高速列車仿生型受電弓弓頭氣動(dòng)特性研究

蔡博,于松揚(yáng),尉良文,王悅東,李永華

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

在軌道交通系統(tǒng)建設(shè)中,高速鐵路技術(shù)的不斷完善使得高速列車的速度有了飛躍提升。目前國(guó)內(nèi)的CIT500最高試驗(yàn)速度可達(dá)605 km/h,是目前世界上最快的高速列車[1]。高速列車的車頭外形結(jié)合了仿生學(xué)原理和空氣動(dòng)力學(xué)理論,使其在高速運(yùn)行下具有良好的氣動(dòng)特性。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,當(dāng)列車速度由250 km/h提高到300 km/h時(shí),整個(gè)高速列車所受到的空氣阻力占總阻力的70%左右[2]。當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到400 km/h時(shí),列車所受空氣阻力占總阻力的90%以上[3]。當(dāng)列車速度為200～300 km/h時(shí),由于受氣流作用,受電弓在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力占整個(gè)列車阻力的8%～14%[4]。因此,如何降低受電弓在高速運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力成為高速列車優(yōu)化的主要目標(biāo)之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)受電弓的氣動(dòng)性能進(jìn)行了一定的研究。張業(yè)等[5]基于CFD軟件,采用Simple算法對(duì)比分析了不同速度條件下受電弓的氣動(dòng)特性。日本主要從受電弓形狀結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整,設(shè)計(jì)研究了菱形、T形以及V形受電弓結(jié)構(gòu),該研究方法精簡(jiǎn)了受電弓的結(jié)構(gòu)部件,極大改善了高速下產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力[6]。日本新干線500系高速動(dòng)車組的車頭使用仿生翠鳥喙形狀設(shè)計(jì),該措施極大改善了高速列車在行駛時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力[7]。Hersh等[8]根據(jù)鸮翼前緣鋸齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,論證了基于仿生的鸮翼鋸齒結(jié)構(gòu)具有良好的減阻降噪作用。Shinichiro[9]基于流場(chǎng)可視化技術(shù),探究了增加鋸齒形前緣的翼型在空氣流場(chǎng)中的性能,證實(shí)了其能改善渦流的形成和脫落,擁有良好的減阻降噪效果。Lee等[10]對(duì)受電弓的不同桿結(jié)構(gòu)采用風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)比分析了矩形和流線型受電弓的氣動(dòng)特性。

受電弓是電力軌道列車與弓網(wǎng)接觸的關(guān)鍵部件,其在高速下的氣動(dòng)性能是確保弓網(wǎng)穩(wěn)定、減少磨損、提高弓網(wǎng)壽命、保證列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素[11]。本文對(duì)受電弓弓頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)半圓形弓頭能夠有效降低列車高速運(yùn)行下產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力,對(duì)提高列車運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性具有一定的應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。

1 高速列車仿生型受電弓弓頭模型

1.1 受電弓弓頭二維模型建立

本文選取CX-NG型受電弓弓頭為研究對(duì)象,其原有受電弓弓頭桿件截面為矩形,尺寸為35 mm×25 mm。為了分析不同速度下迎風(fēng)面受電弓截面的氣動(dòng)特性和抑制尾渦情況,將弓頭截面進(jìn)行優(yōu)化,在保持寬度不變的情況下,增加原矩形的長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)5種流線形狀的受電弓弓頭截面。不同弓頭截面模型示意圖見圖1, 其中圖1(b)、 1(c)、 1(d)為弧形截面, 弧長(zhǎng)分別為12.5、8、16 mm。圖1(e)為圓-尖形狀截面,圖1(f)為尖-尖形截面,弧長(zhǎng)均為12.5 mm。

圖1 不同弓頭截面模型示意圖

1.2 湍流模型選取

受電弓弓頭高速運(yùn)行時(shí),在弓頭周圍流場(chǎng)發(fā)生湍流流動(dòng),在尾流處會(huì)產(chǎn)生尾渦脫落與分離的現(xiàn)象。因此,在求解弓頭周圍流場(chǎng)的數(shù)值模擬時(shí),需引進(jìn)湍流模型。本文所研究的弓頭運(yùn)行速度不大于350 km/h,可判定受電弓弓頭所處流場(chǎng)為不可壓縮黏性流場(chǎng)。本文采用基于雷諾平均法的SSTk-ω模型進(jìn)行弓頭湍流模擬計(jì)算。弓頭外流場(chǎng)計(jì)算域尺寸為32D×15D,D=0.2 m,左側(cè)邊界為速度入口,弓頭截面距入口8D,右側(cè)邊界為壓力出口,弓頭截面距出口22.6D,上下邊界距弓頭7D。

