趙 萌,劉美英,賈 彥,劉曉禹,王益鶴
(1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,呼和浩特 010051;2 北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100013)
高速列車受電弓與架設(shè)在軌道上方的高壓接觸網(wǎng)可靠地接觸是保證高速運(yùn)動(dòng)的重要條件[1]。橫風(fēng)作用于高速列車時(shí),由于受電弓結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且迎流角度均有不同,各桿件氣動(dòng)力差異顯著,加劇了受電弓的橫向擺動(dòng),分離渦中心線發(fā)生偏轉(zhuǎn),對(duì)受電弓運(yùn)行的安全性和壽命造成威脅[2-5]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)橫風(fēng)作用下對(duì)高速列車氣動(dòng)特性做了大量的研究,王政等[6]通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法,探究高速列車在均勻風(fēng)和指數(shù)風(fēng)下氣動(dòng)特性;BAKER等[7]在風(fēng)洞中進(jìn)行各工況的實(shí)驗(yàn),分析了橫風(fēng)作用下的氣動(dòng)性能;POMBO等[8]利用數(shù)值分析橫風(fēng)作用下弓網(wǎng)的氣動(dòng)特性;柳潤(rùn)東等[9]研究了在不同橫風(fēng)風(fēng)速和不同列車車速下單側(cè)風(fēng)障內(nèi)列車交會(huì)對(duì)風(fēng)障的沖擊過(guò)程;龔明等[10]研究在橫風(fēng)作用下高速列車的外形優(yōu)化;韓運(yùn)動(dòng)[11]等采用數(shù)值模擬方法,在不同橫風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向角的前提下,研究高速列車周圍的壓力和速度變化。但是目前針對(duì)受電弓各個(gè)桿件橫風(fēng)作用下氣動(dòng)力差異研究較少,且對(duì)各桿件繞流場(chǎng)特性欠缺深入研究。因此有必要對(duì)受電弓桿件氣動(dòng)特性深入探討,分析在不同工況下受電弓各個(gè)桿件繞流特性的差異及最不利與運(yùn)行安全的工況,為受電弓運(yùn)行安全性、減振減阻等提供參考依據(jù)。
首先對(duì)受電弓的支架和底架部分進(jìn)行簡(jiǎn)化,以便分析受電弓主要桿件的氣動(dòng)特性,其幾何外形如圖1所示。受電弓的簡(jiǎn)化模型由上臂桿、滑板、支架、下臂桿、推桿、底架共6部分組成,同時(shí)建立接觸網(wǎng)模型以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,計(jì)算模型和計(jì)算域如圖2和圖3所示。
圖1 簡(jiǎn)化受電弓的幾何外形
計(jì)算模型包括列車組、受電弓及接觸網(wǎng),列車組模型由3節(jié)單獨(dú)列車組成,分別為頭車、中車以及尾車,其中3節(jié)列車寬度都為3 m,中間列車長(zhǎng)為25 m,其余為25.7 m。圖4為網(wǎng)格劃分情況,網(wǎng)格數(shù)量為1.4×107,同時(shí)將列車表面、受電弓等流場(chǎng)進(jìn)行局部加密。
圖2 受電弓-接觸網(wǎng)-列車模型
圖3 弓-網(wǎng)-車模型的計(jì)算域
數(shù)值模擬采用雷諾時(shí)均(RANS)方法,能夠體現(xiàn)出湍流下平均流場(chǎng)的變化情況[12]。采用SSTk-ω模型,該模型結(jié)合了k-ω原型和k-ω模型的各自優(yōu)點(diǎn)[13-14],模型方程如式(1)和式(2):
