高速列車受電弓氣動(dòng)力仿真分析

王洪嬌，孫貝貝，孫 超

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，山東青島 266000）

0 引言

正常受流是保證高速列車安全運(yùn)營(yíng)的前提，如果弓網(wǎng)的接觸力太低會(huì)造成離線或火花；接觸壓力太高會(huì)使接觸線的抬升量超過(guò)范圍，使滑板過(guò)度磨耗甚至斷線。為保證接觸網(wǎng)與受電弓的正常受流，需要保證弓網(wǎng)的良好接觸。相較于受電弓，高速流動(dòng)的空氣流場(chǎng)對(duì)弓網(wǎng)間接觸力的影響非常重要。

對(duì)受電弓空氣動(dòng)力影響研究方面一般采用紊流模型[1]，對(duì)受電弓在開(kāi)放空間的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真，研究高速下風(fēng)阻對(duì)弓網(wǎng)之間的抬升力、受電弓弓頭和桿件的影響情況[2]。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)不同運(yùn)行速度下的空氣抬升力進(jìn)行仿真及對(duì)比分析，總結(jié)提高受電弓空氣動(dòng)力性能可以采取的措施[3]。

1 空氣流場(chǎng)特點(diǎn)分析

列車在空氣中高速運(yùn)行，以空氣為流場(chǎng)介質(zhì)，與受電弓相互作用，將仿真模型簡(jiǎn)化為空氣流體與無(wú)位移、無(wú)變形的剛體間相互作用的簡(jiǎn)易模型。在空氣流體相關(guān)研究中，一般忽略流體的分子間距離，將空氣看作無(wú)真空、無(wú)間隙和無(wú)分子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)流質(zhì)物體。在空氣中高速列車的受電弓周圍的空氣流場(chǎng)是湍流場(chǎng)，是一種非常復(fù)雜的非線性流場(chǎng)。在湍流流體中，各個(gè)物理參數(shù)都隨著時(shí)間和空間地改變無(wú)規(guī)則地變化。

2 FLUENT 流場(chǎng)計(jì)算仿真分析

2.1 ICEM 軟件及FLUENT 軟件介紹

ICEM 的中文翻譯為“綜合工程與制造”，是由Armin Wolf創(chuàng)辦，ICEM CFD Engineering 開(kāi)發(fā)的專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件，2000年被ANSYS 收購(gòu)整合。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分是仿真的基礎(chǔ)，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量關(guān)系仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與精確度。網(wǎng)格劃分是整個(gè)仿真計(jì)算的重要一步。ICEM 軟件可以進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，如果模型十分復(fù)雜，亦可以在第三方軟件進(jìn)行建模，如CAD 等制圖軟件通過(guò)接口導(dǎo)入至ICEM 軟件，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

FLUENT 是一款計(jì)算能力十分強(qiáng)大的流體仿真計(jì)算軟件，同時(shí)還可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)的計(jì)算，由C 語(yǔ)言編輯而成。如遇自帶程序不能滿足計(jì)算需求時(shí)，可以使用C 語(yǔ)言編輯開(kāi)發(fā)更合適的計(jì)算程序。該軟件自帶多種湍流計(jì)算模型，本次計(jì)算使用的即為軟件內(nèi)置模型，無(wú)需自行編程，降低本次仿真難度。

2.2 湍流模型

湍流產(chǎn)生的原因是存在旋渦。大渦能量高，對(duì)受電弓作用力較大；大渦的能量耗散、減小，旋渦會(huì)減小變?yōu)樾u；小渦之后即變成流場(chǎng)中的普通流體，小渦對(duì)受電弓影響較小。直接模擬大渦可以較簡(jiǎn)單、較精確地得到仿真結(jié)果，計(jì)算量也相對(duì)較低。

SSTk—ω 模型在計(jì)算仿真靠近接觸面的流體時(shí)，計(jì)算結(jié)果精度比較高。并且此種模型應(yīng)用范圍廣，準(zhǔn)確性已得到廣泛認(rèn)可，并且能很好地仿真計(jì)算靠近流場(chǎng)中剛體接觸面流體形成的旋渦。

