横风作用下高速列车受电弓气动特性及优化研究

摘要

高速列车的受电弓具有十分复杂的三维几何形状，且由外形不同的多个部件组成，受电弓随列车高速运行时，在其周围形成复杂的、强非线性的三维粘性绕流流动，当受到横风作用，受电弓的绕流流场和气动特性发生剧烈变化，目前，国内外针对高速列车受电弓的这种横风效应的研究已取得诸多成果，但在横风气动荷载的分析、横风作用下的非定常特性以及受电弓类圆柱体杆件绕流阻力变化规律等方面的研究还需要进一步的深入。
　　本文通过理论分析、模型实验对比、湍流数值模拟相结合的方法，以SSS400+型受电弓、CRH型高速列车和实线接触网为研究对象，对高速列车受电弓的横风气动特性、受电弓圆柱体和类圆柱体杆件的绕流特性、横风作用下受电弓的抬升力等进行了数值模拟与仿真分析，探讨了受电弓主要部件的优化方案。主要研究成果包括以下几部分:
　　1、研究了复杂场景建模对横风作用下受电弓气动荷载分析的影响。结果表明:受电弓单一模型、受电弓-接触网模型的气动力和力矩的计算值相差在5％以内，受电弓-列车模型与受电弓-接触网-列车的计算值相差在7％以内，而受电弓-接触网与受电弓-接触网-列车模型的计算值相差为13.8％至65.2％，在计算中车体模型不宜忽略。提出了受电弓气动力、力矩系数与列车运行速度、横风风速和风向角的综合关系式。
　　2、采用分离涡方法对横风作用下受电弓、受电弓主要部件外流场的非定常特性进行数值模拟研究，对比了受电弓开口运行和闭口运行气动特性的差异，结果揭示了列车顶部的区域内受电弓导流罩、车体连接处和接触网模型对受电弓绕流场造成的扰动和影响十分明显，在一定程度上改变了受电弓自身绕流场的特性。前滑板和后滑板外流场特性差异明显，复杂的尾涡结构对上臂杆和下臂杆的升力系数、俯仰力矩系数的影响十分显著。受电弓开口运行时的气动力系数、力矩系数的平均值大于受电弓闭口运行的工况，且对应振幅的频段范围大于闭口工况，在开口运行的工况中加剧了受电弓横向的摆动。
　　3、采用大涡模拟方法对不同流动条件和特征尺寸的有限长圆柱、渐变截面圆柱和横风作用下受电弓类圆柱杆件非定常绕流特性进行了数值模拟研究，提出了在亚临界区、阻力危机区和阻力回升区内，圆柱绕流阻力系数与雷诺数Re、长径比L/D的关系式;给出了变截面圆柱绕流的阻力系数与雷诺数Re、长径比L/D、侧面母线与轴线夹角θ的综合关系式，揭示了渐变截面圆柱的端面效应及阻力变化规律。
　　4、对横风作用下受电弓滑板、上臂杆和下臂杆的气动外形进行优化研究，采用分离涡的方法对受电弓优化杆件、部件、优化受电弓和优化的挡板方案进行数值模拟，结果表明:当来流具有一定空间攻角时，圆柱模型，渐变截面圆柱、波浪型圆柱和阶梯型圆柱模型中波浪型圆柱的减阻、减振效果较好，其表面结构对流场的控制作用较强。滑板剖面采用流线化设计，其气动特性较好;加高受电弓两侧挡板可有效的降低横风效应。当时速达500km时采用单滑板受电弓可加强其上部结构的稳定性。
　　5、通过高速列车受电弓主要杆件几何关系和受力分析，得出横风作用下受电弓和主要杆件气动作用力与抬升力的传递系数和气动抬升力。结果表明:受电弓的气动抬升力主要分布在弓头结构上，上框架的气动抬升力均为负值，而下臂杆气动抬升力的绝对值较小。提出了受电弓气动抬升力和弓网接触力与横风风速、风向角和车速的综合关系式。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．1．3 研究意义