式中:下標(biāo)i,j=1,2,3;D/Dt=?/?t+ui?/?xi;τij為湍動(dòng)剪切應(yīng)力;k為湍流動(dòng)能;ω為渦量脈動(dòng)強(qiáng)度;σk、σω、β、β*、γ為SSTk-ω模型的常數(shù),其中,κ為常數(shù);vt、μt為渦黏性參數(shù);F1為混合函數(shù)。
由各桿件組成的受電弓,桿件中的上臂、下臂、推桿和底座等部件均為是鈍體,通過(guò)RANS方法對(duì)鈍體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算探究[15],以驗(yàn)證本文計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。
選用的Ahmed模型如圖5所示,其數(shù)值模擬的邊界條件為:Pressure-outlet,Velocity-inlet入口速度設(shè)定為60 m/s,且鈍體表面無(wú)滑移,網(wǎng)格的劃分如圖6所示。
Ahmed鈍體表面壓力分布圖7所示,與文獻(xiàn)[13]實(shí)驗(yàn)值相比較,文獻(xiàn)中阻力系數(shù)Cd=0.285、摩擦阻力系數(shù)Cr=0.055,數(shù)值模擬為Cd=0.282、Cr=0.054,誤差分別為1.05%、1.82%。由此可見,結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果誤差在合理的范圍內(nèi),說(shuō)明RANS方法的適用性與準(zhǔn)確性。
計(jì)算域的入口設(shè)置為velocity,出口設(shè)置為pressure,相對(duì)大氣壓0 Pa。沿+x方向的速度分量為車速,大小為350 km/h;沿+z方向速度分量為橫風(fēng)風(fēng)速,速度由10 m/s到30 m/s,間隔5 m/s;風(fēng)向角為10°至90°,間隔10°。列車沿x軸正向運(yùn)動(dòng),即主流風(fēng)向沿x軸負(fù)向,橫風(fēng)方向沿z軸正向,橫風(fēng)、橫風(fēng)方向角分別用Vw、θ表示,β為偏航角,如圖8所示。
在橫風(fēng)作用下主流與受電弓主體結(jié)構(gòu)縱向截面具有某一夾角,合成速度方向與運(yùn)行方向不平行,受電弓橫向、縱向繞流流場(chǎng)的疊加作用導(dǎo)致駐點(diǎn)位置改變。合成來(lái)流繞受電弓各桿件形成分離渦,不同尺度的分離渦的中心線發(fā)生不同角度偏轉(zhuǎn),渦的脫落和附著方位改變,受電弓各桿件繞流流場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的影響發(fā)生改變,對(duì)周圍空氣的擾動(dòng)加劇。當(dāng)橫風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向角增大,偏航角即增大,受電弓各桿件受到橫向擾動(dòng)增強(qiáng),接觸網(wǎng)與列車的橫風(fēng)效應(yīng)更加明顯,繞流場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)對(duì)受電弓影響顯著。上、下臂桿自身具有不用的空間攻角,其繞流特性具有差異性。以列車車速350 km/h、風(fēng)向角30°、60°,橫風(fēng)風(fēng)速20 m/s、25 m/s和30 m/s為例,分析受電弓繞流場(chǎng)特性。
圖9為各工況表面壓力和速度流線的分布,圖9(a)中,隨著橫風(fēng)風(fēng)速與偏航角增大,接觸網(wǎng)前方流場(chǎng)擾動(dòng)加強(qiáng),對(duì)滑板影響加強(qiáng),出現(xiàn)較大范圍的低速區(qū)。圖9(b)與(a)相比較可見,當(dāng)風(fēng)向角為60°時(shí)受電弓底座周圍繞流擾動(dòng)增強(qiáng),從而影響到下臂桿的流場(chǎng),受電弓后方低速區(qū)范圍增大。隨著橫風(fēng)和風(fēng)向角的增大,上臂桿和滑板壓力明顯增大。
圖4 網(wǎng)格劃分
圖5 Ahmed幾何模型
圖6 Ahmed鈍體的網(wǎng)格劃分
