（电气工程专业论文）空气动力作用对高速受电弓受流性能影响的研究.pdf

、i 童 0 = 一 气 _ 签字日期：二口口年6 月2 9 日 签字日期：纱f d 年局巧泊 特 ， 国 i， 作者姓名：宋洪磊 导师姓名：吴俊勇 学位类别：工学 学科专业：电气工程 d 学号：0 8 1 2 2 0 5 4 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电力系统自动化 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 l j - i 致谢 本论文的工作是在我的导师吴俊勇教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，在 论文完成之际，我谨以最诚挚的敬意感谢我的导师在两年来在学习、工作和科研 上对我的谆谆教诲，以及在生活上的悉心关怀。吴俊勇教授严谨的治学态度，科 学的工作方法和高尚的人格给我留下深刻的印象，并将使我受益终身。本研究从 选题直至论文撰写和修改都凝结了导师的心血和智慧，在他的悉心帮助下，我不 仅顺利的完成硕士课题的研究，而且学会了一定的科研思路，并为将来的学习和 工作奠定了基础。 感谢电气学院的郑积浩工程师和土木建筑工程学院流体实验室的张群峰老师 的悉心指导和无私关怀，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，使 我受益匪浅，事半功倍。 在实验室工作及撰写论文期间，吴燕、杨媛、黄鹏洲、王勇拮、吴林峰、张 西鲁、李雪、冀鲁豫、贺电等同学对我论文中理论研究及实验室工作给予了热心 帮助和大力支持，在此向他们表达我的感激之情。感谢电气学院8 0 4 实验室全体 同学的大力支持和热心帮助，提供了良好的学术研究氛围。 另外也感谢我的家人，是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。在此谨以论文的完成来感谢我的家人对我二十多年来的含辛茹苦的培养。 中文摘要 中文摘要 摘要：随着高速铁路的迅速发展，列车舒适安全快速的优点已经被越来越多的人 所重视，当列车的速度达到2 5 0 k m h 及以上时，高速气流产生的空气动力对列车 部件的影响也越来越大，并且空气阻力占到了总阻力的7 5 8 0 ，这正影响了高速 铁路中受电弓一接触网的受流质量，受流质量的好坏直接影响到列车行进的速度。 并且受电弓的气动阻力占列车运行总气动阻力的8 1 4 ，因此要满足动车组的取流 要求就要对受电弓的空气动力性能进行研究。 本文从空气动力学角度出发，分析高速弓网受流稳定性。首先是在掌握空气 动力学基本知识的前提下，将理论知识应用到高速受电弓。从数值理论出发，建 立高速受电弓的数值公式计算受电弓各部件的抬升力和阻力，分析高速受电弓的 气动特性，并研究对受流性能产生的影响。 然后利用三维建模软件u g ，建立了高速受电弓的几何模型，将受电弓的几何 模型导入流体力学计算软件s t a r - c c m + ，采用紊流模型对受电弓在开放空间的空 气动力学性能进行仿真，研究了高速运行下风对弓网之间抬升力的影响情况，并 与理论计算解和实验数据对比分析，为进一步对高速受电弓参数和受流性能的研 究提供了仿真手段和理论研究基础。 对于高速受电弓在受流时存在的问题，根据数值计算和数值仿真的方法提出 合理的建议和措施，其中在不同速度下调节不同角度的导流板来改变抬升力大小 的方法，可以满足最佳受流的要求。本文最后提出有待于进一步完善和研究的方 向。 关键词：空气动力学；受电弓；弓网受流；流体力学数值仿真；s t a r - c c m + 分类号：【请输入分类号( 1 2 ) ，以分号分隔。】 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i 廿lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a y ，m o r ea n dm o r e p e o p l eh a v eb e e np a i da t t e n t i o nt os a f ea n dc o m f o r t a b l er a p i da d v a n t a g e s w h e nt h e t r a i n s p e e dr e a c h e dt o2 5 0 k m ha n da b o v e ，a e r o d y n a m i cc r e a t e db yh i g h - s p e e df l o w i m p a c to nt h et r a i n sc o m p o n e n t s ，w h i c ht h ei n f l u e n c