CN109766627A - 一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，包括以下步骤：步骤1：构建高速受电弓空气动力学模型；步骤2：根据步骤1构建的模型构建高速受电弓三维实体计算模型；选取计算区域并进行网格划分；步骤3：设置滑板间距计算工况，将步骤2划分的网格文件导入Fluent进行仿真计算；步骤4：根据步骤3中的求解结果得到不同滑板间距下，弓头中心横截面和弓头支架横截面的速度等值线图和受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线，完成受电弓非定常特性分析；本发明通过对不同滑板间距气动力进行时域和频域分析，为受电弓滑板间距选择提供依据，改善受电弓运行气动力特性条件，降低高速气流对弓网受流的扰动。
Description
技术领域
本发明涉及高速铁路受电弓空气动力学领域，具体涉及一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法。
背景技术
随着高速列车运营速度的不断提升，高速气流扰动对弓网受流的影响非常明显；研究结果表明受电弓气动阻力占全车气动阻力的7％～14％，高速气流不仅对减阻降噪有直接的负面影响；同时其产生的气动升力和气动横向力会引发结构的流致振动，使得弓网的垂向振动、纵向冲击、横向摆动和弓网耦合振动越发明显；弓网的离线更加频繁，受流质量严重恶化，从而影响弓网系统的受流质量以及高速列车运行的安全，弓网系统的运行和维护将面临越来越大的挑战。
针对高速列车受电弓的气动特性，国内外学者采用数值模拟、线路试验、风洞试验等方法开展了大量的研究工作；如Resta等(Resta F.Pantograph aerodynamic effectson the pantograph–catenary interaction[J].Vehicle System Dynamics,2006,44:560-570.)对受电弓滑板的几何形状进行研究，考虑了横风和湍流特性，通过风洞试验和数值仿真，计算出四种不同形状的弓头滑板的升力系数和阻力系数，给出弓网接触力的变化规律，研究结果表明气动力对弓网接触力的平均值和标准差均具有显著影响；Ikeda等(Ikeda M,Manabe K.Development of Low Noise Pantograph with Passive LiftSuppression Mechanism of Panhead[J].Quarterly Report of Rtri,2007,41(4):177-181.)提出一种随列车运行速度改变而被动改变弓头迎风角的新型弓头结构，采用风洞试验和线路试验分析了弓头的气动特性，给出了弓头升力的变化规律；研究表明随着列车运行速度的提高，新型弓头能有效减小气动升力的结果。张亮等(张亮，张继业，李田，等.高速列车不同位置受电弓非定常气动特性研究[J].机械工程学报,2017,53(12):147-155.)考虑了受电弓安放位置和开口方向，获得受电弓速度分布形态及不同工况下气动升力变化规律，研究表明受电弓安放位置对车头、尾车和受电弓空气动力学升力有显著影响；当受电弓安放在最后一节中间车开口运行时，受电弓气动性能最好；但是目前针对受电弓气动特性的分析主要集中在优化受电弓滑板轮廓、弓头结构达到抑制噪声、减小阻力和提高受流质量上。针对受电弓滑板间距对受电弓弓头及其气动力影响的分析非常少。
发明内容
本发明提供一种对滑板气动力进行时域和频域分析的基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法。
本发明采用的技术方案是：一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，包括以下步骤：
步骤1：构建高速受电弓空气动力学模型；
步骤2：根据步骤1构建的模型构建高速受电弓三维实体计算模型；选取计算区域并进行网格划分；
步骤3：设置滑板间距计算工况，将步骤2划分的网格文件导入Fluent进行仿真计算；