圖7 表面壓力云圖
圖8 風(fēng)向角的定義
圖10為各工況受電弓橫截面表面渦量線,滑板和滑板支架擾動(dòng)劇烈,滑板兩側(cè)渦量擾動(dòng)尤為明顯,渦量出現(xiàn)最大值。圖10(a)和(b)相比可見,隨橫風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向角的增大,受電弓后方尾流區(qū)域中,渦量逐漸增多并向背風(fēng)側(cè)偏移。
圖9 受電弓的表面壓力和流線分布
圖10 受電弓橫截面表面渦量線
圖11為各工況受電弓縱向截面壓力分布,當(dāng)風(fēng)速以及風(fēng)向角變大,導(dǎo)流罩的低壓區(qū)范圍變大,進(jìn)而會(huì)影響到底座周圍的壓強(qiáng)分布。由圖11(b)可知,隨著風(fēng)速變大,受電弓附近低壓區(qū)范圍變大,圖11(a)和(b)相比較可見,隨著風(fēng)向角增加,受電弓尾流區(qū)的高壓區(qū)逐漸減小。
圖11 受電弓縱向截面壓力分布
分析不同工況下受電弓各氣動(dòng)特性參數(shù)指標(biāo),其中列車運(yùn)行速度350 km/h,橫風(fēng)風(fēng)速由10 m/s到30 m/s,間隔5 m/s;風(fēng)向角為10°至90°,間隔10°。圖12~圖14為受電弓滑板的氣動(dòng)作用力系數(shù),由圖可見滑板的阻力系數(shù)隨著風(fēng)速、風(fēng)向角成正比,當(dāng)風(fēng)速為30 m/s和風(fēng)向角為90°時(shí),阻力系數(shù)達(dá)到最大。風(fēng)速在20 m/s到30 m/s時(shí)升力系數(shù)呈現(xiàn)上升后迅速降低,在35°附近出現(xiàn)升力系數(shù)最大值,而15 m/s的風(fēng)速下,升力系數(shù)基本不發(fā)生變化。側(cè)向力系數(shù)與風(fēng)速和風(fēng)向角呈正比的線性關(guān)系,風(fēng)速越大側(cè)向力系數(shù)越大,最大值在30 m/s的風(fēng)速下,風(fēng)向角在90°附近?;宓淖枇ο禂?shù)以及側(cè)向力系數(shù)與受電弓相比,數(shù)值較小但規(guī)律基本相似。升力系數(shù)受風(fēng)速影響較為明顯,應(yīng)重點(diǎn)研究滑板部分的升力。
圖12 阻力系數(shù)變化曲線
圖15~圖17是受電弓上臂桿氣動(dòng)特性曲線,由圖可見阻力系數(shù)隨著風(fēng)速和風(fēng)向角呈正比變化,當(dāng)風(fēng)向角和風(fēng)速達(dá)最大值時(shí),阻力系數(shù)達(dá)到最大。升力系數(shù)隨著風(fēng)向角和風(fēng)速呈反比關(guān)系,其值均為負(fù)值,在風(fēng)速為15 m/s和20 m/s條件下,隨著風(fēng)向角的變化,升力系數(shù)呈現(xiàn)出近似線性的變化規(guī)律;在風(fēng)速為25 m/s和30 m/s條件下,則成余弦規(guī)律變化。側(cè)向力系數(shù)隨著風(fēng)向角和風(fēng)速增大而后增大,最大值出現(xiàn)在30 m/s下,風(fēng)向角為30°時(shí)。由此可見,各桿件升力系數(shù)變化規(guī)律復(fù)雜,在受電弓運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮。
圖13 升力系數(shù)變化曲線
圖14 側(cè)向力系數(shù)變化曲線
圖18~圖20為下臂桿的氣動(dòng)特性曲線,由圖可見下臂桿阻力系數(shù)隨風(fēng)向角和風(fēng)速成正比,升力系數(shù)為負(fù)值,隨著風(fēng)向角增大升力系數(shù)則減小。側(cè)向力系數(shù)和阻力系數(shù)呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致。由此,可以看出阻力系數(shù)以及側(cè)向力系數(shù)與受電弓相比,數(shù)值較小但規(guī)律基本相似,升力系數(shù)與受電弓相比,作用力方向相反。
