CN110851914A - 一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法，运用CFD(Computational Fluid Dynamics)的方法并结合动网格法对隧道工况下高速列车运行过程中受电弓受到的空气阻力进行数值模拟计算，通过分析数值模拟计算结果及受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器在受电弓结构表面的位置分布。本发明针对明线工况与隧道工况切换情况下，风压传感器因位置分布不合理而无法提供有效数据反馈信息的问题提出，为受电弓主动控制系统中风压传感器的位置分布提供参考，特别适用于隧道工况下高速列车受电弓结构表面风压计算。

Description

一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法

技术领域

本发明涉及受电弓受流质量技术领域，尤其涉及一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法。

背景技术

随着我国高铁技术和市场占有量逐步处于世界领先地位，受电弓与接触网关系成为亟待优化的问题。我国高铁动车组均采用电力驱动，受电弓受流成为保证列车能源动力输入的关键环节。因此，保证和提升受流质量，成为我国高速铁路列车技术中关键的优化方向之一。为此，对受电弓控制技术提出了新的要求。

在受电弓受流质量评价中，弓网接触力是其中一个重要的评价指标。产生弓网接触力的因素较多，其中三个因素由受电弓与接触网本身的材质和结构所决定，分别为：升弓系统对滑板造成的竖直向上的静态接触力、接触网本身材质弹性差异造成的受电弓与本身归算质量相关的上下交变动态接触力、以及受电弓各部件连接造成的阻尼力。在沿用现有设计方案的情况下，这三种因素造成的弓网接触力均保持固定，唯一在列车运行过程中会因工况条件不同而产生变化的是受电弓受气流影响造成的空气阻力及表面压力，不确定的气流会使弓网接触力过大或过小，都会引起较大的机械磨损和离线率增加。

受力情况对于实现受电弓主动控制至关重要，特别是列车运行过程中，如遇隧道等线路条件，受电弓所受空气阻力与隧道空气附加阻力总和变化明显，造成的弓网接触压力波动较大。而在受电弓表面布设风压传感器，并将风压传感器反馈的数据作为参数输入受电弓控制系统，成为目前较为简单可靠的方法。但在风压传感器的布设过程中，如果风压传感器布置在受电弓表面风压分布较为特殊的位置，例如因存在前置结构或周围结构等，气流流经此位置表面时压力会受此类因素的影响，不能作为代表性数据输入受电弓控制系统，因此，风压传感器的安装位置对于检测受电弓结构表面风压分布信息至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法，用以解决明线工况与隧道工况切换情况下，风压传感器因位置分布不合理而无法提供有效数据反馈信息的问题。

因此，本发明提供了一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法，包括如下步骤：

S1：根据列车的形状和尺寸以及受电弓结构相对列车的位置和尺寸，构建列车和受电弓结构模型；

S2：根据真实物理空间尺寸比例构建计算域模型，并根据隧道阻塞比在所述计算域模型中构建隧道模型；

S3：对由所述列车和受电弓结构模型、所述计算域模型以及所述隧道模型组成的整体模型进行网格化，并设置所述整体模型的边界条件；

S4：对所述列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并在Fluent求解器中选中所述UDF文件或所述Profile文件；

S5：根据所述整体模型和所述整体模型的网格复杂程度，设置计算步长，并根据所述列车和受电弓结构模型的运动速度，设置计算步数，开始数值模拟计算；

S6：在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并根据所述数值模拟计算结果，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图；其中，所述数值模拟计算结果包括随时间变化的受电弓结构表面受空气阻力值；

S7：根据所述数值模拟计算结果和所述受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器的位置分布。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，步骤S3，对由所述列车和受电弓结构模型、所述计算域模型以及所述隧道模型组成的整体模型进行网格化，并设置所述整体模型的边界条件，具体包括如下步骤：

S31：对由所述列车和受电弓结构模型、所述计算域模型以及所述隧道模型组成的整体模型进行网格化，并选用四面体结构网格对列车头部与受电弓结构周围进行局部网格加密；

S32：采用动网格，设置交换面以及列车和受电弓结构模型网格运动速度、运动方向和运动路径；其中，所述运动速度的数值采用列车的实际运动速度，所述运动方向平行于地面，所述运动路径经过隧道；

S33：将所述列车和受电弓结构模型的壁面设置为滑移壁面边界条件，且其他壁面无滑移。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，在执行步骤S4，对所述列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并在Fluent求解器中选中所述UDF文件或所述Profile文件之前，编辑profile文件如下：

