受電弓導流板涵道式翼型氣動補償作用的數值模擬

莊林楠 王月明

(西南交通大學機械工程學院, 610031,成都∥第一作者，碩士研究生)

?

受電弓導流板涵道式翼型氣動補償作用的數值模擬

莊林楠 王月明

(西南交通大學機械工程學院, 610031,成都∥第一作者，碩士研究生)

利用Fluent軟件對受電弓導流板涵道式翼形氣動特性進行了二維數值研究,觀察了不同涵道位置情況下導流板翼形周圍流場的壓力分布和速度分布,求出了各情況下導流板受到的升力及阻力,最后對受電弓穩定受流的氣動補償控制做出可行性預測。

受電弓; 導流板; 涵道式翼形; 氣動補償

Author′s address School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, 610031,Chengdu,China

受電弓與接觸網間的良好接觸是保證電力機車高速運行時受電弓良好受流的基本條件。在列車高速運行時受電弓所受的空氣阻力很大,不僅影響弓網間的良好接觸,還增大了弓網磨損和氣動噪聲。若能實現受電弓主動補償控制,則受電弓的氣動特性就能有效地得到改善。使用導流板則是受電弓主動補償控制方法中的一大有效措施。圖1為受電弓導流板的示意圖[1]。

探究導流板對受電弓高速受流和氣動特性的影響,即是探究列車在高速運行時導流板產生的升力、阻力對受電弓接觸壓力的影響。由于導流板的橫剖面可以視為翼型,所以對導流板升力、阻力的研究可以歸結為對翼型升力、阻力的研究。

圖1 導流板示意圖

1 翼型介紹

1.1 翼型的幾何定義

(1) 一般翼型最左邊的點稱為前緣,最右邊的點稱為后緣或者尾緣。對于低速翼型而言,其前緣較鈍，呈類似圓弧的形狀；而后緣往往是尖的。

(2) 前緣和后緣的連線稱為弦線。弦線處于水平位置,因而可視為水平軸。弦線的長度稱為弦長,一般由CA表示。

(4) 厚度與彎度。厚度分布函數的最大值即為厚度,而中弧線的最大高度與水平軸的間距即為彎度。

圖2為翼型的幾何參數示意圖[2]。

圖2 翼型的幾何參數示意圖

1.2 翼型的氣動參數

翼型的氣動參數包括升力、阻力、升力系數、阻力系數、升阻比、力矩、力矩系數、壓力中心及焦點等。氣動力包括升力和阻力,還包含對力矩的分析。本文只對翼型受的升力、阻力及升力系數、阻力系數等進行著重分析與研究。

翼型在氣流中受到的總的氣動力R可分解為與來流垂直的升力L及與來流平行的阻力D(如圖3所示)[2]。升力來自上下翼面的壓力差,上翼面對于升力的貢獻是向上作用的負壓力(也就是吸力),下翼面對于升力的貢獻則是向上抬的正壓力。總的來說,上翼面的吸力比下翼面的壓力大得多。阻力源于壓力和摩擦力。L與D的比值稱為升阻比。

圖3 翼型氣動力分解示意圖

2 試驗使用的翼型及涵道

為了探究上下、前后對稱的特殊翼型在氣流場中的空氣動力學特性,為了實現翼型前后緣都能在流場中受升力影響而利用升力對受電弓導流板進行補償控制,本次試驗在E168翼型的基礎上對翼型作出了一些改造,創造出上下、前后對稱的翼型。翼型的最大厚度為12.2 mm,CA為123.4 mm。上下涵道搭載在列車車體上,可在上下移動涵道改變其垂向位置時使翼型產生較大的升力變化,進而尋求翼型升力最大時涵道的最佳垂向位置,以達到導流板最佳氣動補償的效果。涵道的長度是翼型CA的1.5倍,涵道的形狀則是兩端尖而中部平滑。圖4所示為翼型平衡位(翼型上下表面與上下涵道間距相等,間距為12.5 mm)。

圖4 翼型位于涵道中部(平衡位)時的示意圖

3 模擬仿真

圖4所示的平衡位是翼型上下表面距離上下涵道均為12.5 mm時的情況,而后將上下涵道視為整體,分別在其下移1、2、3 mm直至10 mm的不同情況下，采用Fluent軟件對翼型進行仿真分析,得出各種情況下翼型所受的升力和阻力值。

3.1 網格劃分及求解條件

由于翼型在涵道內上下移動,而建模和仿真計算是在翼型距離涵道上下表面不同距離的不同情況下分別進行,故以翼型處于平衡位的情況為例闡述網格劃分的細節、邊界條件及相關參數的選擇。

本文采用的是結構化C型網格。考慮到流場內不同區域氣流對翼型的作用不同,故采用分區域劃分網格的方法。由于在翼型附近流動參數的梯度比較大,網格劃分得密一些;流場外邊界附近流動參數的梯度接近于0,網格劃分得稀疏一些。總的來說，采用了自翼型向外漸疏的節點分布方式[3]。圖5為流場網格示意圖。

圖5 流場網格劃分圖

流場的外邊界采用速度入口,來流速度為0.245馬赫。因流體速度較低,將流體視為不可壓縮的黏性流體。紊流模型采用k-ε模型。松弛因子的設置如下:壓力為0.3,密度、質量力和湍流粘性均為1,動量為0.7,湍動能為0.8,湍流耗散率為0.8。動量、湍流動能、湍流耗散率均選用二階迎風格式。計算時監測翼型及上下涵道所受升力和阻力情況。