ei si n c r e a s i n g ，a n di ta c c o u n tf o r 7 5 8 0 o f t h et o t a lr e s i s t a n c e a tt h es a m e ，i ti m p a c to nt h ec u r r e n tc o l l e c t i o nq u a l i t yo f p a n t o g r a p h - c a t e n a r yi nh i 曲一s p e e dr a i l w a y t h ec u r r e n tc o l l e c t i o nq u a l i t yw i l lh a v ea d i r e c ti m p a c to nt h es p e e do ft h et r a i nm o v i n g a n dt h ea e r o d y n a m i co fp a n t o g r a p h a c c o u n tf o r8 - 1 4 o ft h et o t a la e r o d y n a m i cd r a g i no r d e rt om e e tt h ee m u sc u r r e n t c o l l e c t i o n ，w es h o u l dt a k ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ei n t oc o n s i d e r a t i o n t h i sp a p e rw h i c hb e g i n n i n g 、i mt h ep o i n to fa e r o d y n a m i ca i mt oi m p r o v et h e a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fi n t e r a c t i o no fp a n t o g r a p h - c a t e n a r y f i r s to f a l l ，o nt h ep r e m i s eo fm a s t e rt h eb a s a lk n o w l e d g eo fa e r o d y n a m i c ，i t sn e c e s s a r yt o a p p l yt h e t h e o r e t i c a lk n o w l e d g et oh i 曲一s p e e dp a n t o g r a p h f r o mn u m e r i ct h e o r y ， c a l c u l a t et h el i f tf o r c ea n dr e s i s t a n c eo fp a n t o g r a p h sp a r t sb ye s t a b l i s h i n gt h ev a l u e f o r m u l ao fh i g h s p e e dp a n t o g r a p h , i no r d e rt oa n a l y s i sa e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n d r e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo fc u r r e n t - c o l l e c t i o n s e c o n d l y ，u s e3 dm o d e l i n gs o f t w a r eu gt oe s t a b l i s ht h eg e o m e t r ym o d e lo f l l i g h s p e e dp a n t o g r a p h t h e ni m p o r tp a n t o g r a p hg e o m a n t i cm o d e li n t oc f ds o f t w a r e s t a r - c c m + ，a n ds i m u l a t ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp a n t o g r a p hi no p e na r e au s i n g t u r b u l e n c em o d e l f u r t h e r m o r e ，d i s c u s st h ee f f e c to fp a n t o g r a p h c a t e n a r yl i f tf o r c