弓頭計(jì)算域邊界條件設(shè)置見表1。受電弓高速運(yùn)行時(shí),其迎風(fēng)面流場(chǎng)基本沒(méi)有繞流現(xiàn)象,將弓頭計(jì)算域入口邊界設(shè)為速度入口邊界。弓頭計(jì)算域尾部邊界設(shè)為壓力出口邊界,上下壁面設(shè)為對(duì)稱邊界。

表1 弓頭計(jì)算域邊界條件設(shè)置

1.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格劃分有著密切關(guān)系,準(zhǔn)確的收斂值取決于網(wǎng)格質(zhì)量是否精確。本文建立了不同截面受電弓弓頭二維模型,模型網(wǎng)格數(shù)量約為10萬(wàn)。選取Ansys軟件中的ICEM網(wǎng)格劃分處理器,全流場(chǎng)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。對(duì)于矩形弓頭和仿生型弓頭,對(duì)表面采取O形網(wǎng)格劃分,弓頭周圍進(jìn)行加密處理,弓頭來(lái)流和尾流所在區(qū)域用十字形區(qū)域網(wǎng)格加密,見圖2。

(a) 矩形弓頭

選取仿生型弓頭截面弧形尺寸為12.5 mm的半圓形模型,在350 km/h的速度下進(jìn)行驗(yàn)證。取8套劃分方法相同而數(shù)量不同的網(wǎng)格,分別為5萬(wàn)、10萬(wàn)、20萬(wàn)、30萬(wàn)、40萬(wàn)、50萬(wàn)、60萬(wàn)、70萬(wàn)。采取SSTk-ω湍流模型進(jìn)行非定常計(jì)算,弓頭在同一速度下氣動(dòng)力隨網(wǎng)格數(shù)變化情況見圖3。從圖3可以看出,弓頭氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力均呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的變化趨勢(shì),其在網(wǎng)格數(shù)量為10萬(wàn)之后氣動(dòng)升力與氣動(dòng)阻力變化較為平穩(wěn)。此次驗(yàn)證說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量為10萬(wàn)時(shí)達(dá)到分界點(diǎn),隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,仿真數(shù)值趨于穩(wěn)定。因此二維仿真計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量確定為10萬(wàn)。

(a) 氣動(dòng)阻力

2 二維仿生弓頭氣動(dòng)特性分析研究

2.1 不同弓頭截面速度場(chǎng)分析

不同弓頭截面在350 km/h速度下周圍空氣場(chǎng)的速度分布云圖見圖4。

(a) 矩形弓頭

在高速下弓頭尾流區(qū)會(huì)形成渦脫落現(xiàn)象,且形成的渦會(huì)隨著主流繼續(xù)向后方運(yùn)動(dòng)發(fā)展,形成一個(gè)從渦生成到渦發(fā)展脫落,再到被耗散消失這樣完整的渦流變化過(guò)程,在此過(guò)程中弓頭尾部會(huì)形成面積較大的低速區(qū)。由于氣流在弓頭前端分離時(shí)速度較小,弓頭上下表面速度較大,形成相反的漩渦狀態(tài),導(dǎo)致尾部區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的漩渦分離流動(dòng),并且隨著速度的提高,弓頭后方尾渦脫離現(xiàn)象更加明顯,低速區(qū)面積逐漸增大,所以矩形弓頭的尾渦脫落現(xiàn)象較其他5種弓頭截面更為明顯。尖-尖形弓頭的渦脫落現(xiàn)象與矩形弓頭相似,其后方的回流現(xiàn)象較為明顯,不能很好地抑制尾渦脫落。而迎風(fēng)面為弧形結(jié)構(gòu)的弓頭其速度場(chǎng)渦街現(xiàn)象較好,可以有效抑制尾渦脫落。半圓形弓頭與長(zhǎng)半弧弓頭的渦街現(xiàn)象相似,都能較好地抑制弓頭邊界層分離,但長(zhǎng)半弧弓頭在上下壁面處產(chǎn)生了較大的中高速區(qū)域,使得整體所受阻力增大,產(chǎn)生回流現(xiàn)象大于半圓形弓頭。因此,半圓形弓頭在高速流體作用下所產(chǎn)生的尾渦脫落面積小,受到的氣動(dòng)阻力最小。