((velocity transient 3 1)

(time 1 2 3)

(u 83.3 83.3 83.3)

)

其中，“velocity”为profile文件的名称，“transient”表示计算过程为瞬态，首行“3”表示一个周期内包含的变量个数，首行“1”表示使用周期功能，第二行表示时间变量，第三行表示所述列车和受电弓结构模型的运动速度。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，计算步长为0.001s，计算步数为5000。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，步骤S6，在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并根据所述数值模拟计算结果，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图，具体包括如下步骤：

S61：在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并将所述数值模拟计算结果的文件输入结果后处理软件，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，步骤S7，根据所述数值模拟计算结果和所述受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器的位置分布，具体包括如下步骤：

S71：根据所述数值模拟计算结果和所述受电弓结构表面风压分布图，确定受电弓结构表面风压分布状态及风压分布图平稳区域；

S72：在所述风压分布图平稳区域中的两个对称位置布置一对风压传感器。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，在执行步骤S72之后，还包括如下步骤：

S73：在所述风压分布图平稳区域以外区域中的任一位置布置一风压传感器。

本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法，运用CFD(ComputationalFluid Dynamics)的方法并结合动网格法对隧道工况下高速列车运行过程中受电弓受到的空气阻力进行数值模拟计算，通过分析数值模拟计算结果及受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器在受电弓结构表面的位置分布。本发明针对明线工况与隧道工况切换情况下，风压传感器因位置分布不合理而无法提供有效数据反馈信息的问题提出，为受电弓主动控制系统中风压传感器的位置分布提供参考，特别适用于隧道工况下高速列车受电弓结构表面风压计算。

附图说明

图1为本发明提供的一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法的流程图之一；

图2为以高铁列车CRH380A为例构建的列车模型和受电弓结构模型的侧视图；

图3为以高铁列车CRH380A为例构建的列车模型和受电弓结构模型的正视图；

图4为以高铁列车CRH380A为例构建的隧道模型和计算域模型的示意图；

图5为本发明提供的一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法的流程图之二；

图6为图5对应的流程示意图；

图7为列车模型和受电弓结构模型网格化效果图；

图8为列车模型、隧道模型和计算域模型网格化效果图；

图9为动网格交换面原理示意图；

图10为本发明提供的一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法的流程图之三；

图11为本发明提供的一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法的流程图之四；

图12为本发明提供的一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法的流程图之五。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：根据列车的形状和尺寸以及受电弓结构相对列车的位置和尺寸，构建列车和受电弓结构模型；

S2：根据真实物理空间尺寸比例构建计算域模型，并根据隧道阻塞比在计算域模型中构建隧道模型；

S3：对由列车和受电弓结构模型、计算域模型以及隧道模型组成的整体模型进行网格化，并设置整体模型的边界条件；

S4：对列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并在Fluent求解器中选中UDF文件或Profile文件；

S5：根据整体模型和整体模型的网格复杂程度，设置计算步长，并根据列车和受电弓结构模型的运动速度，设置计算步数，开始数值模拟计算；

S6：在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并根据数值模拟计算结果，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图；其中，数值模拟计算结果包括随时间变化的受电弓结构表面受空气阻力值；

S7：根据数值模拟计算结果和受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器的位置分布。

本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法，运用CFD(ComputationalFluid Dynamics)的方法对隧道工况下高速列车运行过程中受电弓受到的空气阻力进行数值模拟计算，通过分析数值模拟计算结果及受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器在受电弓结构表面的位置分布。本发明针对明线工况与隧道工况切换情况下，风压传感器因位置分布不合理而无法提供有效数据反馈信息的问题提出，为受电弓主动控制系统中风压传感器的位置分布提供参考，特别适用于隧道工况下高速列车受电弓结构表面风压计算。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中的步骤S1，根据列车的形状和尺寸以及受电弓结构相对列车的位置和尺寸，构建列车和受电弓结构模型时，具体构建如下：在三维构型软件(例如，SOLIDWORKS、CATIA、CAXA等)中按照实际尺寸构建列车模型，以我国现行常见的高铁列车CRH380A为例，应绘制全部8节车厢编组，头车的长度为26.5米，中间车的长度为25米，车厢的宽度为3.38米，车厢的高度为3.9米，并且，车头及车尾造型与实际保持一致。之后按照受电弓相对列车车身的实际相对位置及尺寸绘制受电弓结构模型，构建的列车模型1和受电弓结构模型2如图2(侧视图)和图3(正视图)所示。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中的步骤S2，根据真实物理空间尺寸比例构建计算域模型，并根据隧道阻塞比在计算域模型中构建隧道模型时，具体构建如下：在三维构型软件(例如SOLIDWORKS、CATIA、CAXA等)中构建广阔的计算域模型，计算域模型的尺寸应远远大于高铁列车的车身结构尺寸，如列车的初始位置处于长、宽、高分别为140m、60m、36m的方形开阔空间内。为了模拟高铁列车进出隧道过程受电弓所受空气阻力变化，可以按照实际隧道的阻塞比在计算域模型中构建隧道模型并赋予一定的长度，如隧道的长度为400m，构建的计算域模型3和隧道模型4如图4所示。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中的步骤S3，对由列车和受电弓结构模型、计算域模型以及隧道模型组成的整体模型进行网格化，并设置整体模型的边界条件时，如图5(流程图)和图6(流程示意图)所示，具体可以包括如下步骤：