e ， r e s i s t a n c eo fp a n t o g r a p hh e a da n da r mc a u s e db yt h ea i ra t3 5 0k m h t h ec o m b i n e d s i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o v i d e sm e t h o da n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hf o r f u r t h e rp a r a m e t e r s s t u d ya n di m p r o v i n gt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp a n t o g r a p h t h ep r o b l e m s 、衙mc u r r e n t c o l l e c t i o no fh i g h - s p e e dp a n t o g r a p h , w ec a np r o p o s e r e a s o n a b l e s u g g e s t i o n s a n dm e a s u r e sb yn u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n ds i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h em e t h o dt h a tc h a n g e st h el i f tf o r c e sb ya d j u s t i n gt h ed i f f e r e n ta n g l eo f 、访n gi nd i f f e r e n ts p e e di sab e s tw a yt om e e te m u sr e q u i r e m e n t a tt h ee n do ft h e p a p e r , t h ed i r e c t i o n sa n dm e a s u r e st ob ei m p r o v e da n ds t u d i e df u r t h e ra r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：a e r o d y n a m i c ；p a n t o g r a p h ；c u r r e n t - c o l l e c t i o n ；c o m p u t a t i o n a lf l u i d d e i g n ；s t a r - c c m + c l a s s n o ： 请输入分类号，以分号分隔。】 - v v i i 1 1 ：! ：1 1 2 2 国内研究发展状况2 1 3 本文研究的主要任务3 1 4 研究采用的方法4 1 4 1 计算流体力学的意义4 1 4 2u g 软件简介4 1 4 3s t a r - c c m + 软件简介5 1 5 本文内容安排一6 2高速受电弓的空气动力学研究7 2 1 空气动力学理论7 2 2 空气动力学的基本方程一7 2 2 1 可压缩流的基本控制方程7 2 2 2 不可压缩流的基本控制方程9 2 3 受电弓湍流理论基础9 2 3 1 湍流的特性9 2 3 2 湍流的模拟1 0 2 3 3 湍流的基本方程1 1 2 4 受电弓边界层理论1 2 2 4 1 边界层的概念1 2 2 4 2 边乔层的方程1 3 2 4 3 边界层的分离与绕流阻力1 5 2 5 受电弓的气动特性1 6 2 5 1 气动特性分析l6 2 5 2 受电弓的阻力16 2 5 3 受电弓的抬升力18 2 6 本章小结19 北京交通大学硕士学位论文 3高速受电弓的空气动力学计算 3 1 受电弓空气动力学模型 3 1 1 理论分析 3 1 2 受电弓研究的方法 3 1 3 受电弓的空气动力学模型 3 2 受电弓受力分析2 4 3 2 1 受电弓滑板动态分析2 4 3 2 2 受电弓臂杆动态分析2 5 3 3 受电弓空气抬升力计算2 6 3 3 1 抬升力影响分析2 6 3 3 2 受电弓弓头分析2 7 3 3 3 受电弓上臂分析2 8 3 3 4 受电弓下臂分析2 9 3 4 算例的数值分析2 9 3 4 1 弓头的空气动力计算3 0 3 4 2 上臂杆的空气动力计算3 1 3 4 3 下臂杆的空气动力计算3 2 3 4 4 计算结论及分析3 2 3 5 本章小结3 4 4高速受电弓气动力学的s t a r - c c m + 数值仿真分析3 7 4 1c f d 的求解过程3 7 4 2 受电弓模型的简化：3 7 4 3 受电弓模型的建立3 9 4 4 边界条件的设定。