弓网电弧磁流体动力学模型及温度分布研究

摘要

良好的弓网关系是保障高速列车安全运营的三大关系之一，而弓网电弧已经成为弓网关系中需要解决的核心问题。受电弓滑板与接触网导线分离瞬间，弓网间隙被击穿，从而产生弓网电弧。随着高速铁路运营速度的不断提高，牵引电流持续增加，使得弓网电弧中的能量越来越大，电弧对弓网滑动接触材料的损害也越来越严重。弓网系统事故频发，严重危害了高速列车的稳定受流。一方面，电弧侵蚀是弓网接触面材料严重磨损的关键因素，弓网电弧产生的瞬时高温侵蚀接触材料表面，造成材料表面凹凸不平，加剧了接触材料的滑动磨耗;另一方面，电弧高温使得接触网导线受热拉伸发生塑性形变，降低导线的抗拉强度，引起导线断裂。因此，研究弓网电弧的温度分布特征及其影响因素，有助于改进接触面材料、增强其耐电弧侵蚀能力，进而提高弓网系统服役性能。
　　本文基于磁流体动力学(MHD)理论，建立了弓网电弧的MHD模型，耦合了弓网电弧等离子体区域复杂的热场、流场和电磁场等内部环境，考虑了电弧的热辐射现象和流固耦合传热。以流体力学计算软件ANSYS/FLUENT为求解平台，并对其进行二次开发，建立弓网电弧等离子体的二维几何模型。
　　基于弓网电弧的二维仿真模型，设置合理的流场和电磁场边界条件，仿真计算弓网电弧温度分布，并对仿真结果进行分析。探讨了弓网电弧的形态、电流密度和电场的分布特性，并通过试验与仿真结果对比验证了仿真模型的可靠性。研究了弓网电弧弧柱的温度分布特性以及接触网导线和受电弓滑板内部的温度分布规律。
　　最后，讨论了电弧温度分布的影响因素，研究了不同电弧电流下弓网电弧温度的变化，探究了受电弓滑板材料热导率对滑板内部温度分布的影响规律以及接触网导线廓形的改变对其内部温度和电弧电流密度分布的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 高速铁路的发展概述

1．1．2 弓网电弧温度场研究意义

1．2 弓网系统

1．3 国内外研究现状

1．4 论文的研究内容

第2章 弓网电弧数学模型

2．1 电弧的基本概念

2．2 弓网电弧磁流体动力学(MHD)模型

2．2．1 电弧MHD数学模型

2．2．2 电弧热辐射模型

2．2．3 电弧模型的初始条件和边界条件

2．3 弓网电弧物性参数

2．4 弓网电弧MHD模型求解方法

2．4．1 有限体积法(FVM)

2．4．2 MHD模型求解流程

2．4．3 FLUENT软件的二次开发

2．5 本章小结

第3章 弓网电弧MHD仿真模型及其结果分析

3．1 弓网电弧几何模型

3．2 边界条件

3．2．1 速度和压力边界条件

3．2．2 温度边界条件

3．2．3 电场边界条件

3．3 弓网电弧仿真结果分析

3．3．1 弓网电弧形态特性

3．3．2 电弧电流密度分布

3．3．3 电弧电位分布

3．4 弓网电弧温度分布

3．4．1 电弧弧柱区温度分布

3．4．2 电极极板内部温度分布

3．4．3 电弧极性对其温度分布的影响

3．5 本章小结

第4章 弓网电弧温度分布影响因素研究

4．1 电弧电流对温度分布的影响

4．2 滑板材料对其内部温度分布的影响规律

4．3 接触网导线廓形与其内部温度分布的关系

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果