1．2 横风条件下高速列车受电弓空气动力学特性研究进展

1．2．1 高速列车受电弓-接触网系统的实车试验

1．2．2 高速列车受电弓空气动力学特性风洞试验

1．2．3 高速列车受电弓空气动力学特性数值模拟

1．2．4 受电弓圆柱和类圆柱杆件空气动力学特性研究

1．2．5 既有研究中存在的不足

1．3 本文的主要研究工作

1．3．1 本文的研究目的

1．3．2 本文的研究内容

2 横风条件下高速列车受电弓气动特性的研究方法

2．1 横风条件下受电弓绕流场特性

2．1．1 粘性流体运动和绕流流动的基本特征

2．1．2 无横风条件下受电弓绕流场特性

2．1．3 横风条件下受电弓绕流场特性

2．2 接触网和车体模型对受电弓绕流场的影响

2．2．1 无车体和接触网模型时受电弓绕流场特性

2．2．2 有车体和接触网模型时受电弓绕流场特性

2．3 横风条件下受电弓气动的气动特性

2．3．1 受电弓表面的空气压力和压力系数

2．3．2 受电弓气动阻力和阻力系数

2．3．3 受电弓气动升力和升力系数

2．3．4 受电弓气动侧向力和侧向力系数

2．3．5 横风条件下受电弓气动的气动力矩和系数

2．4 横风条件下高速列车受电弓气动特性的数值模拟

2．4．1 受电弓绕流场的湍流控制方程

2．4．2 受电弓绕流场的湍流数值模拟方法

2．4．3 受电弓绕流场数值模拟的模型选定

2．5 受电弓风洞模型试验

2．5．1 风洞模型试验简介

2．5．2 数值模拟与风洞试验的对比

2．6 本章小结

3 横风作用下受电弓气动荷载作用规律分析

3．1 受电弓气动荷载计算模型

3．1．1 受电弓的简化模型

3．1．2 受电弓组合模型

3．1．3 物理模型的设定

3．1．4 计算条件与计算工况

3．2 组合模型对受电弓气动荷载分析的影响

3．2．1 组合模型对流场的影响

3．2．2 组合模型对气动作用力的影响

3．3 横风条件下受电弓的气动荷载作用规律

3．3．1 有、无横风作用的受电弓绕流特性

3．3．2 列车运行速度对受电弓气动荷载的影响

3．3．3 横风风速对受电弓气动荷载的影响

3．3．4 风向角对受电弓气动荷载的影响

3．3．5 气动荷载与车速、风速、风向角的关系式

3．4 受电弓各杆件气动荷载的分布规律

3．4．1 受电弓各杆件的气动作用力系数

3．4．2 受电弓各个杆件的气动作用力矩系数

3．5 本章小结

4 恒定风场作用下受电弓非定常特性分析

4．1 非定常流动的分离涡模拟方法

4．1．1 分离涡模拟方法的基本思想

4．1．2 湍流模型方程的选取

4．1．3 分离涡模拟方法及其验证

4．2 受电弓在恒定横风作用下的瞬态气动特性

4．2．1 受电弓外流场的非定常特性

4．2．2 受电弓气动荷载的时域及频域特性

4．3 受电弓上臂杆及下臂杆的气动特性

4．3．1 上臂杆与下臂杆外流场的非定常特性

4．3．2 上臂杆与下臂杆气动荷载的时域及频域特性

4．4 受电弓滑板的气动特性

4．4．1 滑板外流场的非定常特性

4．4．2 滑板气动荷载的时域及频域特性

4．5 受电弓开口运行与闭口运行的比较

4．5．1 外流场的非定常特性的比较

4．5．2 气动荷载时域及频域特性的比较

4．6 本章小结

5 受电弓类圆柱杆件非定常绕流研究

5．1 非定常流动的大涡模拟方法

5．1．1 大涡模拟的基本思想

5．1．2 滤波方法

5．1．3 亚格子应力模型和控制方程

5．1．4 大涡模拟的初始条件和边界条件

5．1．5 圆柱绕流大涡模拟方法的验证及与雷诺平均方法的比较

5．2 圆柱绕流阻力特性既有成果的分析

5．2．1 圆柱绕流阻力系数随雷诺的变化规律

5．2．2 圆柱绕流的现有试验与计算结果

5．3 全域长径比圆柱在高雷诺数下的绕流特性

5．3．1 有限长圆柱绕流的计算工况

5．3．2 圆柱绕流阻力系数随长径比及雷诺数的变化规律

5．3．3 圆柱绕流阻力系数的综合关系式

5．3．4 圆柱各个截面的阻力系数

5．4 类圆柱杆件的气动特性分析

5．4．1 类圆柱杆件绕流的阻力特性

5．4．2 考虑横风作用下的变截面圆柱绕流特性变化

5．5 来流具有空间攻角时的变截面圆柱绕流场特性

5．5．1 模型的建立

5．5．2 流场的比较

5．5．3 气动力系数的比较

5．6 本章小结

6 横风作用下受电弓空气动力学特性的优化研究

6．1 上臂杆和下臂杆的气动外形优化

6．1．1 波浪形杆件的气动特性

6．1．2 阶梯型杆件的气动特性

6．1．3 与圆柱杆件和变截面杆件气动特性的比较

6．2 滑板的气动外形优化

6．2．1 滑板的工作性能和失效形式

6．2．2 滑板气动外形的优化

6．2．3 与现有滑板的比较

6．3 受电弓整体的气动外形优化

6．3．1 受电弓采用优化杆件的气动特性

6．3．2 加高受电弓两侧挡板的优化方案

6．4 高速列车与超高速列车受电弓气动特性

6．4．1 超高速列车受电弓气动特性

6．4．2 超高速列车受电弓在350km／h条件下运行的气动特性

6．5 本章小结

7 横风对弓网接触力影响的分析

7．1 弓网接触力的规范标准

7．1．1 接触网的类别及设计规范

7．1．2 弓网动态接触压力

7．2 受电弓动态抬接触力的计算

7．2．1 受电弓气动抬升力计算模型

7．2．2 受电弓气动抬升力的求解

7．3 受电弓气动抬升力和弓网动态接触力的分析

7．3．1 受电弓主要杆件的气动抬升力分析

7．3．2 受电弓气动抬升力与车速、横风风速、风向角的关系

7．4 本章小结

8 结论和展望

8．1 研究结论

8．2 进一步的研究与展望

参考文献

作者简历

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