王東屏,趙亞軍,孫成龍,黃思俊
(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司,北京 100176)①
改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)高速鐵路的技術(shù)有了迅猛的發(fā)展,逐漸形成了高速車輛及重要零部件的自主研發(fā)與規(guī)模制造的規(guī)范體系[1].列車頂部安裝的受電弓是高速列車安全運(yùn)行并取得電力的關(guān)鍵設(shè)備.隨著列車運(yùn)行速度越來(lái)越快,對(duì)鐵路電氣化的要求也越來(lái)越高[2].受電弓系統(tǒng)作為高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一面臨巨大的挑戰(zhàn),受電弓系統(tǒng)與周圍空氣的作用變得十分劇烈.例如當(dāng)列車速度達(dá)到250~300 km/h時(shí),空氣對(duì)受電弓產(chǎn)生的阻力約占總阻力的70%~80%[3],而且當(dāng)速度越大時(shí),產(chǎn)生的阻力越大,對(duì)受電弓的影響就越大.
目前,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)高速列車受電弓氣動(dòng)特性的分析研究已取得諸多成果.林澤峰[4]等人對(duì)列車運(yùn)行速度300 km/h時(shí)受電弓所處的有限個(gè)結(jié)構(gòu)位移狀態(tài)下各部件的氣動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值模擬,探討了受電弓氣動(dòng)抬升力的傳遞系數(shù)與其工作高度的關(guān)系.張業(yè)[5]等人基于CFD軟件,采用SIMPLE算法分析了不同速度下的受電弓空氣動(dòng)力特性.郭迪龍[6]等人對(duì)橫風(fēng)作用下受電弓的抬升力進(jìn)行仿真計(jì)算,探討了受電弓主要部件的優(yōu)化方案.臧首華[7]數(shù)值模擬了高速受電弓在18種工況下的外流場(chǎng),并分析了各工況下受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)特性,總結(jié)了氣動(dòng)阻力、升力和側(cè)向力值在不同車速和風(fēng)速下的變化規(guī)律.張雪[8]對(duì)受電弓不同速度的抬升力進(jìn)行仿真計(jì)算,總結(jié)了升弓高度1 600 mm時(shí)受電弓氣動(dòng)抬升力隨速度變化的規(guī)律.雖然上述文章對(duì)有關(guān)受電弓的氣動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析,但并沒(méi)有形成規(guī)律性的結(jié)論,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比證明其正確性的相關(guān)文獻(xiàn)也較少,所以對(duì)新研發(fā)的受電弓,仍然需要對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值分析.
本文以最新研制的受電弓為研究對(duì)象,此款受電弓采用單碳滑板弓頭,與之前雙碳滑板弓頭相比,具有質(zhì)量小、空氣動(dòng)力性能好、燃弧率低、受流穩(wěn)定性高等特點(diǎn),同時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提高結(jié)構(gòu)部件疲勞壽命,比以往的受電弓更簡(jiǎn)單、緊湊和穩(wěn)定.對(duì)不同升弓高度下受電弓不同風(fēng)速的氣動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值模擬并進(jìn)行受電弓抬升力的計(jì)算,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,為優(yōu)化受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)特性提供技術(shù)支持.
本文采用的研究方法是基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值計(jì)算.首先按照受電弓和風(fēng)洞的實(shí)際尺寸等建立受電弓-風(fēng)洞流場(chǎng)計(jì)算模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),受電弓周圍的氣流為三維、定常和不可壓縮流動(dòng),所以采用不可壓縮N-S以及k-ε兩方程湍流模型,對(duì)不同升弓高度下、不同風(fēng)速受電弓的氣動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并分析受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)特性.
本文以某種新型受電弓為研究對(duì)象,由于受電弓的三維幾何模型外形非常復(fù)雜,因此為了生成更高質(zhì)量的網(wǎng)格,需要簡(jiǎn)化其幾何結(jié)構(gòu).建模中應(yīng)保留對(duì)受電弓氣動(dòng)力特性有較大影響的形狀特征,以免過(guò)于簡(jiǎn)化從而使得計(jì)算結(jié)果失去其應(yīng)有的意義;相反,對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響較小的幾何特征應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)化掉.為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格和降低網(wǎng)格規(guī)模,去掉了升弓裝置、凸臺(tái)等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響甚微的零件,便于計(jì)算機(jī)快捷高效地進(jìn)行模擬仿真.
