受電弓動態(tài)受流性能和空氣動力學(xué)仿真

受電弓動態(tài)受流性能和空氣動力學(xué)仿真

由于高速列車的操作強度是確定高速列車運行安全的關(guān)鍵，如高速列車網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和高速空氣動力學(xué)，因此需要研究高速輸流的動態(tài)特性，并降低動態(tài)變化的范圍。在弓網(wǎng)系統(tǒng)受流理論研究方面,文獻從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布入手,提出了改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施.文獻對受電弓線性模型與非線性模型一并研究,討論了對受電弓非線性模型線性化過程及其靜、動態(tài)特性;文獻從弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性、接觸線波動速度、離線率方面研究了受流理論;文獻分析了高速電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定受流的發(fā)展,并對高速列車的空氣動力學(xué)進行了研究;文獻從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布入手提出了改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施;文獻研究了高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的懸掛型式及相關(guān)參數(shù),對影響動態(tài)受流特性進行了理論探討及分析;文獻從接觸網(wǎng)的預(yù)弛度等方面分析了對高速弓網(wǎng)受流的影響.本文在上述受流理論研究的基礎(chǔ)上,采用有限元及流體力學(xué)的數(shù)值仿真,研究高速下弓網(wǎng)受流及受電弓的空氣動力學(xué)性能,計算中提取了受電弓與接觸網(wǎng)主要參數(shù)及相關(guān)數(shù)學(xué)模型,實現(xiàn)計算機仿真,并對結(jié)果進行比較分析.1連續(xù)體仿真的數(shù)值模型接觸網(wǎng)由承力索,接觸線,通過吊弦連接而成,車頂?shù)氖茈姽c接觸線滑動進行取流,高速時接觸線的高度、弛度等需要有較精細調(diào)整.受電是由上框架、下框架、弓頭、滑板等結(jié)構(gòu)組成,這樣系統(tǒng)的連續(xù)體的分析很難做到,必須有合適的模型.在有限元數(shù)值仿真計算中,接觸網(wǎng)和受電弓兩個子系統(tǒng)之間,通過摩擦接觸耦合為一個相互作用的系統(tǒng).簡單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛弓網(wǎng)有限元模型如圖1所示.數(shù)值模擬仿真中,接觸網(wǎng)有限元模型采用歐拉-伯努利梁.支柱的作用除了支撐懸掛外,在此模型中還用支柱的移動來模擬張力作用下線索的移動.支柱上的定位器使得接觸線在1個跨距內(nèi)產(chǎn)生拉出值.弓頭與滑板處以及上下框架連接處通過鉸鏈和非線性彈簧連接,鉸鏈允許水平方向有相對旋轉(zhuǎn),通過升弓彈簧的邊界條件施加抬升力,弓網(wǎng)之間存在摩擦力,這些都是造成弓網(wǎng)相互作用非線性的主要因素.2空氣動力學(xué)仿真模型高速列車在以空氣為介質(zhì)的空間中運行,研究對象簡化為空氣流體及剛體間相互作用的問題.在空氣動力學(xué)研究中,忽略流體系的分子結(jié)構(gòu),將流體看作是連續(xù)介質(zhì),其中不存在真空、分子間無間隙和分子運動.由于流體的連續(xù)性,將流體的運動學(xué)的各個基本量(速度、壓力等)看作是某些物理量(時間、空間坐標)的連續(xù)函數(shù),用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型求解空氣動力學(xué)問題.圖2為受電弓空氣動力學(xué)仿真模型.計算域在來流負方向長度為受電弓高度的5倍;在來流正方向即尾流方向長度為受電弓高度的6倍;在與來流方向垂直的平面兩方向?qū)挾染鶠槭茈姽叨鹊?倍;高度方向為受電弓高度的5倍.將計算域的外邊界(上、左、右面)定義為滑移壁面,其他邊界均為無滑移壁面.