S31：对由列车和受电弓结构模型、计算域模型以及隧道模型组成的整体模型进行网格化，并选用四面体结构网格对列车头部与受电弓结构周围进行局部网格加密；列车模型1和受电弓结构模型2网格化效果如图7所示，列车模型1、隧道模型4和计算域模型3网格化效果如图8所示；例如，列车头部壁面网格尺寸为0.05m；

S32：采用动网格，设置交换面以及列车和受电弓结构模型网格运动速度、运动方向和运动路径；其中，运动速度的数值采用列车的实际运动速度，运动方向平行于地面，运动路径经过隧道；动网格交换面原理示意图如图9所示，列车模型1从隧道模型的入口5进入，首先进入第一区域6，通过交换面7与第二区域8进行信息交换，在此过程中，隧道模型的壁面9保持相对稳定；

S33：将列车和受电弓结构模型的壁面设置为滑移壁面边界条件，且其他壁面无滑移。这样设置的原因是由于仿真计算模拟的是列车运动过程中受电弓所受的空气阻力。

在具体实施时，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，相对于隧道模型和计算域模型，列车和受电弓结构模型处于运动状态，为了在Fluent求解器软件中描述列车和受电弓结构模型的运动方向及运动速度等参数，在执行步骤S4，对列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并在Fluent求解器中选中UDF文件或Profile文件之前，以Profile文件为例，编辑profile文件具体如下：

((velocity transient 3 1)

(time 1 2 3)

(u 83.3 83.3 83.3)

)

其中，“velocity”为profile文件的名称，“transient”表示计算过程为瞬态，首行“3”表示一个周期内包含的变量个数，首行“1”表示使用周期功能，第二行表示时间变量，第三行表示列车和受电弓结构模型的运动速度。

在具体实施时，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，数值模拟计算能否顺利进行，与所设置的计算步长具有密切关系，计算步长不宜设置较大，否则，数值模拟计算过程中容易出现中断或者结果发散，然而，如果计算步长设置较小，对于相同的物理运动时间则需要更长的计算时间。根据本发明整体模型及其网格的复杂程度，计算步长宜选取0.001s，以捕捉所有细微物理扰动。另外，为了获得受电弓进出隧道时刻及在隧道中稳定运行时的受空气阻力情况，需要根据列车和受电弓结构模型的运动速度，设置适合的计算步数，本发明可以将计算步数设置为5000，即模拟列车和受电弓结构模型在物理时间5s内的运动情况。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中的步骤S6，在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并根据数值模拟计算结果，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图时，如图10所示，具体可以包括如下步骤：

S61：在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并将数值模拟计算结果的文件输入结果后处理软件，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图。具体地，结果后处理软件可以为CFD-POST，选取受电弓部分，并以时间轴为变量读取受电弓结构表面受空气阻力值及受电弓结构表面风压分布图。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中的步骤S7，根据数值模拟计算结果和受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器的位置分布时，如图11所示，具体可以包括如下步骤：

S71：根据数值模拟计算结果和受电弓结构表面风压分布图，确定受电弓结构表面风压分布状态及风压分布图平稳区域；具体地，风压分布图平稳区域为受电弓结构表面风压分布图中颜色相对均匀的区域，即风压变化较为平稳的区域；

S72：在风压分布图平稳区域中的两个对称位置布置一对风压传感器。具体地，理想状态下，受电弓结构表面风压分布呈现轴对称，因此，可以在风压分布图平稳区域中的两个对称位置布置一对风压传感器。