4 1 4 4 1 入口边界4 1 4 4 2 出口边界4 2 4 4 3 对称面边界4 2 4 4 4 其他表面边界4 2 4 5 求解器相关参数的设定4 3 4 6 仿真计算结果及分析4 3 4 6 1 受电弓压力场分析4 3 4 6 2 受电弓速度场分析4 5 4 6 3 仿真结果分析4 7 4 6 4 数值计算与仿真对比分析4 9 目录 ! ；( ) 的影响5 3 5 ：； 的影响5 3 影响5 3 5 2 影响受流的因素。5 4 5 2 1 动态接触力5 4 5 2 2 动态抬升量5 5 5 2 3 硬点一5 5 5 2 4 离线5 6 5 3 解决的方法及建议5 7 5 3 1 导流板的设计5 7 5 3 2 受电弓杆件的优化6 0 5 3 3 整流罩的设计6 1 5 4 本章小结6 1 6 结论6 3 6 1 全文总结6 3 6 2 工作的不足和展望6 3 参考文献。6 5 作者简历6 7 独创性声明6 9 学位论文数据集7 l 绪论 现在，发展高速列车是世界各国的一个主要战略，许多国家都在经营高速列 车，如德国城市快车i c e ，日本的新干线，法国的高速列车t g v 和韩国的h s r 3 5 0 x 型高速列车，以及中国的c r h 动车组。所以，发展高速铁路成为我国铁路现代化 建设的必然趋势。 在近十几年里，我国的铁路高速化技术也得到突飞猛进的发展，在9 0 年代进 行铁路提速，列车的速度由8 0 k m h 提高到目前运行的最高速度3 9 4 k m h 。2 0 0 7 年， 中国首条高速铁路京津城际客运专线完成铺轨，这不仅是中国进入高速铁路 时代的标志，也是中国真正掌握世界最先进的高速铁路建设技术的开端。2 0 0 8 年， 中国高速铁路建设步伐加快，不仅引人注目的京沪高速铁路开始兴建，广深港高 速铁路、京石高速铁路客运专线、南宁至广州高速铁路等等一大批高速铁路建设 工程都开始动工。2 0 0 9 年1 2 月2 6 日，世界上一次建成里程最长、运营速度最快的 高速铁路武广铁路客运专线开通运营，创造了中国高速铁路建设新的奇迹， 树立了中国铁路建设史上一座新的里程碑。还有正在建设中的京沪高速铁路等客 运专线，可以说，在中国一个高速铁路的时代已经到来n ，。 随着高速铁路大力发展的同时，电力牵引以其速度高和牵引力的优点已越来 越被世界各国公认，然而在铁路高速化进程中，除了要研制高速机车车辆和线路 结构外，还必须研究解决受电弓在接触网下的高速受流问题，所谓高速受流是指 高速运行中的受电弓通过与接触线的滑动接触获得电能并传给电力机车的过程， 只有这样才能使电力机车从接触网上可靠地获取电力能源，保证电力机车安全可 靠运行。高速列车牵引供电的新型接触网系统不同于传统的接触网系统，当列车 由普通速度提高到高速运行时，限制实现最高速度的因素有很多，而受电弓的空 气动力性能是保证弓网系统有良好跟随性和稳定性的重要因素，并且空气动力也 影响到了列车的运行性能、运行安全以及噪声污染等】。当高速列车达到 2 5 0 - - - 3 0 0 k m h 及以上时，高速气流产生的空气动力对列车部件的影响越来越大， 空气阻力占到了总阻力的7 5 一8 0 m 。性能良好的受电弓应具有良好的空气动力 性能，但受到对实物进行试验和试运行范围的限制，计算机仿真的方法是成为空 气动力学作用研究一条有效途径，模拟方法的采用特别有助于开发新系统并提高 性能要求。可以分析在不同结构、不同运行条件下，空气动态力对受电弓作用的 北京交通大学硕七学位论文 规律，为受电弓的设计提供了合理的参数哺1 。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1国外研究发展状况 近年来，列车空气动力学数值模拟发展迅速，数值模拟在列车流场研究中的 重要性不断增加，且应用范围也不断扩大。数学模拟非常适用于在设计初期对大 量的外形设计方面进行分析，对受电弓的空气动力特性进行预测、分析和优化， 为其造型设计提供依据。 法国、德国和日本的高速列车空气动力学的研究己相当成熟，他们除了运用 实验方法外，充分借助了理论数值模拟方法的优势，在高速列车的气动性能乃至 各方面的研究都比较成熟。德国航空和宇宙飞行研究试验局的气动力学设计和气 动力学实验研究所的一项联邦研究技术部资助的协作项目里，设计出高速列车用 的车头形状，并从理论和实验上进行了研究。提出压力分布和压力波的计算结果， 以及压力测量、压力分布的测量结果，并讨论它们之间的关系。然后根据结果， 可提出选择试验列车示范动车组车头形状的建议；意大利在对于不同形状的弓头 的气动力进行分析，研究比较适合受流的弓头，并且在高速空气动力下，使其受 到的阻力和抬升力最合理化；日本在应用仿真软件来解决气动噪声方面有了新的 突破。