高速列車隧道受電弓空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究

高速列車隧道受電弓空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究

近年來，中國的高速列車快速發(fā)展。國內(nèi)外對高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要集中在列車的出發(fā)、側(cè)風(fēng)安全和列車的通過上。高速列車通過隧道時(shí),會(huì)引發(fā)一系列空氣動(dòng)力學(xué)問題,如隧道壓力波動(dòng)、隧道出口微氣壓波、隧道內(nèi)行車阻力增大等。高速列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)影響列車運(yùn)行安全性、旅客乘坐舒適性和鐵路沿線環(huán)境,然而,高速列車過隧道產(chǎn)生的受電弓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能的影響卻未引起足夠重視,也未出現(xiàn)這方面的研究報(bào)告。以往關(guān)于弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)的研究,大多在不考慮空氣動(dòng)力對弓網(wǎng)影響的前提下展開的,忽略受電弓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對低速受流的研究是可行的,隨著列車運(yùn)行速度的提高,受電弓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對弓網(wǎng)受流的影響已非常明顯。列車高速通過隧道引起隧道內(nèi)空氣受到強(qiáng)烈擠壓,產(chǎn)生劇烈的壓力波動(dòng),這種壓力波動(dòng)必然導(dǎo)致受電弓氣動(dòng)抬升力的改變,進(jìn)而影響弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)性能,在高鐵線路上也曾出現(xiàn)列車通過隧道時(shí),由于接觸線抬升位移過大而引發(fā)弓網(wǎng)故障。本文結(jié)合高速列車空氣動(dòng)力學(xué)和弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué),計(jì)算得到高速列車以時(shí)速350km/h通過隧道時(shí)產(chǎn)生的受電弓氣動(dòng)抬升力,將氣動(dòng)抬升力作用于弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型,從而獲得考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng),并與未考慮隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行對比分析,研究結(jié)果可為隧道內(nèi)弓網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1計(jì)算模型1.1隧道內(nèi)流場網(wǎng)格劃分建立高速列車簡化模型,采用頭車、中間車和尾車編組,長76.4m,受電弓位于中間車車頂,如圖1所示。為準(zhǔn)確獲得列車通過隧道時(shí)的受電弓氣動(dòng)力,對受電弓進(jìn)行盡可能少的簡化,如圖2所示。列車通過隧道時(shí)的計(jì)算模型,如圖3所示。整個(gè)流場區(qū)域分為滑移部分和固定部分,滑移部分為列車附近區(qū)域,該區(qū)域以列車運(yùn)行速度滑移,除了滑移部分以外的流場區(qū)域均為固定部分,兩部分區(qū)域之間通過滑動(dòng)交界面連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于列車頭部和受電弓外形比較復(fù)雜,整個(gè)滑移區(qū)域和隧道內(nèi)流場均采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散,固定區(qū)域均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散。網(wǎng)格大小的確定必須在保證計(jì)算精度的前提下使得計(jì)算量最小化,且考慮到離高速列車越遠(yuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格大小對計(jì)算結(jié)果的影響越小,因此,網(wǎng)格劃分時(shí)采用漸變網(wǎng)格,列車通過隧道局部網(wǎng)格劃分,如圖4所示。列車以350km/h的速度通過隧道時(shí),其位置時(shí)刻在變化,屬于瞬態(tài)問題;雖然馬赫數(shù)小于0.3,但是考慮到列車通過隧道時(shí),空氣受到隧道壁面和列車表面的限制,隧道內(nèi)空氣會(huì)受到強(qiáng)烈擠壓,需考慮空氣的可壓縮性;列車流場雷諾數(shù)一般大于106,流場處于湍流狀態(tài),因此,整個(gè)流場采用瞬態(tài)、粘性、可壓縮流的NavierStokes方程和k-ε兩方程湍流模型描述,方程如下:連續(xù)性方程動(dòng)量守恒方程湍動(dòng)能方程湍動(dòng)能耗散率方程式中:ρ為空氣密度;v為速度;p為壓力;vx、vy、vz為x,y,z方向上的速度分量;k為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率;G為湍流動(dòng)能生成項(xiàng);μ為空氣粘性系數(shù);C1,C2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σz分別是與湍流動(dòng)能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)。1.2受電弓動(dòng)力學(xué)平衡方程建立包含承力索、輔助線、接觸線和吊弦4個(gè)部件的17跨接觸網(wǎng)模型,結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示,受電弓采用質(zhì)量塊模型,如圖6所示,等效參數(shù)見表1。采用有限單元法對接觸網(wǎng)進(jìn)行離散,其中,承力索、輔助線和接觸線采用梁單元進(jìn)行模擬,吊弦采用彈簧質(zhì)量單元模擬。