详情

原文传递横风作用下高速列车受电弓气动特性及优化研究

论文题名：	横风作用下高速列车受电弓气动特性及优化研究
关键词：	高速列车;受电弓;气动特性;优化设计;横风载荷
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。
作者：	赵萌
专业：	流体力学
导师：	毛军
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文