由于受电弓在高速运行情况下，受电弓产生的噪音对于乘客的舒适度和周 围环境的影响是很大的，所以，日本运用c f d 软件进行仿真研究，得到很好的解 决效果们。 1 2 2国内研究发展状况 目前，国内研究列车空气动力学主要采用风洞试验和数值模拟方法。风洞实 验的结果比较准确也比较成熟，但需要巨大的人力物力；而数值模拟则不同，能 直接在计算机上模拟出列车的各种空气动力学工况，可用于高速列车空气动力学 性能的研发，且开发周期短，经济投入少，灵活性大，是目前较为流行的方法， 并且它正随着计算机技术的发展逐步走向完善。 在我国，数值计算方面也正在得到广泛应用，目前中国采用的是商业软件和 自主开发的软件进行列车的空气动力学模拟。很多公司和科研机构都在用c f d 进 行高速下的列车空气动力学仿真分析。12 1 ，对动车组在侧风环境下的空气动力进行 分析，例如中国科学研究院力学研究所采用l b m 对动车组在明线隧道强侧风环 2 绪论 境下的空气动力进行分析，这为高速列车设计的重要技术依据；西南交通大学采用 一维可压流，编制了计算隧道内瞬变压力的一维数值模拟程序；中南大学对列车 空气阻力、表面压力分布及列车交会、列车过隧道和尾流等方面的动力学问题进 行研究。 计算流体力学是研究空气动力学问题的重要手段，与实验相比，它具有耗时 短，费用低等优点，并且能够处理许多用实验不易进行的问题，因此它也越来越 受到人们的重视。本文利用计算机进行了流体力学( c f d ) 的数值仿真，作为研究受 电弓气动力学性能的一种有效方法，模拟了受电弓在开放空间的空气动力学性能。 采用仿真手段减少了试验成本，为优化设计受电弓，进一步研究高速受流问题奠 定了基础。 1 3 本文研究的主要任务 本文是根据受电弓的空气动力学理论，在s t a r - c c m + 软件平台上建立运行环 境下所需要的模型，在此基础上对受电弓模型高速运动时的情况进行数字仿真研 究。包括建立模型，仿真计算和仿真分析三个步骤，如图1 1 所示。 图1 - 1 仿真框架图 f i g 1 - 1f l - - d r f l ec l l f l l to fs i m u l a t i o n 基于建立的高速受电弓的模型，综合在运行过程中存在的问题，确定了本文 的研究内容： ( 1 ) 收集国内外的相关的研究技术资料，分析受电弓空气动力学在受流影响 方面的研究发展现状。 ( 2 ) 推导得到受电弓的数值计算模型，在利用数值计算的方法得到在一定速 度下，受电弓的各部件的空气动力情况。 ( 3 ) 建立受电弓的数值几何模型，对其在运行情况下的周围空气外流场进行 数值模拟。得到受电弓在高速运行时受到的空气阻力和抬升力，以及与数值解对 比分析。 ( 4 ) 改善受电弓高速运行时的空气动力学性能对于弓网受流影响的研究分 析，提出建议和改善方法。 研究上述问题的目的是探讨一种数值仿真的方法，对高速受电弓进行多方面 的研究，并与一些试验数据进行对比分析，找出规律性，最后讨论具体应用于我 北京交通大学硕士学位论文 国高速铁路的可能性及为我国高速列车的发展提供可靠理论依据和实际 值，加快我国高速列车的发展进程。 1 4 研究采用的方法 1 4 1计算流体力学的意义 计算流体力学是利用电子计算机技术和离散化的数值方法对流体力学 行数值模拟和分析的一门学科，它的特点是通过合理的数值方法在计算机 研究的问题进行仿真，提供工程人员所需要的流体力学参数。计算流体力 一个独立的学科，经过数十年的迅速发展，已经成为流体力学科学研究和 析设计的重要手段。 理论流体力学提供了描述流体运动的丰富的数学、物理模型；而实验 学发现了流体运动中许多奇妙和有重要意义的现象。c f d 则架起了从数理 流动现象之间的桥梁，成为流体力学研究的重要手段。由于c f d 与实验研究有类 似之处，流场的数值模拟常常被称为“数值实验 ；另一方面，c f d 可以提供比实 验研究更为丰富的流动细节。c f d 直接处理的描述流动的微分或积分形式的方程 组及其边界条件，而流动的方程和边界条件又是理论流体力学研究的重要内容。 利用c f d 的这些特点，有可能建立理论流体力学和实验流体力学之间的“数值关 联 。具体地说，如果c f d 可以再现实验中发现的某些现象，我们根据对c f d 采 用的数学物理模型的分析，就可以发现这种现象的数学、物理机制，以及产生、 演化的条件和方式。 综上所述，c f d 已经成为流体力学研究的重要工具，不仅从事理论研究还是 实验研究，数值模拟这一工具都是不可或缺的。 1 4 2u g 软件简介 u g 是源于美国麦道( m d ) 公司的产品，1 9 9 1 年1 1 月并入美国通用汽车公 司e d s 分部。