步骤4：根据步骤3中的求解结果得到不同滑板间距下，弓头中心横截面和弓头支架横截面的速度等值线图和受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线，完成受电弓非定常特性分析。
进一步的，还包括以下步骤：
根据不同滑板间距下，受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线得到受电弓各部件非定常气动力时域均值和标准差；得到滑板间距改变时，受电弓滑板气动力均值的变化大小和波动程度。
进一步的，还包括以下步骤：
通过快速傅里叶变换，根据步骤4得到的受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线得到功率谱密度曲线，获取不同滑板间距下受电弓滑板气动力的周期性波动情况。
进一步的，步骤1构建高速受电弓空气动力学模型过程如下：
采用基于k-ωSST湍流模型的DES方法求解N-S方程：
式中：t为时间，ρ为密度，k为湍动能，xj为方向坐标，μj为气流速度分量，Pk为湍流生成项；σω、σω2、σk、β、γ均为经验常数，ω为湍流比耗散率，lk-ω为湍流尺度参数，F1为开关函数，μl为为层流粘性系数，μt为涡黏性系数；
混合函数F2为：
式中：y为第一层网格至壁面的最近距离。
进一步的，所述步骤2中三维实体计算模型包括滑板、弓头支架、上框架、下臂杆、底架和拉杆。
进一步的，所述步骤3中仿真计算中求解器为压力基求解器；模拟方法为分离涡模拟方法DES、湍流模型为SST k-omega、物料性质为空气；边界条件为受电弓表面和底面无滑移的壁面，速度入口面为速度入口边界，压力出口面为压力出口边界，对称面的边界条件为对称边界条件。
本发明的有益效果是：
(1)本发明考虑不同滑板间距的影响，通过分离涡模拟方法对不同滑板间距的滑板气动力进行时域分析，根据滑板气动力时程曲线，进一步可得到不同滑板间距的气动力均值及标准差变化规律，能够为受电弓滑板间距的设计和优化提供理论基础，弥补了现有受电弓滑板间距设计没有考虑空气动力对弓网受流影响的不足；
(2)本发明可以通过对不同滑板间距气动力进行频域分析，得到滑板功率谱密度，得到不同滑板间距的滑板气动力频率带宽及功率谱密度峰值变化规律；
(3)本发明可以为受电弓滑板间距选择提供依据，改善其运行气动力特性条件，降低高速气流对弓网受流的扰动。
附图说明
图1为本发明中高速受电弓三维实体计算模型结构示意图。
图2为本发明中受电弓计算区域图。
图3为本发明实施例得到的弓头中心横截面的速度等值线图。
图4为本发明实施例得到的弓头支架横截面的速度等值线图。
图5为本发明实施例得到的受电弓滑板阻力时程曲线。
图6为本发明实施例得到的受电弓滑板升力时程曲线。
图7为本发明实施例得到的受电弓滑板阻力功率密度谱。
图8为本发明实施例得到的受电弓滑板升力功率密度谱。
图中：1-滑板，2-弓头支架，3-上框架，4-拉杆，5-下臂杆，6-底架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，包括以下步骤：
步骤1：基于计算流体动力学理论，构建高速受电弓空气动力学模型；
由于受电弓滑板的尾涡流场由许多涡旋方向、涡旋尺度不同的涡旋组成，所以只有准确模拟受电弓尾部的流场信息，才能准确捕捉受电弓尾部各种形状、大小的涡结构；真实反映受电弓空气动力学非定常特性；目前，常用的流体力学数值模拟研究方法有大涡模拟(Large eddy simulation，LES)、雷诺平均方法(Reynolds Average Navier-Stokes，RANS)和分离涡模拟(Detached-Eddy Simulation，DES)。