2.3 建模和網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分軟件ICEM 中直接建立受電弓的三維簡(jiǎn)化模型。由于計(jì)算域較大，為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，并且考慮計(jì)算機(jī)的仿真計(jì)算能力，需要減少網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)而節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將需要仿真的流場(chǎng)流體分為兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分計(jì)算（圖1、圖2）。第一部分在受電弓所在空氣流場(chǎng)前后左右頂部各取約800 mm，建立一個(gè)小的仿真計(jì)算域小空間。在大計(jì)算域內(nèi)、在小計(jì)算域外才采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格畫(huà)法，在小計(jì)算域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格畫(huà)法，生成以六面體為核心的網(wǎng)格，作為模型網(wǎng)格中心區(qū)域，在連接處采用金字塔單元過(guò)渡。與單純的四面體網(wǎng)格相比較，采用以六面體為核心的網(wǎng)格有更好的收斂性、更快的計(jì)算速度和更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。且只有中心的核心區(qū)域采用此種畫(huà)法，計(jì)算量可以接受。本文的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋阂允茈姽撞康巾敳康母叨葹樘卣鏖L(zhǎng)度h，來(lái)流方向取10h，出口方向取10h，左右兩邊各取6h，頂部高度取6h。外圍計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為2 322 823。里面小計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)是3 103 985[4]。

圖1 整個(gè)計(jì)算域及部分網(wǎng)格

圖2 里面小計(jì)算域及網(wǎng)格

2.4 求解計(jì)算

邊界條件：速度入口邊界v=380 km/h，出口邊界為壓力出口邊界，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。下表面為無(wú)滑移壁面邊界，其他壁面邊界為對(duì)稱邊界。采用Fluent-V6 求解器，選擇非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)，k—OmegaSSTk—ω 模型。設(shè)置各個(gè)參數(shù)收斂殘差為0.001，時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)迭代次數(shù)為20 次。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)空氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到了受電弓表面壓力分布圖、流場(chǎng)速度分布圖，以及抬升力、阻力和側(cè)向力。

圖3 是整個(gè)受電弓表面的速度分布云圖，從圖中可以看到最大速度在滑板和受電弓末端。圖4、圖5 分別為受電弓滑板處速度矢量分布圖與受電弓滑板處渦量云圖，從這兩處的渦量云圖及速度矢量云圖也可以看出，這兩個(gè)部位形成了漩渦。尤其滑板處最明顯，渦的脫落破裂會(huì)對(duì)受電弓產(chǎn)生脈動(dòng)力，產(chǎn)生周期的振動(dòng)這樣會(huì)影響受電弓與接觸網(wǎng)的接觸。

圖3 受電弓表面速度分布

圖4 受電弓滑板處速度矢量分布

圖5 受電弓滑板處渦量云圖

圖6 為整個(gè)受電弓的壓力分布云圖。從圖中可以看到受電弓滑板及上下臂桿鉸接處受力較大，在迎風(fēng)方向受到的力大于背風(fēng)面。所以，無(wú)論從速度流場(chǎng)還是壓力分布來(lái)看，受電弓臂桿的鉸接處和滑板處都是重點(diǎn)需要觀察分析的區(qū)域。表1 為受電弓各部位受力情況，從表中可以看到受電弓的阻力作用大部分來(lái)自滑板，抬升力為負(fù)數(shù)，說(shuō)明方向向下，幾乎不存在側(cè)向力?？紤]整個(gè)受電弓的受力情況，滑板的設(shè)計(jì)對(duì)受電弓至關(guān)重要，所以要從對(duì)受電弓滑板的優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，改善受電弓氣動(dòng)特性，降低受電弓受力及振動(dòng)，從而提高受電弓受流性能。

表1 受電弓各部位受力情況N

圖6 受電弓表面風(fēng)壓云圖

4 結(jié)論

（1）本文通過(guò)在ICEM軟件中建立簡(jiǎn)化的受電弓空氣流場(chǎng)模型，并考慮計(jì)算量及結(jié)果精度將其分為兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而利用流體分析軟件FLUENT，在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下對(duì)受電弓所在的空氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到較準(zhǔn)確的受電弓受到的氣動(dòng)力及其特性，為進(jìn)一步優(yōu)化受電弓、提高受電弓受流穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

（2）受電弓滑板和上下臂桿鉸接處會(huì)形成渦，對(duì)受電弓產(chǎn)生周期性的脈動(dòng)力，使受電弓受力更加復(fù)雜。

（3）當(dāng)列車高速行駛時(shí)，受電弓所受到的阻力大部分來(lái)自滑板，所以優(yōu)化滑板的形狀和角度可以降低受電弓所受到的阻力。受電弓的整體還會(huì)受到豎直方向上的抬升力，可以考慮安裝導(dǎo)流板減少升力的影響，降低受電弓受到氣動(dòng)力的影響。