u g n x ( 简称u 6 ) 是u g s 五大产品之一( t e 锄c e n t e r 、n x 、s o l i de d g e 、 e f a c t o r y 、p l mc o m p o n e n t s ) ，是集c a d 、c a e 和c a m 于一体的机械工程设计辅 助系统，该软件能适应多种复杂的曲面造型和参数化实体造型，可以直观、准确 地反映零、组件之间的装配关系，使产品开发完全实现设计、分析、制造的无图 纸生产，并可使产品设计、工装设计和制造等工作并行开展，适用于各种产品的 设计与开发，因此而广泛应用于汽车、航空、交通、电力系统、机械和玩具等行 4 绪论 业，以及模具等的设计、分析及制造工程。 u g 是一个完整的产品解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字 化造型和验证手段。u g 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过 实践验证的解决方案。u g 能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的 知识，事实证明为企业带来了战略性的收益。 u g 的主要特点：提供特征化、参数化及变量化的概念设计；采用区别于多面 体的曲面实体造型，使线框模型、曲面模型和实体模型融为一体；提供可以独立 运行的面向对象的集成管理数据库系统，使c a d 、c a m 、c a e 各部分的数据能够 进行自由切换。基于u g 软件具有的这些特点，建立完全的三维实体复合造型， 然后保存的s t l 文件就可以和仿真软件s t a r - c c m + 建立联系，导入实体三维模型 即可。 1 4 3s t a r - c c m + 软件简介 对高速受电弓空气动力学的仿真国内外多是采用成熟的商业软件进行研究， 同时也有许多科研院所采用自主开发的软件进行数值模拟计算，应用广泛的商业 软件主要有c f x 、f l u e n t 、c f d e s i g n 、s t a r - c c m + 等等。 s t a r - c c m + 是c d a d a p c o 公司采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新 一代c f d 求解器。是在专业计算流体力学软件s t a r - c d 的基础上开发的新一代 软件。s t a r - c d 这款软件上世纪9 0 年代已成功应用于法国t g v 高速列车空气动 力学问题的研究设计。近几年国内也逐渐引进s t a r - c d ，主要用于柴油机内部燃 烧的数值模拟、汽车发动机换气系统的研究、汽车外形设计、火箭发射、空调设 计、人体内血液流动等方面。 为了能方便用户使用和提高计算的精度，c d a d a p c o 公司就开发了新的一代 c f d 求解器软件s t a r c c m + 。它搭载了c d a d a p c o 独创的最新网格生成技术， 可以完成复杂形状数据输入、表面准备如包面( 保持形状、简化几何、自动 补洞、防止部件接触、检查泄露等功能) 、表面网格重构、自动体网格生成( 包括 多面体网格、六面体核心网格、十二面体核心网格、四面体网格) 等生成网格所 需的一系列作业。s t a r c c m + 使用c d a d a p c o 倡导的多面体网格，相比于原来 的四面体网格，在保持相同计算精度的情况下，可以实现计算性能约3 1 0 倍的 提高。 s t a r - c c m + 作为现在较为成熟的商用流体软件，应用领域已经十分的广泛， 可以与流行的c a d c a e 系统建立连接，方便和增强了其前后处理的功能；高度实 用性的工程工具，可以监测流量、力、温度等工程数据作为收敛判据；非结构化 北京交通大学硕士学位论文 网格和任意界面特征，可对复杂的几何外形以最方便途径生成网格，而不影响网 格的连续性；简单易用的高性能并行功能，大规模并行计算能力，可以减少计算 时间和增强可靠性，减少计算的溢出。由于s t a r - c c m + 软件的以上特点，正是本 文选用s t a r - c c m + 软件进行高速受电弓空气动力学对受流问题影响研究的原因 所在。 1 5 本文内容安排 本文通过数值计算和数值仿真分析了空气动力作用对运行中的受电弓的影 响，并且建立受电弓的数值计算模型，对其在真实运行情况下进行计算和仿真模 拟。 第1 章主要介绍本文的研究背景及意义，说明工作的研究重点和方法以及本 文采用的研究方法在知识理论上的意义和在实际中的应用。 第2 章主要介绍高速受电弓的空气动力学理论的基本知识，这是进行数值计 算和仿真模拟的准备工作。 第3 章是本章主要是建立受电弓的空气动力学计算模型，利用流体力学和空 气动力学相结合的知识，分析高速受电弓的弓头和框架部件的受力，得到受电弓 的抬升力和阻力计算。 