采用大涡模拟(LES)方法能够获得详细的流场瞬态信息，从而准确捕捉不同大小尺度的涡结构；但对近壁面边界层网格要求非常精细，导致产生较大的网格数，并要求计算的迭代步数非常大；因此，大涡模拟方法对计算机硬件水平要求很高，消耗较多的计算资源和计算时间成本；基于雷诺平均的湍流模型(RANS)求解的控制方程是通过时间平均后方程，这将导致RANS方法求解所得的结果也只反映了流场流动的宏观平均量；正是因为这个原因，RANS方法对网格精度的要求不是很高，计算所需的时间不长也相对更低；RANS以快捷、高效的优点对大尺度脉动不是非常明显的情况可以很好的获得满足工程求解的要求，被广泛采用。分离涡模型DES则是结合了大涡模拟和雷诺平均湍流模型的优点，近年来被应用于高速列车周围瞬态流场的模拟，计算结果与试验基本吻合；所以本发明中采用DES方法对受电弓滑板周围流场及非定常气动特性进行模拟。
高速列车运行速度为350km/h时，对应的马赫数小于0.3，可忽略空气压缩性的影响；因此，采用三维不可压缩的非定常Navier-Stokes(N-S)方程进行计算，采用基于k-ωSST湍流模型的DES方法求解N-S方程，方程的离散采用有限体积法；分离涡模拟的核心思想是：采用大涡模拟方法准确捕捉远离物面区域的脱体涡运动；采用雷诺时均方法快速计算近壁面区域的小尺度脉动；基于k-ωSST的DES方程为：
式中：t为时间，ρ为密度，k为湍动能，xj为方向坐标μj为气流速度分量，Pk为湍流生成项；σω、σω2、σk、β、γ均为经验常数，ω为湍流比耗散率，lk-ω为湍流尺度参数，F1为开关函数，μl为为层流粘性系数，μt为涡黏性系数；j＝1,2,3，依次表示长、宽、高方向；
其中，开关函数表征涡到壁面的最小距离，在近壁区，F1趋近于1，模型为k-ω模型；在边界层边缘附近时，F1趋近于0，模型为k-ε模型；Ω为涡量的绝对值，a1＝0.31。
混合函数F2为：
式中：y为第一层网格至壁面的最近距离。
在DES方法中，min(lk-ω,CDESΔ)替代lk-ω的值；其中Δ＝max(Δx,Δy,Δz)表示网格的最长边长；是一常数，其中常数由此可得，位于壁面边界层的区域ω值相当大，且湍动能k值有限；lk-ω远小于网格单元尺寸，雷诺时均方法起作用；在远离壁面的区域，ω值很小，当lk-ω＞CDESΔ时，大涡模拟方法起作用。
步骤2：根据步骤1构建的模型构建高速受电弓三维实体计算模型；选取计算区域并进行网格划分；
构建的模型如图1所示，采用真实受电弓1:1大小的模型，受电弓由滑板、弓头支架、上框架、下臂杆、底架、拉杆等部件组成。
本发明中主要分析受电弓滑板的非定常气动特性，但上框架对弓头气动力也有影响，因此不仅保留弓头支撑装置和滑板等结构，同时考虑受电弓上框架、下臂杆的影响；计算模型的网格划分需要保证计算精度的要求；弓头附近流场变化是受电弓非定常特性分析的重点，对弓头和靠近弓头壁面区域的网格进行加密；DES模拟中为保证壁面的第一层网格大小满足湍流模型的要求Y+，壁面边界层第一层网格设置为0.001m，计算模型的总网格数为820万。
为了进一步简化计算过程，可以将三维模型进行简化处理，主要分析滑板、弓头支架、上框架、下臂杆所受的非定常气动力。
计算区域的选取遵循避免区域边界对弓头周围流场结构的影响，保证流场符合实际情况；本实施例中选取受电弓模型的高度为特征长度H＝1.32m，速度来流方法长度取12H，速度出口方向选取15H，左右及上下两侧的长度各取8H。
受电弓计算区域如图2所示，流场前速度入口面为长、宽各8H的正方形面，流场下壁面为长27H、宽8H的矩形面；流场后压力出口面为长、宽各为8H的正方形面；流场对称面包括顶面和两侧面三个长27H、宽8H的矩形面。
将三维模型导入Icem中，进行网格划分；点击Mesh、Global Mesh Parameters定义全局网格参数；其中Scale factor定义为1，Max element定义为0.8m；选择非结构四面体网格进行网格划分，Mesh Method下拉列表中选择Robust(Octree)；点击Model、Part MeshStep定义受电弓表面网格尺寸；Max size为0.01m；勾选Create Prim Layers复选框设置边界层网格，为保证壁面的第一层网格大小满足湍流模型的要求Y+，壁面边界层第一层网格设置为0.001m；其余参数保持默认设置，单击Compute按钮生成网格。
步骤3：设置滑板间距计算工况，将步骤2划分的网格文件导入Fluent进行仿真计算；
