橫風(fēng)作用下高速列車受電弓氣動特性及優(yōu)化研究.pdf

1、高速列車的受電弓具有十分復(fù)雜的三維幾何形狀，且由外形不同的多個部件組成，受電弓隨列車高速運(yùn)行時，在其周圍形成復(fù)雜的、強(qiáng)非線性的三維粘性繞流流動，當(dāng)受到橫風(fēng)作用，受電弓的繞流流場和氣動特性發(fā)生劇烈變化，目前，國內(nèi)外針對高速列車受電弓的這種橫風(fēng)效應(yīng)的研究已取得諸多成果，但在橫風(fēng)氣動荷載的分析、橫風(fēng)作用下的非定常特性以及受電弓類圓柱體桿件繞流阻力變化規(guī)律等方面的研究還需要進(jìn)一步的深入。
　　本文通過理論分析、模型實(shí)驗(yàn)對比、湍流數(shù)值模擬相

2、結(jié)合的方法，以SSS400+型受電弓、CRH型高速列車和實(shí)線接觸網(wǎng)為研究對象，對高速列車受電弓的橫風(fēng)氣動特性、受電弓圓柱體和類圓柱體桿件的繞流特性、橫風(fēng)作用下受電弓的抬升力等進(jìn)行了數(shù)值模擬與仿真分析，探討了受電弓主要部件的優(yōu)化方案。主要研究成果包括以下幾部分:
　　1、研究了復(fù)雜場景建模對橫風(fēng)作用下受電弓氣動荷載分析的影響。結(jié)果表明:受電弓單一模型、受電弓-接觸網(wǎng)模型的氣動力和力矩的計(jì)算值相差在5％以內(nèi)，受電弓-列車模型與受電弓-

3、接觸網(wǎng)-列車的計(jì)算值相差在7％以內(nèi)，而受電弓-接觸網(wǎng)與受電弓-接觸網(wǎng)-列車模型的計(jì)算值相差為13.8％至65.2％，在計(jì)算中車體模型不宜忽略。提出了受電弓氣動力、力矩系數(shù)與列車運(yùn)行速度、橫風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向角的綜合關(guān)系式。
　　2、采用分離渦方法對橫風(fēng)作用下受電弓、受電弓主要部件外流場的非定常特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對比了受電弓開口運(yùn)行和閉口運(yùn)行氣動特性的差異，結(jié)果揭示了列車頂部的區(qū)域內(nèi)受電弓導(dǎo)流罩、車體連接處和接觸網(wǎng)模型對受電弓繞流場造

4、成的擾動和影響十分明顯，在一定程度上改變了受電弓自身繞流場的特性。前滑板和后滑板外流場特性差異明顯，復(fù)雜的尾渦結(jié)構(gòu)對上臂桿和下臂桿的升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)的影響十分顯著。受電弓開口運(yùn)行時的氣動力系數(shù)、力矩系數(shù)的平均值大于受電弓閉口運(yùn)行的工況，且對應(yīng)振幅的頻段范圍大于閉口工況，在開口運(yùn)行的工況中加劇了受電弓橫向的擺動。
　　3、采用大渦模擬方法對不同流動條件和特征尺寸的有限長圓柱、漸變截面圓柱和橫風(fēng)作用下受電弓類圓柱桿件非定常繞流特

5、性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，提出了在亞臨界區(qū)、阻力危機(jī)區(qū)和阻力回升區(qū)內(nèi)，圓柱繞流阻力系數(shù)與雷諾數(shù)Re、長徑比L/D的關(guān)系式;給出了變截面圓柱繞流的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)Re、長徑比L/D、側(cè)面母線與軸線夾角θ的綜合關(guān)系式，揭示了漸變截面圓柱的端面效應(yīng)及阻力變化規(guī)律。
　　4、對橫風(fēng)作用下受電弓滑板、上臂桿和下臂桿的氣動外形進(jìn)行優(yōu)化研究，采用分離渦的方法對受電弓優(yōu)化桿件、部件、優(yōu)化受電弓和優(yōu)化的擋板方案進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明:當(dāng)來流具有一定空間

6、攻角時，圓柱模型，漸變截面圓柱、波浪型圓柱和階梯型圓柱模型中波浪型圓柱的減阻、減振效果較好，其表面結(jié)構(gòu)對流場的控制作用較強(qiáng)?；迤拭娌捎昧骶€化設(shè)計(jì)，其氣動特性較好;加高受電弓兩側(cè)擋板可有效的降低橫風(fēng)效應(yīng)。當(dāng)時速達(dá)500km時采用單滑板受電弓可加強(qiáng)其上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　5、通過高速列車受電弓主要桿件幾何關(guān)系和受力分析，得出橫風(fēng)作用下受電弓和主要桿件氣動作用力與抬升力的傳遞系數(shù)和氣動抬升力。結(jié)果表明:受電弓的氣動抬升力主要分布在弓