3.2 壓力云圖及速度云圖

翼型在涵道中所處的位置不同時,對壓力、速度分布及整個翼型附近風場分布的影響都各不相同。由圖6和圖7可知,翼型所受的風壓峰值位置大多在前緣附近，故加工時所要加強的部位是前緣部分,即導流板的迎風面。風通過翼型時,其前緣部分壓力值達到最大,從兩側逐漸減小[3]。由圖8和圖9可知,當涵道整體下移時,翼型上面的氣流速度逐漸增大,計算區域內的速度最大值增大,翼型上下區域內氣流的速度差也增大。

圖6 平衡位時的壓力分布云圖

圖7 涵道下移10 mm時的壓力分布云圖

圖8 平衡位時的速度分布云圖

圖9 涵道下移10 mm時的速度分布云圖

3.3 翼型的升力和阻力特性

隨著翼型涵道相對位置的改變,翼型在氣流場中所受的氣流影響也發生改變,因而在涵道位置不同情況下翼型所受的升力和阻力也就不同。表1所示為涵道位置下移不同情況下,翼型所受的升力和阻力值。

由于在建模過程中對翼型和上下涵道沒有設置重力,故豎直方向上不存在對涵道和翼型產生影響的力。所以,當把上下涵道作為一個整體上下移動相同距離時,上移和下移翼型所受的升力數值相等,方向相反;而阻力的數值保持不變,方向也同樣與來流方向相反。因而可以,推斷出當涵道整體上移時翼型所受的升力和阻力。當涵道下移時,翼型所受的升力方向向上,為正升力;而當涵道上移時,翼型所受升力方向向下,為負升力。涵道上移位置不同時翼型升力、阻力,數值如表2所示。

表1 涵道下移時翼型的升力和阻力值

表2 涵道上移時翼型的升力和阻力值

由表1和表2的數據可以得出翼型在涵道中不同位置時所受的升力、阻力的變化曲線圖,如圖10所示(其中翼型處于平衡位的情況是處于坐標原點,而涵道下移時記為正,為X軸的正半軸;涵道上移時記為負,為X軸的負半軸)。

圖10 翼型升力、阻力變化曲線

由升力、阻力變化曲線可以看出翼型在涵道內升力變化是遠大于其氣動阻力的,而且涵道位置較小的變化也能使翼型所受升力產生較大變化。升力的變化幅度較大且隨著遠離平衡位逐漸放緩。在一定范圍內可通過改變涵道的垂直位置改變導流板的氣動升力，進而改變弓網間接觸力,為受電弓穩定受流提供良好的條件。

3.4 導流板氣動補償作用分析

由前述的數值模擬結果及升力、阻力曲線可以看出,通過控制涵道與翼型的垂向相對位置可以提供-200～200 N的氣動升力,且在該區段內升力呈近似的線性變化。

列車運行速度為300～350 km/h時,當TSG19型受電弓處于開口狀態時,受電弓產生的氣動升力大約為90～130 N;閉口時產生的升力約為50～60 N(如圖11所示)[1]。涵道式導流板翼型能提供多達200 N的氣動補償力,所以通過改變涵道的垂向位置以使導流板產生氣動升力，進而對受電弓受流進行主動控制的可行性較大。

圖11 TSG19型受電弓的氣動抬升力

4 結語

本文在受電弓導流板翼型E168的基礎上對翼型進行改良。結合車載涵道,利用Fluent軟件對涵道式翼型進行建模、仿真分析,觀察不同涵道位置情況下翼型周圍的風場情況,包括壓力分布速度分布等,并從中獲得翼型在各情況下的升力和阻力值,為導流板應用于改善受電弓受流穩定提供可行性研究。分析表明:在改變涵道位置時,導流板橫截面翼型能產生有效的氣動升力,同時保證氣動阻力變化不大,而且相比于升力,氣動阻力造成的影響很小。可為受電弓與接觸網的良好接觸提供可靠控制,從而改善受電弓氣動特性,滿足高速受流要求。

[1] 歐陽鵬,柳萍,王月明,等.受電弓導流板氣動特性的二維數值研究[J].電力機車與城軌車輛,2010,33(6):17.

[2] 吳子牛.空氣動力學(上冊)[M].北京:清華大學出版社,2007.

[3] 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算實例與分析[M].北京:北京理工大學出版社,2009.

[4] 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2005.

[5] 于勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京:北京理工大學出版社,2008.

[6] 徐華舫.空氣動力學基礎(上冊)[M].北京:北京航空學院出版社,1986.

Numerical Simulation on Aerodynamic Air Supply of the Pantograph Culvert Airfoil

ZHUANG Linnan, WANG Yueming

Fluent software is used for the study of 2-D numerical simulation on the aerodynamic characteristic of culvert airfoil, the static pressure and speed distributions of the airflow field surrounding the airfoil under different vertical positions of culvert are monitored. Then the lift force and drag force acting upon the air deflector in each position is calculated, the result leads to a feasibility prediction on the aerodynamic air supply control of pantograph’s air deflector in order to ensure the stable power-receiving.

pantograph; air deflector; culvert airfoil; aerodynamic air supply

TM 922.6

10.16037/j.1007-869x.2016.06.018

2014-09-22)