基于Fluent 的受電弓空氣動力特性分析

楊 康，馬峰超，朱星光，李經(jīng)緯

基于Fluent 的受電弓空氣動力特性分析

楊 康，馬峰超，朱星光，李經(jīng)緯

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

受電弓；空氣動力；仿真分析

0 引言

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

對受電弓空氣動力特性的傳統(tǒng)研究方式主要采用數(shù)值計算[1，2]和風洞試驗[2～4]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真方法具有周期短、費用低且能夠模擬多種情況的優(yōu)點，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，應用流體力學基本理論，采用Fluent 軟件對受電弓的空氣動力特性進行分析。

1 受電弓空氣動力學理論

假設列車在平直的路線上穩(wěn)定運行，忽略環(huán)境風對列車的影響。當列車運行速度在160～350km/h時，受電弓周圍空氣場一般可以看做為定常、等溫、不可壓縮的三維流場，通常具有較高的雷諾數(shù)，應按湍流處理[5]。采用標準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為湍流動能；ε為湍流耗散率；xi或xj為坐標的3個分量，分別代表x，y，z三個方向坐標；ui或uj為列車周圍流場速度，分別代表ux， uy， uz三個坐標方向的速度分量；μ為流體的黏性系數(shù)；C1，C2為經(jīng)驗常數(shù)；σk， σε分別為湍流動能和湍流動耗散率對應的普朗特數(shù)。

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

2 仿真模型的建立

2.1 受電弓的簡化建模

圖1 受電弓實體模型圖

圖2 受電弓仿真模型圖

2.2 確定計算區(qū)域及劃分網(wǎng)格

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

由于受電弓結(jié)構(gòu)復雜，計算區(qū)域用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行離散，受電弓表面為三角形網(wǎng)格，空氣區(qū)域為四面體網(wǎng)格。受電弓表面的網(wǎng)格劃分比較密集，網(wǎng)格大小為10mm； 離受電弓越遠的區(qū)域，網(wǎng)格越稀疏，流場最外層網(wǎng)格大小為500～600mm（圖3）。

圖3 受電弓及計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 邊界條件設定

所謂的邊界條件是流體力學方程組在求解域的邊界上，流體物理量應滿足的條件。

（1）入口邊界。在模擬高速列車受電弓運動時，采用相對運動的方法來處理受電弓相對于周圍空氣的運動。將入口截面設為速度入口邊界，速度設定為與列車運行速度大小相等，方向相反。

（2）出口邊界。出口截面設為壓力出口邊界，出口處的壓強設置為一個標準大氣壓。

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

因此，在對含風電機組的配電網(wǎng)進行無功優(yōu)化時，應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，首先基于場景概率的理論建立了全場景下計及有功網(wǎng)損、靜態(tài)電壓穩(wěn)定性、無功補償設備投資成本的多目標無功優(yōu)化模型；然后針對基本差分進化算法的不足對其進行了一定的改進；最后將改進后的算法用于求解含風電機組的配電網(wǎng)多目標無功優(yōu)化問題。

（4）壁面邊界。計算區(qū)域的頂部和側(cè)面與外部大氣相連，設置為滑移的壁面邊界條件；受電弓表面及地面設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用標準k-ε模型來模擬，其控制方程即為式（1）—（5）。仿真計算列車運行速度為160～350km/h，受電弓在開口和閉口運行時，受電弓周圍的壓力分布與速度分布情況，并計算各部件的空氣阻力和空氣升力。下文以列車運行速度350 km/h，受電弓開口運行為例，分析受電弓的空氣動力特性。

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稱面上空氣場的壓力云圖如圖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，其中前滑板的迎風面所受壓力最大其壓強約為7060Pa。由圖5可以看出，受電弓在迎風面受到正壓，而在背風面受到負壓，從而產(chǎn)生了壓差阻力。弓頭部分的正負壓差比較明顯，這說明弓頭是氣動阻力的主要來源。受電弓在開口運行時，由于臂桿前后方的壓力差，使得上臂桿會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，氣流發(fā)生局部分離，圖6是空氣場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力

受電弓的阻力作用方向以列車運行反方向為正，抬升力的作用方向以豎直向上為正。表1和表2分別為閉口運行和開口運行時受電弓各部件所受到的氣動力。

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

通常受電弓的靜態(tài)抬升力約為70N，當列車運行速度為160 km/h 時，受電弓開口運行時的氣動升力為11.5N，是靜態(tài)抬升力的16.4%；閉口運行時的氣動升力為12.8N ，是靜態(tài)抬升力的18.3%。此時，受電弓的氣動升力對受電弓總的抬升力影響并不大。而速度達到350km/h 時，開口運行時的氣動升力達到49.4N，是靜態(tài)抬升力的70.6%；閉口運行時的氣動升力達到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 閉口運行時受電弓各部件的氣動力表 單位：N

表2 開口運行時受電弓各部件的氣動力表 單位：N

4 結(jié)語

本文根據(jù)高速受電弓的實物模型建立了簡化的受電弓仿真模型，利用流體分析軟件Fluent仿真計算了受電弓在不同運行速度下的氣動阻力和抬升力。仿真結(jié)果表明列車高速運行時，受電弓所受到的空氣動力十分顯著，會嚴重影響弓網(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)，在弓頭增加導流板是改善受電弓空氣動力特性的有效措施。

[1]楊楨.基于空氣動力學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.受電弓空氣動力學模型及風洞試驗研究[J].中國鐵道科學，1995，16（1）：37-49.

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

[4]蔡國華.高速列車受電弓低速風洞試驗技術(shù)[J].鐵道工程學報，2006，4（94）：67-70.

[5]田紅旗.列車空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社，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.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，助理工程師，電話：13716576610；

馬峰超，朱星光，李經(jīng)緯.中鐵工程設計咨詢集團有限公司。