第4 章是建立受电弓的三维几何模型，利用仿真软件模拟在真实运行情况下 的空气动力特性，得到的结果与数值计算和实车试验的数据对比分析。 第5 章是分析空气动力作用对受电弓受流性能的影响，主要就运行中的问题 分析并提出建议，从而提高受电弓的受流质量，保证弓网间的最佳接触力。 第6 章对全文进行总结，概括本文所做的研究工作内容以及存在的不足，并 对今后在弓网受流的研究中提出展望。 6 所服从的规律。空气动力学源于流体力学，流体力学是物理学的一个分支，它研 究的是流体( 包括液体和气体) 中的作用力和流体的运动规律。流体力学可分为 流体静力学和流体动力学：前者研究的是流体静止时，其中的作用力；后者研究 的是流体运动时，其运动的规律和作用力的规律。空气动力学则是将流体动力学 应用到研究列车运行中的进一步发展。 高速列车是在充满着以空气为介质的空间里运行的，其研究的对象可以归纳 为研究空气流体及在空气流体中的刚体间相互作用的问题，于是引入了流体力学 理论。计算流体动力学是在经典流体动力学、数值计算方法和计算机技术的基础 上建立起来的。计算流体动力学研究流体动力学诸方程的数值解法以及用数值方 法模拟真实的流动现象。 2 2 空气动力学的基本方程 压缩性是流体的基本属性，任何流体都是可压缩的。在一般情况下，由于列 车的运行速度与飞机相比较低( 马赫数m a r e ：。 因而用雷诺数来判断流动状态时，有三种情况： ( 1 ) 当r e r e ，时，流动为湍流状态； ( 3 ) 当r e ， r e o 的区域。由恒定层流边界层微分方程如式2 - 2 2 ，为： 玑堕帆垫= 一三生+ 1 ，氅 ( 2 2 2 ) 蚝蔷+ 坳苗= 一石云+ v 石芦 屹。 将边界层内的流动分成顺压区域，逆压区域和反向流动的分离区三种情况， 如图2 - 2 所示： 图2 - 2 边界层内流动 f i g 2 2f l o w i n gi nb o u n d a r yl a y e r 可知，边界层内的流动受压强梯度力( 一三字) 和黏性力( v 要事) 的作用， p 积印。 而黏性力是以摩擦力的形式表现出来的。在顺压区，即孕 0 区域，此时摩擦力和逆压梯度 出 力的作用都使流体减速，于是流动沿程越流越慢，最后出现反向流动，反向流动 排挤主流就使主流脱离物体表面产生分离现象【2 1 1 。 分离区中倒流往往形成涡旋，分离区产生涡旋的同时，边界层迅速增厚，所 以流动分离是逆压梯度和流动黏性综合作用的结果，通常在顺压区是不会产生分 离的，只有在逆压区内才有可能发生分离现象。在封闭物型的恒定流动中，分离 流动使物体后部的压强低于理想流的压强，从而产生流动阻力，这部分阻力往往 大于壁面剪应力的合力，前者称为压差阻力，后者称为摩擦阻力。 绕流物体上总的阻力由两部分组成：摩擦阻力和压差阻力。摩擦阻力主要是 由黏性作用产生，对大雷诺数层流运动，摩擦阻力约与流动速度的3 2 次方成正比。 而压差阻力是指物体前后的压强分布的合力，压差阻力与分离区大小直接相关。 当分离区很大时，压差阻力是流动阻力中的主要成分，因此控制边界层分离是减 阻的途径之一。 2 5 受电弓的气动特性 2 5 1气动特性分析吣2 2 1 列车高速运动时的周围流场应是非定常流动状态，但对于列车稳态运行这一 特定条件下行驶的列车，忽略诸如列车振动引起的变化等一些次要因素，其空气 阻力、升力和分布于列车外表面的压力，按定常流动状态处理就能得到其基本规 律。 由于空气的黏性作用，列车在地面高速运行时将带动列车侧面、底部及尾部 的周围空气随之运动，无论列车是稳态运行还是列车瞬态运行，均形成一种特殊 的非定常流动，通常称为列车风。列车风以空气流动和压力变化的形式表现出列 车对周围环境及道旁人员安全的影响，并且这种影响随时间的变化而显著变化， 非定常特性明显。在运行时，受电弓受到的空气阻力和气动抬升力与空气流动速 度有关。通过研究空气的气动力特性能分析列车在高速运行时，受电弓受到的阻 力和框架受到的抬升力，以便于在后期的设计过程中进行优化。 2 5 2 受电弓的阻力 1 6 高速受电弓的空气动力学研究 列车高速运行时，受电弓的表面压力和切应力沿列车运动反方向形成的合力， 即受电弓空气压差阻力和受电弓空气摩擦阻力之和，称为受电弓的空气阻力。 当空气沿列车表面流动时，由于空气的黏性，在列车壁面将形成一层由流速 为零并沿壁面法向迅速升高到与来流速度基本一致的流体层，称之为边界层，其 厚度在驻点出为零，然后逐渐向下游增加。边界层内的气流，因沿厚度方向位置 不同，其流速也迅速变化，各不同速度层间将产生切向力，从而形成列车表面的 黏性切应力，用f 表示。黏性切应力与空气动力黏度i t 和速度梯度成正比，黏性切 应力张量可以表示为，如式2 - 2 3 - 勺= ( 考+ 詈) _ 詈善嘞 q 乞3 ， 勺叫【茜+ 蔷广j 看嘞 q 。