圖15 阻力系數(shù)變化曲線
圖16 升力系數(shù)變化曲線
圖17 側(cè)向力系數(shù)變化曲線
圖18 阻力系數(shù)曲線
圖19 升力系數(shù)曲線
圖20 側(cè)向力系數(shù)曲線
圖21~圖23為受電弓各桿件所受氣動(dòng)力占總作用力的份額,由圖可見滑板的阻力、升力以及側(cè)向力占比最大,下臂桿的阻力、升力以及側(cè)向力占比最小。隨著風(fēng)向角增大,滑板阻力和升力占比減??;上臂桿和下臂桿阻力占比增加,而升力占比則減小。風(fēng)向角為60°以后,上、下臂桿阻力占比穩(wěn)定在26%和1.5%左右;隨風(fēng)向角的增大,滑板的阻力占比減小,風(fēng)向角為60°以后占比穩(wěn)定在40%左右。上臂桿由于所受升力方向與總作用力相反,占比額以負(fù)值表示。
圖21 阻力份額圖
為了得到阻力、升力、側(cè)向力的規(guī)律,將滑板、上臂桿、下臂桿與受電弓阻力、升力、側(cè)向力的比值分別為Δcx、Δcy和Δcz,符號(hào)參數(shù)之間的關(guān)系如下:
圖22 升力份額圖
圖23 側(cè)向力份額圖
上式中i=1,2,3代表滑板、上臂桿和下臂桿;cx、cy、cz為受電弓的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。計(jì)算各部件作用力系數(shù)與總作用力系數(shù)的比值如表1所示。
表1 各部件作用力系數(shù)與總作用力系數(shù)的比值
由表1可知,滑板的Δcx最大,下臂桿的Δcx最小,滑板的阻力在總阻力中的占比最大,上、下臂桿的Δcx隨風(fēng)向角的增大而增大。在升弓姿態(tài)下,由于各桿件的空間角度等參數(shù)不一致,導(dǎo)致力作用的規(guī)律不同。上臂桿的Δcz最大,當(dāng)風(fēng)向角處于10°到50°之間,上臂桿與滑板的Δcz值為負(fù),風(fēng)向角處于50°時(shí)絕對(duì)值最大。因此,受電弓上部構(gòu)件受橫風(fēng)和風(fēng)向角產(chǎn)生較大影響。
(1)隨著風(fēng)速和風(fēng)向角的增大上臂桿和滑板壓力呈正比,導(dǎo)流罩的低壓區(qū)范圍變大,進(jìn)而會(huì)影響到底座周圍的壓強(qiáng)分布,受電弓尾流區(qū)高壓區(qū)范圍減少;滑板和滑板支架處繞流尤為強(qiáng)烈,渦量較多,在尾流區(qū)分離、破裂,向橫風(fēng)背風(fēng)側(cè)偏離。
(2)對(duì)于受電弓的滑板、上下臂桿的阻力、側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)向角和橫風(fēng)風(fēng)速的增大成正比;上、下臂桿升力系數(shù)為負(fù)值,與受電弓相比作用力方向相反,其中上臂桿在橫風(fēng)風(fēng)速為25 m/s和30 m/s條件下升力系數(shù)成余弦規(guī)律變化;下臂桿升力系數(shù)隨著風(fēng)向角增大則減小。
(3)滑板的阻力在總阻力中的占比最大,上、下臂桿的Δcx隨風(fēng)向角的增大而增大。在升弓姿態(tài)下,由于各桿件的空間角度等參數(shù)不一致,導(dǎo)致力作用的規(guī)律不同。上臂桿的Δcz最大,當(dāng)風(fēng)向角處于10°~50°之間,上臂桿與滑板的Δcz值為負(fù),風(fēng)向角處于50°時(shí)絕對(duì)值最大;風(fēng)向角處于60°~90°下,下臂桿Δcz為負(fù)值。
(4)受電弓上部構(gòu)件受橫風(fēng)和風(fēng)向角產(chǎn)生較大影響,故在橫風(fēng)工況下應(yīng)首先保證上部構(gòu)件穩(wěn)定性;通過(guò)對(duì)不同工況的分析,由于各個(gè)桿件自身的空間攻角與橫風(fēng)風(fēng)向角的疊加,保證受電弓安全性不能以最大橫風(fēng)和風(fēng)向角為標(biāo)準(zhǔn),在復(fù)雜工況中首先應(yīng)滿足滑板升力的安全范圍。