簡(jiǎn)化后的受電弓三維計(jì)算模型如圖1所示.在整個(gè)模擬仿真過(guò)程中,網(wǎng)格劃分有著極其重要的作用.對(duì)受電弓表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),由于受電弓某些結(jié)構(gòu)尺寸較小,受電弓表面的網(wǎng)格尺寸需要進(jìn)行合理處理.受電弓表面網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)如圖2和圖3所示.
圖1 受電弓幾何模型
圖2 弓頭表面網(wǎng)格劃分
圖3 連接處表面網(wǎng)格劃分
當(dāng)進(jìn)行受電弓氣動(dòng)特性仿真計(jì)算時(shí),流場(chǎng)區(qū)域達(dá)到一定范圍,計(jì)算區(qū)域與無(wú)限大流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果已非常接近.此時(shí),繼續(xù)擴(kuò)大流場(chǎng)區(qū)域已毫無(wú)實(shí)際意義[7].
在某風(fēng)洞試驗(yàn)場(chǎng)(3 m×3 m×14 m,受電弓距離進(jìn)風(fēng)口5 m)對(duì)受電弓進(jìn)行了空氣抬升力測(cè)試,提供實(shí)驗(yàn)的受電弓為機(jī)車用的實(shí)物受電弓,受電弓安裝在特殊設(shè)計(jì)的底架上,弓頭有拉繩懸掛并安裝有壓力傳感器,最大測(cè)試速度為320 km/h,通過(guò)專門的軟件獲得特定工況下的空氣抬升力數(shù)據(jù).為了將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,建立與實(shí)驗(yàn)中風(fēng)洞尺寸完全一致的計(jì)算區(qū)域.根據(jù)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)洞參數(shù),選取如下流場(chǎng)域:外流場(chǎng)前端距模型前端5 m, 流場(chǎng)后端距模型尾部7 m, 流場(chǎng)寬度為3 m,高度為3 m,整個(gè)計(jì)算區(qū)域尺寸為3 m×3 m×14 m.計(jì)算區(qū)域模型如圖4所示.
圖4 計(jì)算區(qū)域模型
在對(duì)計(jì)算模型劃分網(wǎng)格時(shí),采用以下方案:使用混合網(wǎng)格方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,即使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.由于受電弓的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此在受電弓表面及附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時(shí)對(duì)受電弓表面的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化.在遠(yuǎn)離受電弓的較大外部區(qū)域內(nèi),離受電弓距離越遠(yuǎn)氣流流動(dòng)影響越小,因此離受電弓越遠(yuǎn)的網(wǎng)格可以劃分越大.此外,在距受電弓一定距離后,可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.這樣可以減少網(wǎng)格數(shù)量、保證精度,同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間.計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖5所示,受電弓附近的網(wǎng)格已被細(xì)化,網(wǎng)格總數(shù)為800多萬(wàn).
圖5 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分
由于是在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行受電弓外流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算,因此需要在區(qū)域邊界上給定邊界條件.基本思路是受電弓靜止不動(dòng),氣流以列車時(shí)速沿著列車前進(jìn)方向的反向流動(dòng).計(jì)算邊界條件具體設(shè)置為:入口采用速度入口邊界,出口采用壓力出口邊界,計(jì)算區(qū)域的側(cè)面、頂面、底面采用無(wú)滑移壁面邊界條件.
利用計(jì)算流體力學(xué)軟件,仿真計(jì)算列車運(yùn)行速度為160~320 km/h,受電弓在開(kāi)口運(yùn)行時(shí),受電弓表面的壓力分布和速度分布情況,并計(jì)算弓頭、上臂桿、下臂桿和底座的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力.對(duì)氣動(dòng)抬升力進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[8],得到開(kāi)口運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)抬升力仿真數(shù)據(jù),并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.由于篇幅所限,主要列舉列車運(yùn)行速度320km/h,受電弓開(kāi)口運(yùn)行,受電弓的空氣動(dòng)力特性的數(shù)值分析.