接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)平衡方程式中,[Mc]為接觸網(wǎng)質(zhì)量矩陣,[Cc]為接觸網(wǎng)阻尼矩陣,[Kc]為接觸網(wǎng)剛度矩陣,為接觸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)加速度向量,{uc·}為接觸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)速度向量,{uc}為接觸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位移向量,{f(t)}為接觸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)載荷向量。受電弓動(dòng)力學(xué)平衡方程如下:式中:mi,ki,ci(i=1,2,3)分別為弓頭部分、上框架和下框架的等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼;P(t)為接觸網(wǎng)和受電弓的動(dòng)態(tài)接觸壓力;F(t)為受電弓所受的靜態(tài)抬升力和氣動(dòng)抬升力的合力。接觸網(wǎng)和受電弓之間通過動(dòng)態(tài)接觸壓力P(t)實(shí)現(xiàn)耦合關(guān)系,聯(lián)立方程(7)~(10),采用直接積分法求解弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。2受電弓空氣動(dòng)力學(xué)仿真《弓網(wǎng)受流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(EN50367:2002)中給出的不同速度等級下弓網(wǎng)平均接觸壓力Fm的上限值,如圖7所示。其中,v代表列車運(yùn)行速度,0.00097v2實(shí)際為不同運(yùn)行速度等級受電弓的氣動(dòng)抬升力值,70N為受電弓靜態(tài)抬升力值,因此,Fm實(shí)際為受電弓靜態(tài)抬升力和氣動(dòng)抬升力的合力。目前,采用弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)仿真來評價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量以及接觸線動(dòng)態(tài)抬升位移時(shí),受電弓抬升力值通常按照圖中所示曲線施加,因此,不能有效區(qū)分列車在明線和隧道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的受電弓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對弓網(wǎng)受流的影響,進(jìn)而對接觸網(wǎng)和受電弓系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。高速列車在明線和隧道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的受電弓氣動(dòng)抬升力差異導(dǎo)致弓網(wǎng)受流質(zhì)量以及接觸線動(dòng)態(tài)抬升位移不一致。為分析兩種線路條件下弓網(wǎng)接觸壓力和接觸線抬升位移的差異,建立長度為500m的雙線隧道,隧道截面面積為100m2。高速列車通過隧道時(shí),受電弓氣動(dòng)抬升力計(jì)算工況分為開口和閉口,初始時(shí)刻列車頭部距離隧道入口80m,受電弓開口和閉口運(yùn)行時(shí),受電弓距離隧道入口的距離分別為126.44m和110.76m。弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)分析時(shí),分兩種計(jì)算工況進(jìn)行對比分析。工況一:考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng),按照空氣動(dòng)力學(xué)仿真獲得的受電弓氣動(dòng)抬升力時(shí)程曲線施加;工況二:未考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí),氣動(dòng)抬升力按照圖7曲線給定的值施加。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1到達(dá)隧道東北部受電弓空氣動(dòng)力學(xué)測試時(shí),通常保持受電弓滑板與接觸線之間的距離為100~200mm,以此高度測得的氣動(dòng)力表征受電弓正常工作高度時(shí)的氣動(dòng)力,因此,文中進(jìn)行受電弓空氣動(dòng)力學(xué)仿真時(shí),不考慮受電弓垂向位移引起的受電弓氣動(dòng)力的變化。受電弓空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí),當(dāng)高速列車駛離隧道后,受電弓氣動(dòng)抬升力趨向定常后計(jì)算終止,整個(gè)非定常計(jì)算時(shí)間為7.5s,受電弓通過隧道所用時(shí)間為5.14s,受電弓開口和閉口運(yùn)行時(shí),到達(dá)隧道入口處分別為1.3s和1.14s;到達(dá)隧道出口處的時(shí)間分別為6.44s和6.28s。根據(jù)列車通過隧道時(shí)計(jì)算得到受電弓各部件的氣動(dòng)力,按照受電弓氣動(dòng)抬升力計(jì)算方法,由此計(jì)算獲得受電弓氣動(dòng)抬升力,如圖8所示。由圖可知,受電弓開口和閉口通過整個(gè)隧道時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)抬升力的變化規(guī)律比較一致,只是氣動(dòng)抬升力的大小存在差異;氣動(dòng)抬升力隨著受電弓與隧道入口的距離減小而不斷增大,當(dāng)受電弓到達(dá)隧道入口處時(shí)氣動(dòng)抬升力出現(xiàn)峰值,隨后略有減小。受電弓在整個(gè)隧道內(nèi)通過時(shí)氣動(dòng)抬升力具有一定的波動(dòng)性,這主要是由于壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)的傳播形成,但氣動(dòng)抬升力值要比明線上大。