受电弓前后滑板不同间距主要研究不同水平距离下滑板气动力的影响情况，设置5个不同工况，每个工况之间的滑板间距相差90mm，分别为受电弓前后滑板的水平间距为270mm、受电弓前后滑板的水平间距为360mm、受电弓前后滑板的水平间距为450mm、受电弓前后滑板的水平间距为540mm、受电弓前后滑板的水平间距为630mm。
将网格文件导入Fluent进行求解计算设置，求解器选择压力基求解器，在Time下选中Transient单选按钮进行非稳态计算；在Problem Setup、Model中选择分离涡模拟方法和SST k-omega湍流模型；在Problem Setup、Materials中选择air物料性质；在SolutionMethods面板中对求解控制参数进行设置，面板中各个选项采用默认值；选择ProblemSetup、Boundary Conditions面板中对边界条件进行设置；为获得精确的求解结果，受电弓表面采用无滑移的壁面边界条件；速度入口面设置为速度入口边界，入口速度为350km/h；压力出口面设置为压力出口边界，压力出口的相对压强设置为0pa；对称面即顶面和两个侧面的边界条件设置为对称边界条件，壁面采用无滑移的壁面边界条件。
步骤4：将步骤3中的求解结果导入CFD-post中得到不同滑板间距下，弓头中心横截面和弓头支架横截面的速度等值线图和受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线，完成受电弓非定常特性分析。
将Fluent求解计算后的结果文件导入CFD-post中点击Insert Contour，在Location中选择弓头中心横截面、弓头支架横截面；Variable选择velocity得到不同滑板间距下，弓头中心横截面和弓头支架横截面的速度等值线图。图3为弓头中心横截面的速度等值线图；a中受电弓前后滑板横截面水平间距为270mm，b中受电弓前后滑板横截面水平间距为360mm，c中受电弓前后滑板横截面水平间距为450mm，d中受电弓前后滑板横截面水平间距为540mm，e中受电弓前后滑板横截面间距为630mm；图4为弓头支架横截面的速度等值线图；图3和图4表示受电弓周围流场流速大小，由弓头中心横截面和支架横截面速度等值线图可以显示周围流场流速情况；图中可以看出滑板尾流去的湍流流场和旋涡脱落；对比不同滑板间距，可以得到流场结构及紊乱程度的变化趋势；可以看出流场结构相对规则，实际使用时可以选择紊乱程度相对小的受电弓滑板间距。
在Fluent中点击Monitors、Force添加受电弓各部件瞬态气动升、阻力；将结果文件导入Oringin中绘制，得到不同滑板间距下，受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线；统计受电弓各部件非定常气动力时域均值和标准差如表1和表2所示；可以看出滑板间距改变时，受电弓滑板那气动力的变化大小和波动程度；图5和图6为受电弓滑板阻、升力时程曲线；横轴表示时间，纵轴为气动力大小；图5和图6中实线为滑板间距为270mm时滑板气动力时程曲线，虚线为滑板间距为360mm时滑板气动力时程曲线，点线为滑板间距450mm时滑板气动力时程曲线，点划线为滑板间距为540mm时滑板气动力时程曲线，双点划线为滑板间距为630mm时滑板气动力时程曲线；从图5和图6中可以看出不同滑板间距的受电弓滑板瞬态气动力随时间的变化情况；对比不同滑板间距，可以得到气动力均值、波动频率和波动幅值的变化情况；将数据导入Excel中统计受电弓各部件非定常气动力时域均值和标准差；可以看出滑板间距改变时，受电弓滑板气动力的变化大小和波动程度，实际使用时可以选择时域均值相对较小，标准差小的受电弓滑板间距。
表1受电弓滑板气动力时域均值
表2受电弓滑板气动力时域标准差
还可以通过快速傅里叶变换，根据步骤4得到的受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线得到功率谱密度曲线，获取不同滑板间距下受电弓滑板气动力的周期性波动情况。