2 3 ) 式中：磊列车表面的黏性切应力( p a ) ； 空气动力黏度； 珥或“，速度( m s ) ，代表”、v 、w 三个坐标方向的速度分量； 五或z ，三个坐标，代表x 、j ，、z 三个坐标分量； 磊克罗内克符号，当扣，时，磊= 1 0 ，当f j 时，磊= 0 0 。 一般情况下边界层内的流动状态是由开始的层流逐步转变为湍流，这里，在 列车运行振动对气流的扰动的时候，受电弓周围的层流很快就转换为湍流，其结 果是黏性切应力迅速增大。受电弓运行时的黏性切应力沿受电弓运动反方向形成 的合力，是阻挡受电弓运行的阻力，被称为受电弓空气摩擦阻力。 受电弓空气摩擦阻力用e 。表示，即是如式2 - 2 4 ： 见= q 吆珥 ( 2 2 4 ) s f 式中： f , x 受电弓空气摩擦阻力( n ) ； f 知受电弓表面的黏性切应力f 在x 方向的分量( 助) ； s t 受电弓的外表面积m 2 ) 。 当受电弓表面压力沿列车运动反方向形成的合力，也是阻挡列车运行的阻力， 该阻力是由于各组成列车的车辆前后部压力差引起，称为受电弓的压差阻力。 受电弓空气压差阻力用瓦。表示，即是如式2 - 2 5 ： f 豫= qp k d s f ( 2 - 2 5 ) s f 式中： 受电弓空气压差阻力( ) ； 受电弓表面的压力岛在x 方向的分量( 砌) 。 受电弓的空气阻力为受电弓运行时的表面压力和切应力沿受电弓运动反方向 形成的合力，即是受电弓空气压差阻力和受电弓空气摩擦阻力之和。用e 表示。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 2 6 ) 式中： c 受电弓空气阻力( ) 。 为了便于分析，定义无量纲系数，即受电弓空气阻力系数为c y ，其表达式如 式2 2 7 ，为： f c ，= 二互- ( 2 2 7 ) q 3 x 这样，受电弓的空气阻力也可表达为如式2 2 8 ，为： c = 吸q = i 1 尸& e k 2 ( 2 2 8 ) 么 式中：c ，受电弓空气阻力系数； g 动压g = i 1p k 2 ，1 i , 2 为列车运行的速度( 小s ) ； z 最参考面积，这里是受电弓最大横截面面积( 研2 ) 。 由于受电弓空气阻力是由压差阻力和摩擦阻力组成，而受电弓空气阻力系数 也由压差阻力和摩擦阻力系数构成，因此，受电弓空气阻力系数与受电弓外形、 长度有关，在计算受电弓的空气动力特性时要将上述因素综合考虑，才能保证计 算得到的结果接近实际值，对于实际的受电弓运行有一定的参考价值。 2 5 3受电弓的抬升力 在受电弓的抬升力分析中，具体的研究目的是为了维持弓头平衡，特别是在 高速运行情况下，受电弓弓头的平衡稳定运行是良好受流质量的保证。高速机车 是通过受电弓从接触网上取得电能的，受电弓与接触导线的稳定接触是列车获得 良好受流的重要条件。通过接触导线和受电弓之间的滑动接触，给机车传输电能 的过程是很复杂的。并且，随着列车速度的提高，弓网间接触力会发生变化，系 统产生自激振动，振动幅度过大会造成受电弓滑板与接触网导线分离，出现离线 现象。离线对电力机车牵引供电非常有害，会引起机车受流不良，造成机车运行 不稳定；如果接触压力太高，接触线的抬升量会超过范围，加速接触网和受电弓 滑板的磨损，甚至会引起断线等事故。所以接触网和滑板的磨损也是与接触力有 关系的，为了避免抬升量过高以及过度磨损，要求接触力不能太大；但是为了避 免离线和火花，要求接触力又不能太小。保证接触导线和滑块磨耗最小，又不致 使导线产生危险地偏离，说明这是可靠经济的受流条件。 1 8 $ 峦 珞 + 了蹄 = 弓 + = e 62参 式如 1 日 高速受电弓的空气动力学研究 像飞机一样，由于受电弓各部件的上下表面外形不同，使空气流速不同，导 致受电弓上下表面压力出现较大差异，形成受电弓空气压差升力。同时，与前述 的列车空气阻力形成机理相同，由受电弓表面的黏性切应力形成受电弓空气摩擦 升力。 列车运行时，受电弓表面的压力和切应力沿垂直向上方向形成的合力，即沿 垂直方向的受电弓表面空气摩擦升力和压差升力之和，称为受电弓的抬升力。 受电弓空气升力用f 表示。沿坐标z 的正方向为正升力，反方向为负升力。 其大小有式2 2 9 确定。为： 巴= + e z = q ( p b z + 吃) 娜 ( 2 - 2 9 ) s f 式中：e 受电弓空气升力，( ) ； 、疋z 分别为受电弓空气压差力和摩擦力在z 方向的投影，( n ) ： 阮受电弓表面压力珊在z 方向的分量，( 尸口) ； 受电弓表面的黏性切应力丁在z 方向的分量，( 尸口) ； s f 受电弓的外表面面积，( m z ) 。 为了便于分析，定义无量纲系数，即受电弓空气抬升力系数为c z ，其表达式 如式2 3 0 ，为： c ：! 乙 ( 2 3 0 ) 2 q s z 这样，受电弓的空气抬升力就表达为如式2 3 l ，为： e = q s f z