受電弓在明線上開口和閉口運(yùn)行時(shí),氣動(dòng)抬升力分別為120N和140N左右,根據(jù)隧道內(nèi)氣動(dòng)抬升力統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,隧道內(nèi)氣動(dòng)抬升力均值比明線上分別增加了21.25%和10.11%。當(dāng)受電弓接近隧道出口時(shí),氣動(dòng)抬升力又不斷增大,在接近隧道出口時(shí)出現(xiàn)峰值,隨后急劇減小,當(dāng)受電弓離開隧道出口后氣動(dòng)抬升力達(dá)到最小值,最后逐漸增大至明線上時(shí)的氣動(dòng)抬升力值。3.2考慮和未考慮隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)的接觸線動(dòng)態(tài)升降位移通過弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算得到兩種工況下的接觸壓力和接觸線抬升位移。圖9給出了考慮和未考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)的接觸壓力時(shí)程比較,由圖可知,當(dāng)未考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí),明線上和隧道中的接觸壓力并無區(qū)別;考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)后,隧道中的接觸壓力比明線上的接觸壓力明顯增大,而且接觸壓力的波動(dòng)性也增大。表2為考慮和未考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)的接觸壓力數(shù)據(jù)比較,由表可知,未考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí),開口和閉口運(yùn)行的接觸壓力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并無差異,這是由于開口和閉口時(shí)施加的受電弓氣動(dòng)抬升力值是一致的。考慮隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí),接觸壓力的平均值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差均變大,而接觸壓力最小值變小;開口和閉口運(yùn)行時(shí),接觸壓力平均值分別增大了10.20%和16.58%,接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差分別增大了16.09%和20.46%,因此,由接觸壓力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,當(dāng)列車以350km/h通過隧道時(shí),弓網(wǎng)受流質(zhì)量會(huì)明顯變差。接觸線動(dòng)態(tài)抬升位移的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最不利因素,當(dāng)定位器處的實(shí)際抬升位移大于設(shè)計(jì)值時(shí)將造成受電弓與定位器發(fā)生碰撞,從而引發(fā)弓網(wǎng)事故。受電弓通過隧道時(shí)相比明線上的氣動(dòng)抬升力顯著增加,這必將導(dǎo)致接觸線抬升位移增加,因此,考慮受電弓隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng),對隧道內(nèi)接觸線抬升位移的合理設(shè)計(jì)顯得十分重要。圖10給出了考慮和未考慮受電弓隧道氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)的接觸線動(dòng)態(tài)抬升位移時(shí)程比較。由圖可知,接觸線動(dòng)態(tài)抬升位移在每個(gè)跨距內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化,跨中抬升位移較大,定位器處抬升位移較小,這是由于跨中剛度較小,定位器處剛度較大造成的。由于接觸網(wǎng)剛度和接觸壓力是隨接觸網(wǎng)跨距呈現(xiàn)周期性變化的,因此,并非在受電弓氣動(dòng)抬升力達(dá)到峰值的同時(shí)接觸線抬升位移也出現(xiàn)峰值,但是,當(dāng)受電弓進(jìn)入隧道后,接觸線抬升位移較明線上顯著增加。接觸線最大抬升位移需統(tǒng)計(jì)整個(gè)隧道中的抬升位移值獲得,受電弓開口和閉口運(yùn)行,未考慮其隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí),定位器處的最大抬升位移為59.91mm,而考慮隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí),定位器處的最大抬升量分別為70.12mm和71.87mm。因此,在進(jìn)行隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí),需充分考慮受電弓隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)引起的弓網(wǎng)受流質(zhì)量和接觸線抬升位移的變化,此外,受電弓開口和閉口運(yùn)行時(shí),受電弓氣動(dòng)抬升力存在差異,需對兩向運(yùn)行時(shí)的接觸壓力和抬升位移進(jìn)行綜合評價(jià),從而使隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)更合理。4氣動(dòng)升降力分析(1)受電弓在隧道內(nèi)開口和閉口運(yùn)行時(shí),氣動(dòng)抬升力具有一定的波動(dòng)性,但變化規(guī)律比較一致,氣動(dòng)抬升力均值比明線上分別增加了21.25%和10.11%,受電弓在隧道入口和出口處,氣動(dòng)抬升力分別出現(xiàn)峰值。(2)考慮受電弓隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí),接觸壓力的平均值、最大值和標(biāo)