可知，弓頭和上下臂桿連接處受到的表面壓力較大，其中前滑板的迎風(fēng)面所受壓力最大其壓強(qiáng)約為7060Pa。由圖5可以看出，受電弓在迎風(fēng)面受到正壓，而在背風(fēng)面受到負(fù)壓，從而產(chǎn)生了壓差阻力。弓頭部分的正負(fù)壓差比較明顯，這說明弓頭是氣動(dòng)阻力的主要來源。受電弓在開口運(yùn)行時(shí)，由于臂桿前后方的壓力差，使得上臂桿會(huì)受到向上的空氣升力，下臂桿受到向下的空氣升力。

3.2 受電弓周圍空氣速度分布

遠(yuǎn)方的來流在弓頭和上下臂桿連接處受阻，氣流分成上下兩部分，在流經(jīng)接觸面時(shí)，氣流發(fā)生局部分離，圖6是空氣場(chǎng)在弓頭附近的速度云圖。從速度矢量圖（圖7）可以看到空氣流經(jīng)前滑板時(shí)的速度變化。氣流從滑板的上下兩側(cè)流過，流經(jīng)上表面的速度大于流經(jīng)下表面的速度，造成滑板上下表面存在壓力差，產(chǎn)生了氣動(dòng)升力。在滑板后方由于壓力較小，產(chǎn)生了漩渦，使得后滑板的氣流速度小于前滑板的氣流速度。

圖6 受電弓弓頭速度云圖

圖7 弓頭前滑板速度矢量圖

3.3 受電弓各部件所受的空氣動(dòng)力

受電弓的阻力作用方向以列車運(yùn)行反方向?yàn)檎Φ淖饔梅较蛞载Q直向上為正。表1和表2分別為閉口運(yùn)行和開口運(yùn)行時(shí)受電弓各部件所受到的氣動(dòng)力。

可以看出，弓頭部分受到的阻力約占整個(gè)受電弓所受力的90%，是受電弓氣動(dòng)阻力的主要來源；上下臂桿產(chǎn)生的氣動(dòng)升力方向相反，大小相近，基本相互抵消，因此弓頭的氣動(dòng)升力起主導(dǎo)作用。

通常受電弓的靜態(tài)抬升力約為70N，當(dāng)列車運(yùn)行速度為160 km/h 時(shí)，受電弓開口運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)升力為11.5N，是靜態(tài)抬升力的16.4%；閉口運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)升力為12.8N ，是靜態(tài)抬升力的18.3%。此時(shí)，受電弓的氣動(dòng)升力對(duì)受電弓總的抬升力影響并不大。而速度達(dá)到350km/h 時(shí)，開口運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)升力達(dá)到49.4N，是靜態(tài)抬升力的70.6%；閉口運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)升力達(dá)到58.9N，是靜態(tài)抬升力的84.1%。因此，在高速條件下的弓網(wǎng)受流必須考慮受電弓空氣升力的影響。

表1 閉口運(yùn)行時(shí)受電弓各部件的氣動(dòng)力表 單位：N

表2 開口運(yùn)行時(shí)受電弓各部件的氣動(dòng)力表 單位：N

4 結(jié)語

本文根據(jù)高速受電弓的實(shí)物模型建立了簡(jiǎn)化的受電弓仿真模型，利用流體分析軟件Fluent仿真計(jì)算了受電弓在不同運(yùn)行速度下的氣動(dòng)阻力和抬升力。仿真結(jié)果表明列車高速運(yùn)行時(shí)，受電弓所受到的空氣動(dòng)力十分顯著，會(huì)嚴(yán)重影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量，且弓頭是主要的受力部件。因此，優(yōu)化受電弓弓頭結(jié)構(gòu)，在弓頭增加導(dǎo)流板是改善受電弓空氣動(dòng)力特性的有效措施。

[1]楊楨.基于空氣動(dòng)力學(xué)的受電弓高速受流研究[J].電氣化鐵道，2009，3：17-20.

[2]張弘，于正平，吳鴻標(biāo).受電弓空氣動(dòng)力學(xué)模型及風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，1995，16（1）：37-49.

[3]張建輝，楊炯，姚勇.高速列車受電弓減阻的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，7（6）：116-121.

[4]蔡國(guó)華.高速列車受電弓低速風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，4（94）：67-70.

[5]田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

Establishes simplified simulation model for pantograph, adopts Fluent software to simulate the ambient air field during operation of pantograph, calculates in simulation the imposed air resistance and uplift forces during operation of pantograph, provides certain reference for improving the aerodynamic characteristics of pantograph.

Pantograph; aerodynamic; simulation analysis

U225.4

：B

：1007-936X(2015)04-0014-03

2014-12-23

楊 康.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，助理工程師，電話：13716576610；

馬峰超，朱星光，李經(jīng)緯.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司。