在Matlab中通过快速傅里叶变换可以将受电弓滑板气动力的时域信息转换成频域信息分析滑板气动力功率随频率变换的情况；对于功率信号，由于持续时间有限，可以直接对信号进行傅里叶变换，然后对得到的幅度谱的模求平方，再除以持续时间来估计信号的功率谱，获得功率谱密度曲线，可以得到不同滑板间距下受电弓滑板气动力的周期性波动规律。
图7和图8为受电弓滑板阻、升力功率谱密度；横轴表示振动频率，纵轴为功率谱密度大小；实线为滑板间距为270mm时滑板气动力时程曲线，虚线为滑板间距为360mm时滑板气动力时程曲线，点线为滑板间距为450mm时滑板气动力时程曲线，点划线为滑板间距为540mm时滑板气动力时程曲线，双点划线为滑板间距为630mm时滑板气动力时程曲线；从图中可以看出不同滑板间距的受电弓气动力波动频率对应的功率谱密度变化情况；直观的显示了不同滑板间距的受电弓滑板功率谱密度波动规律和功率谱密度峰值以及气动力波动的频率带宽；考虑共振效应根据功率谱密度图中气动荷载主频分布与本身的固有模态频率的比较确定合适的受电弓滑板间距。根据功率谱密度图中功率谱密度峰值大小获得受电弓滑板间距，功率谱密度峰值较大代表气动荷载能量较大，气动荷载大作用时间长。
本发明采用分离涡模拟对不同间距的受电弓滑板非定常气动力进行模拟，对不同滑板间距的滑板气动力进行时域分析、频域分析；根据分析结果可以为受电弓滑板间距选择提供依据，改善其运行气动力特性条件，降低高速气流对弓网受流的扰动；为改善和解决高速气流对弓网受流的扰动现象提供方法参考，为高速受电弓气动特性的研究提供一种新的思路。
Claims (6)
1.一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建高速受电弓空气动力学模型；
步骤2：根据步骤1构建的模型构建高速受电弓三维实体计算模型；选取计算区域并进行网格划分；
步骤3：设置滑板间距计算工况，将步骤2划分的网格文件导入Fluent进行仿真计算；
步骤4：根据步骤3中的求解结果得到不同滑板间距下，弓头中心横截面和弓头支架横截面的速度等值线图和受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线，完成受电弓非定常特性分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据不同滑板间距下，受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线得到受电弓各部件非定常气动力时域均值和标准差；得到滑板间距改变时，受电弓滑板气动力均值的变化大小和波动程度。
3.根据权利要求1所述的一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过快速傅里叶变换，根据步骤4得到的受电弓前、后滑板的阻力时程曲线和升力时程曲线得到功率谱密度曲线，获取不同滑板间距下受电弓滑板气动力的周期性波动情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，其特征在于，步骤1构建高速受电弓空气动力学模型过程如下：
采用基于k-ωSST湍流模型的DES方法求解N-S方程：
式中：t为时间，ρ为密度，k为湍动能，xj为方向坐标，μj为气流速度分量，Pk为湍流生成项；σω、σω2、σk、β、γ均为经验常数，ω为湍流比耗散率，lk-ω为湍流尺度参数，F1为开关函数，μl为为层流粘性系数，μt为涡黏性系数；
混合函数F2为：
式中：y为第一层网格至壁面的最近距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，其特征在于，所述步骤2中三维实体计算模型包括滑板、弓头支架、上框架、下臂杆、底架和拉杆。
6.根据权利要求1所述的一种基于滑板间距的受电弓非定常特性的分析方法，其特征在于，所述步骤3中仿真计算中求解器为压力基求解器；模拟方法为分离涡模拟方法DES、湍流模型为SST k-omega、物料性质为空气；边界条件为受电弓表面和底面无滑移的壁面，速度入口面为速度入口边界，压力出口面为压力出口边界， 对称面的边界条件为对称边界条件。
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