受電弓開(kāi)口狀態(tài)下的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力分布如圖6所示.由圖6(a)可以看出,弓頭、上臂桿連接處和底座受到的表面壓力較大, 大部分區(qū)域分布在4 277~5 428 Pa范圍內(nèi).由圖6(b)可以看出,弓頭受到的表面壓力絕對(duì)值較大,大部分區(qū)域分布在-2 627~-1 476 Pa范圍內(nèi),背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)最小壓力值為-16 437 Pa.結(jié)合圖6可以看出,受電弓隨列車迎風(fēng)運(yùn)行時(shí),由于迎風(fēng)面空氣受擠壓,使受電弓迎風(fēng)面周圍流場(chǎng)呈正壓狀態(tài),背風(fēng)面體現(xiàn)出較大的負(fù)壓,從而產(chǎn)生了壓差阻力.弓頭部件的正負(fù)壓差比較明顯,充分說(shuō)明弓頭是氣動(dòng)阻力的主要來(lái)源.由于臂桿前后方的壓力差,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.
(a) 迎風(fēng)面
受電弓開(kāi)口狀態(tài)下的氣動(dòng)阻力和升力數(shù)據(jù)如表1所示,并繪制曲線如圖7所示.受電弓開(kāi)口運(yùn)行時(shí)各部件氣動(dòng)阻力的絕對(duì)值隨著風(fēng)速的增大而逐漸增大,其中弓頭的氣動(dòng)阻力隨著風(fēng)速的增大而增加幅度最大,基本保持速度每增加40 km/h,阻力增加約100 N. 下 臂 桿 的 氣 動(dòng)阻力隨著風(fēng)速的增大而增加幅度也較大,基本保持速度每增加40 km/h,阻力增加40 N.弓頭的氣動(dòng)升力趨勢(shì)不明顯,上下臂桿產(chǎn)生的氣動(dòng)升力方向相反,可相互抵消.明顯看出,弓頭受到風(fēng)速的影響最大,其次是上臂桿和下臂桿.
表1 受電弓開(kāi)口運(yùn)行各部件氣動(dòng)力 N
圖7 受電弓開(kāi)口運(yùn)行時(shí)各部件氣動(dòng)力隨速度變化趨勢(shì)
受電弓開(kāi)口狀態(tài)下的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示,繪制曲線如圖8所示.受電弓開(kāi)口狀態(tài)下的計(jì)算仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較接近,氣動(dòng)抬升力隨列車速度的增加而不斷增大,基本保持速度每增加40 km/h,氣動(dòng)抬升力增加30~40 N.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的變化規(guī)律較為一致,誤差保持在10%以內(nèi),說(shuō)明本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定可靠性.
表2 受電弓開(kāi)口運(yùn)行氣動(dòng)抬升力與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
圖8 受電弓開(kāi)口運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)抬升力隨速度變化趨勢(shì)
在受電弓工作高度2 800 mm仿真結(jié)果得到肯定后,對(duì)工作高度1 600 mm的受電弓進(jìn)行仿真計(jì)算,與工作高度2 800 mm做對(duì)比分析.由于篇幅所限,主要列舉列車運(yùn)行速度320 km/h,受電弓開(kāi)口運(yùn)行,受電弓的空氣動(dòng)力特性的數(shù)值分析.
受電弓開(kāi)口狀態(tài)下的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力分布如圖9所示.由圖9(a)可以看出,弓頭和上下臂桿連接處受到的表面壓力較大,大部分區(qū)域分布在4 287~5 447 Pa范圍內(nèi),迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)最大壓力值5 447 Pa.由圖9(b)可以看出,上臂桿和下臂桿的連接處表面壓力絕對(duì)值較大,大部分區(qū)域分布在-3 883~-1 513 Pa范圍內(nèi),背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)最小壓力值為-16 594 Pa.