较佳地，在本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法中，在执行步骤S72，在风压分布图平稳区域中的两个对称位置布置一对风压传感器之后，如图12所示，还可以包括如下步骤：

S73：在风压分布图平稳区域以外区域中的任一位置布置一风压传感器。具体地，风压分布图平稳区域以外的区域为受电弓结构表面风压分布图中颜色相对不均匀的区域，即风压变化较为剧烈的区域，例如，风压值受周围结构或零部件干涉或影响的区域，该区域内设置的风压传感器的数据可以与风压分布图平稳区域内设置的风压传感器的数据做对比，从而可以排除波动较大的随机误差影响。

本发明提供的上述受电弓表面风压数值模拟方法，运用CFD(ComputationalFluid Dynamics)的方法并结合动网格法对隧道工况下高速列车运行过程中受电弓受到的空气阻力进行数值模拟计算，通过分析数值模拟计算结果及受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器在受电弓结构表面的位置分布。本发明针对明线工况与隧道工况切换情况下，风压传感器因位置分布不合理而无法提供有效数据反馈信息的问题提出，为受电弓主动控制系统中风压传感器的位置分布提供参考，特别适用于隧道工况下高速列车受电弓结构表面风压计算。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种面向风压传感器分布的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据列车的形状和尺寸以及受电弓结构相对列车的位置和尺寸，构建列车和受电弓结构模型；

S2：根据真实物理空间尺寸比例构建计算域模型，并根据隧道阻塞比在所述计算域模型中构建隧道模型；

S3：对由所述列车和受电弓结构模型、所述计算域模型以及所述隧道模型组成的整体模型进行网格化，并设置所述整体模型的边界条件；

S4：对所述列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并在Fluent求解器中选中所述UDF文件或所述Profile文件；

S5：根据所述整体模型和所述整体模型的网格复杂程度，设置计算步长，并根据所述列车和受电弓结构模型的运动速度，设置计算步数，开始数值模拟计算；

S6：在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并根据所述数值模拟计算结果，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图；其中，所述数值模拟计算结果包括随时间变化的受电弓结构表面受空气阻力值；

S7：根据所述数值模拟计算结果和所述受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器的位置分布。

2.如权利要求1所述的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，步骤S3，对由所述列车和受电弓结构模型、所述计算域模型以及所述隧道模型组成的整体模型进行网格化，并设置所述整体模型的边界条件，具体包括如下步骤：

S31：对由所述列车和受电弓结构模型、所述计算域模型以及所述隧道模型组成的整体模型进行网格化，并选用四面体结构网格对列车头部与受电弓结构周围进行局部网格加密；

S32：采用动网格，设置交换面以及列车和受电弓结构模型网格运动速度、运动方向和运动路径；其中，所述运动速度的数值采用列车的实际运动速度，所述运动方向平行于地面，所述运动路径经过隧道；

S33：将所述列车和受电弓结构模型的壁面设置为滑移壁面边界条件，且其他壁面无滑移。

3.如权利要求1所述的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，在执行步骤S4，对所述列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并在Fluent求解器中选中所述UDF文件或所述Profile文件之前，编辑profile文件如下：

((velocity transient 3 1)

(time 1 2 3)

(u 83.3 83.3 83.3)

)

其中，“velocity”为profile文件的名称，“transient”表示计算过程为瞬态，首行“3”表示一个周期内包含的变量个数，首行“1”表示使用周期功能，第二行表示时间变量，第三行表示所述列车和受电弓结构模型的运动速度。

4.如权利要求1所述的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，计算步长为0.001s，计算步数为5000。

5.如权利要求1所述的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，步骤S6，在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并根据所述数值模拟计算结果，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图，具体包括如下步骤：

S61：在数值模拟计算完成后，保存数值模拟计算结果，并将所述数值模拟计算结果的文件输入结果后处理软件，得到随时间变化的受电弓结构表面风压分布图。

6.如权利要求1所述的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，步骤S7，根据所述数值模拟计算结果和所述受电弓结构表面风压分布图，确定风压传感器的位置分布，具体包括如下步骤：

S71：根据所述数值模拟计算结果和所述受电弓结构表面风压分布图，确定受电弓结构表面风压分布状态及风压分布图平稳区域；

S72：在所述风压分布图平稳区域中的两个对称位置布置一对风压传感器。

7.如权利要求6所述的受电弓表面风压数值模拟方法，其特征在于，在执行步骤S72之后，还包括如下步骤：

S73：在所述风压分布图平稳区域以外区域中的任一位置布置一风压传感器。

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