2.2 不同弓頭截面壓力場(chǎng)分析

不同弓頭截面在350 km/h速度下弓頭周圍空氣場(chǎng)的壓力分布云圖見圖5。對(duì)矩形弓頭來(lái)說(shuō),其最大壓力位于弓頭與氣流最先接觸的尖點(diǎn)位置,最低壓力一般位于弓頭上下壁面的近端,低壓區(qū)域最大,其具有明顯的漩渦形成現(xiàn)象。其余弓頭截面,最大壓力存在于弓頭迎風(fēng)尖點(diǎn)上,范圍較小,最低壓力處于上下壁面迎風(fēng)點(diǎn)處,低壓范圍較小,整個(gè)流場(chǎng)域壓力處于較為平穩(wěn)的范圍。弓頭流場(chǎng)中的低壓區(qū)是由于氣流流經(jīng)弓頭尖端時(shí),在上下壁面處產(chǎn)生了氣流回旋,導(dǎo)致上下兩端產(chǎn)生壓力差,增加了壓差阻力,加劇了尾部渦流現(xiàn)象而形成的。對(duì)于半圓形弓頭,其整個(gè)流場(chǎng)域壓力范圍較其余弓頭較為平穩(wěn),能形成較為穩(wěn)定的壓差阻力。對(duì)比可知,半圓形弓頭在尾部的低壓區(qū)明顯小于其他弓頭,流場(chǎng)域壓力變化平穩(wěn)。

(a)矩形弓頭

3 二維仿生弓頭阻力特性對(duì)比分析

本文分別選取250、300、350 km/h 不同速度工況下6種二維弓頭氣動(dòng)力的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比研究。經(jīng)過(guò)仿真分析得出受電弓弓頭在3種速度工況下的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力,見表2。

表2 各種模型的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力數(shù)據(jù)

為探究各弓頭模型在不同速度下氣動(dòng)阻力的變化情況,將速度平方與氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力數(shù)值制成折線圖,見圖6。從圖6(a)可以看出,各模型的氣動(dòng)阻力隨速度平方的增大而增大,說(shuō)明氣動(dòng)阻力與速度平方呈一定的正比關(guān)系,其中矩形模型的氣動(dòng)阻力變化最大,半圓形模型氣動(dòng)阻力變化最小。結(jié)合上述流場(chǎng)分析,這是由于矩形弓頭上下近壁面產(chǎn)生明顯的低速渦流,在尾流后方渦街不斷發(fā)生脫落,且擺動(dòng)幅度大,形成明顯的低速區(qū)域,導(dǎo)致氣動(dòng)阻力升高。而半圓形弓頭尾渦擺動(dòng)幅度明顯減小,這說(shuō)明流線型弓頭結(jié)構(gòu)能較好地抑制尾渦的脫落,降低氣動(dòng)阻力。從圖6(b)可以看出,各模型氣動(dòng)升力的變化呈現(xiàn)多樣性的特征,矩形、半圓形、圓-尖形模型的氣動(dòng)升力在高速下變化較大,短半弧、尖-尖形模型氣動(dòng)升力呈緩慢上升趨勢(shì),而長(zhǎng)半弧模型氣動(dòng)升力呈下降趨勢(shì),結(jié)合上述流場(chǎng)分析,可能是由于其截面尺寸流線型過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致氣流流經(jīng)弓頭表面時(shí)產(chǎn)生較為明顯的壓力波動(dòng),弓頭下方氣流回流過(guò)大,產(chǎn)生較大低壓區(qū),造成向下的氣動(dòng)升力。

(a) 氣動(dòng)阻力

4 結(jié)論

(1) 對(duì)比矩形截面弓頭的升力和阻力,半圓形弓頭能夠起到很好的減阻效果。在3種不同速度的工況下,與矩形截面弓頭相比,使用半圓形弓頭時(shí)氣動(dòng)阻力分別減小了76.03%、76.24%、76.39%,氣動(dòng)升力分別減小了41.67%、26.35%、12.89%,說(shuō)明半圓形弓頭在高速下有良好的減阻效果,其升力在數(shù)值上接近于矩形變化趨勢(shì),但數(shù)值較小,能在高速行駛中提供較好的受流效果。

(2)半圓形弓頭在高速流體作用下所產(chǎn)生的尾渦脫落面積小,并且其整個(gè)流場(chǎng)域壓力范圍較其余弓頭較為平穩(wěn),能形成較為穩(wěn)定的壓差阻力。因此采用半圓形弓頭截面形狀的設(shè)計(jì)可以有效降低高速行駛時(shí)產(chǎn)生的空氣阻力。

(3) 將弓頭模型簡(jiǎn)化為二維模型,在弓頭實(shí)際運(yùn)行時(shí),氣動(dòng)性能可能會(huì)產(chǎn)生少許誤差,但二維弓頭空氣流場(chǎng)模型減少了流場(chǎng)運(yùn)算時(shí)間,并為今后三維弓頭模型的優(yōu)化提供了思路,可提升列車高速運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率。