設(shè)定流量邊界條件:入口速度為250km/h,出口100%流出.3成功的電子武器動態(tài)性能試驗結(jié)果針對不同的接觸懸掛方式與高速受電弓相互作用的情況進行仿真分析.計算條件為250m/h,接觸網(wǎng)和受電弓計算參數(shù)如表1,2所示.3.1受電弓正截面動態(tài)升降量弓網(wǎng)動態(tài)仿真中,應(yīng)用MSC-Marc及STAR-CD軟件進行弓網(wǎng)系統(tǒng)的仿真,簡單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛(定位點與接觸線接觸處)的接觸線動態(tài)抬升量的計算結(jié)果如圖3所示.從圖3(a)中可以看出:受電弓未經(jīng)過時,由于線索重力及弛度的存在,跨中的靜態(tài)位置低于定位點23mm;受電弓經(jīng)過時,定位點和跨中點的動態(tài)抬升量分別為65mm和86mm.從圖3(b)中可以看出,受電弓未經(jīng)過時,由于預(yù)留弛度及線索重力作用,跨中的靜態(tài)位置低于定位點27mm;受電弓經(jīng)過時,定位點和跨中點的動態(tài)抬升量分別為30mm和50mm.通過仿真可發(fā)現(xiàn),簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛的定位點及跨中的抬升量都小,但抬升量變化劇烈,說明簡單鏈型懸掛較彈性鏈型懸掛彈性不均勻系數(shù)大.彈性鏈型懸掛方式和簡單鏈型懸掛條件下,弓網(wǎng)接觸壓力的仿真結(jié)果如圖4所示.從圖4看出,彈性鏈型懸掛的接觸壓力隨跨距的變化劇烈,頻率加快,并且平均接觸壓力大.簡單鏈型懸掛的接觸壓力變化隨跨距有明顯的周期變化,平均接觸壓力較小,會出現(xiàn)接觸壓力為0的現(xiàn)象,如果接觸壓力降低到0,會造成離線和火花.因此,弓網(wǎng)接觸壓力均勻的變化是保證可靠受流性能的重要因素.3.2電子表達空氣動力學(xué)的模擬(1)受電弓的情況受電弓的阻力作用的方向與受電弓的運行方向相反,受電弓的抬升力的作用方向垂直受電弓表面向上.具體分析結(jié)果見表3.從表3中可以看出:①弓頭、上框架和下框架各自受力的總和為受電弓的受力情況,符合實際情況;②由于弓頭運動導(dǎo)致了上框架所受力的絕對值要大于下框架所受壓力,使得受電弓整體有12N向上抬升力的作用;③弓頭所受阻力是整個受電弓阻力的關(guān)鍵因素,由于弓頭的作用使得上框架周圍流場運動,導(dǎo)致上下框架之間存在壓力差.如果上下框架的阻力系數(shù)相當,則受到抬升力的絕對值相同,合成的抬升力減小,可保證兩個方向的抬升力幾乎相同.受電弓框架阻力相對于橫向力(風壓力)的垂直分量(端頂阻力)與受電弓當時的工作高度有關(guān),也與受電弓的振動有關(guān).(2)弓頭噪聲振動的影響在高速空氣氣流作用下,受電弓產(chǎn)生的氣動噪聲隨電力機車的速度變化而變化,考慮到速度對噪聲輻射的影響(與速度成5～6次冪的關(guān)系),使得受電弓的動態(tài)性能變得復(fù)雜,并產(chǎn)生噪聲.由受電弓引起的噪聲占整個列車總噪聲的25%～40%.速度為250km/h時,受電弓產(chǎn)生的3個主要噪聲源如圖5所示.從圖5中可以看出,下框架桿處噪音源影響的范圍大,在此處加裝導(dǎo)流罩可以減少氣流對下框架及底座的噪音輻射,如果此時僅有上框架和弓頭處于高速氣流的作用下,上框架產(chǎn)生噪音源的影響范圍要比弓頭小得多,所以受電弓的產(chǎn)生的噪聲源大小只取決于弓頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計好壞,可以排除下框架桿和底座的作用影響.綜上所述,如果加裝導(dǎo)流罩,可以單獨研究弓頭的空氣動力學(xué)特性和噪聲特性,受電弓空氣動力學(xué)性能的優(yōu)化重點在弓頭部位.,加裝導(dǎo)流罩是改善噪聲振動的有效措施.4受電弓空氣動力學(xué)仿真結(jié)果(1)本文中建立的受電弓與接觸網(wǎng)耦合的有限元模型,能夠正確的反映弓網(wǎng)的動態(tài)受流性能.簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛相比,動態(tài)抬升量減小,弓網(wǎng)接觸壓力平均值減小且變化頻率較慢.(2)在速度為250km/h