(a) 迎風(fēng)面
受電弓開(kāi)口狀態(tài)下統(tǒng)計(jì)的氣動(dòng)阻力和升力數(shù)據(jù)如表3所示,并繪制曲線如圖10所示.與上文工作高度2 800 mm氣動(dòng)力對(duì)比分析,同一速度下,受電弓各部件氣動(dòng)升、阻力隨工作高度減小而絕對(duì)值減小.但工作高度1 600 mm開(kāi)口運(yùn)行時(shí)各部件的氣動(dòng)阻力和升力的絕對(duì)值隨著風(fēng)速的增大也逐漸 增 大. 與 工 作 高度2 800 mm相似,弓頭的氣動(dòng)阻力的增加幅度最大,基本保持速度每增加40 km/h,阻力增加約100 N.上下臂桿產(chǎn)生的氣動(dòng)升力方向相反,可相互抵消.不同高度下,弓頭受到列車時(shí)速的影響最大,其次是上臂桿和下臂桿.
圖10 受電弓開(kāi)口運(yùn)行時(shí)各部件氣動(dòng)力隨速度變化趨勢(shì)
受電弓工作高度為2 800 mm和1 600 mm的開(kāi)口狀態(tài)下的氣動(dòng)抬升力數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示,繪制曲線如圖11所示.受電弓由工作高度2 800 mm降低至1 600 mm,同一速度下整弓的氣動(dòng)抬升力隨著工作高度的減小而減小,但同一高度下氣動(dòng)抬升力都隨著速度的增加而逐漸增大.其中工作高度為2 800 mm時(shí)氣動(dòng)抬升力隨速度增加而增加幅度較大,速度每增加40 km/h氣動(dòng)抬升力增加30 N.工作高度為1 600 mm時(shí)氣動(dòng)抬升力隨速度增加而增加幅度較小,速度每增加40 km/h氣動(dòng)抬升力增加10 N以內(nèi).
表4 受電弓不同高度下開(kāi)口運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)抬升力數(shù)據(jù)對(duì)比
圖11 受電弓不同高度開(kāi)口運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)抬升力隨速度變化趨勢(shì)
(1)在列車時(shí)速為160~320 km/m的條件下,對(duì)某新研制受電弓工作高度2 800 mm時(shí)開(kāi)口工作狀態(tài)下的氣動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析.根據(jù)數(shù)值計(jì)算所得的受電弓各部件的氣動(dòng)力,計(jì)算得到工作高度為2 800 mm時(shí)受電弓6個(gè)列車時(shí)速下的抬升力.將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律一致,誤差保持在10%以內(nèi),說(shuō)明本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定可靠性;
(2)受電弓開(kāi)口運(yùn)行時(shí),同一高度下,弓頭的氣動(dòng)阻力隨著風(fēng)速的增大而增加幅度最大,基本保持速度每增加40 km/h,阻力增加約100 N.上下臂桿產(chǎn)生的氣動(dòng)抬升力方向相反,可相互抵消;
(3) 受 電 弓 由 工 作 高 度2 800 mm 降 低 至1 600 mm,受電弓各部件氣動(dòng)升、阻力基本都隨著工作高度減小而絕對(duì)值減小,降幅基本保持在20 N以內(nèi).整弓的氣動(dòng)抬升力也隨著工作高度的減小而減小,隨著速度的增加.降幅基本保持在60%以內(nèi).同一高度下整弓的氣動(dòng)抬升力都隨著速度的增加而逐漸增大,工作高度2 800 mm時(shí)速度每增加40 km/h,氣動(dòng)抬升力增加約30 N;工作高度1 600 mm時(shí)速度每增加40 km/h,氣動(dòng)抬升力增加保持在10 N以內(nèi);
(4)弓頭是影響受電弓氣動(dòng)特性最大的子部件,受電弓優(yōu)化的重點(diǎn)在弓頭處,可以通過(guò)在弓頭處加裝導(dǎo)流板的方式來(lái)改善其空氣動(dòng)力學(xué)特性.根據(jù)受電弓氣動(dòng)特性分析,對(duì)企業(yè)受電弓優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義.