擋風墻尾流作用下導線表面粗糙度對接觸網正饋線氣動特性的影響

趙珊鵬，岳永文，張友鵬

(蘭州交通大學 a.自動化與電氣工程學院；b.甘肅省軌道交通電氣自動化工程實驗室，蘭州 730070)

蘭新高鐵地處中國西北地區，途經國內五大風區，常年有7～8級的大風天氣出現，對蘭新高鐵列車安全運行造成了很大影響[1-2]。在大風區段為了抵御風沙對蘭新高鐵高速列車運行的影響，在鐵路沿線建設了擋風墻，防止列車運行中發生傾翻、脫軌等事故，擋風墻及接觸網結構如圖1所示。現場運營中發現擋風墻可以有效防止大風對列車運行的影響，但擋風墻“防車不防網”使接觸網正饋線周圍的氣流風速增強，從而導致正饋線發生舞動現象[3-5]。擋風墻尾流作用下正饋線周圍氣流會發生劇烈變化，而且導線表面流場具有隨機性和短暫性，因此有必要對擋風墻尾流影響下正饋線的氣動及流場特性進行深入研究。

圖1 蘭新高鐵擋風墻及接觸網結構示意圖

導線氣動特性研究屬于圓柱繞流問題，國內外較多學者進行了相關研究，因導線占整體模型比例較小且便于網格劃分，已有研究大多忽略了導線表面粗糙度對導線繞流的影響。Fage等[6]認為在流體力學中，當圓柱表面的這些凹凸小到不影響其繞流特性的測試時，可認為圓柱是光滑的。Tabatabai等[7]利用風洞試驗研究導線的氣動力特性時，常采用圓形導線代替真實導線，忽略絞線表面粗糙度的影響。張友鵬等[8]研究了擋風墻對正饋線氣動特性的影響，未考慮正饋線表面粗糙度對正饋線氣動特性的影響。同時一些學者也關注到導線表面粗糙度對于導線或圓柱繞流具有一定影響。在常規的輸電線體系中，導線截面的形狀對其氣動力特性產生重要的影響，作用在導線上的風荷載占整個輸電線塔體系風荷載的60%～80%[9]。Votaw等[10]分別對光滑圓柱和多根不同絞線在雷諾數Re=200、500下進行了對比測試，并未發現斯托勞哈爾數發生變化。研究結果表明，在低雷諾數下導線表面邊界層厚度比導線粗糙度大，絞線被埋沒在邊界層內，從而不會因為表面粗糙度的變化引起導線表面流場及相應流體參數發生變化，但沒有對雷諾數較大情況進行研究測試。Relf等[11]在英國國家實驗室，測試雷諾數為Re=5×104時，不同圓柱表面的氣動系數，測試得到多絞線阻力系數CD=1，而光滑圓柱的阻力系數CD=1.19，驗證了相對于光滑表面絞線表面粗糙度對阻力系數有明顯的影響。劉軍[12]對光滑導線和真實輸電導線進行流固耦合數值計算，研究導線表面粗糙度對導線氣動力以及流固耦合響應的影響。黨朋等[13]通過風洞試驗裝置對常規同心絞線、型線同心絞線和新型同心絞線的風阻力進行測試，新型絞線的風阻力系數隨風速的增加而減小，常規絞線和型線絞線的風阻力系數隨風速變化規律不同，得出絞線表面粗糙度會對導線風阻力系數產生影響。林影超[14]利用圖像采集與處理的手段獲得導線表面的粗糙度，并通過實驗分析了導線表面粗糙度隨風沙流侵蝕的變化程度，以及不同風速對導線表面粗糙度的影響。Rodrguez等[15]對粗糙與光滑圓柱進行繞流研究，結果表明表面粗糙度會觸發邊界層向湍流過度，相對光滑表面考慮粗糙度會使阻力系數增大。Stringer等[16]在研究大范圍雷諾數的圓柱繞流非定常RANS計算過程中，在雷諾數較大的情況下沒有考慮圓柱表面的粗糙度對計算的影響，研究發現隨著雷諾數的增大圓柱表面邊界層減小，因此當邊界層減小的時候圓柱表面的粗糙度就不應該被簡單忽略。故在大風環境及擋風墻二次加速作用下研究接觸網正饋線的氣動特性，不能將具有一定表面粗糙度的正饋線簡單地等效為光滑表面的圓柱導線。

筆者建立5種不同表面粗糙度的導線模型，在保證不同導線模型周圍網格質量不變的情況下，分塊劃分整體計算域的流體網格。對不同表面粗糙度正饋線進行數值分析，研究擋風墻尾流作用下不同表面粗糙度對正饋線氣動系數及導線流場的影響。根據所得的研究結果，可以為大風環境下接觸網正饋線的架設及防舞提供一定的理論依據。

1 數值計算及網格優化

1.1 模型及數值計算

為研究大風區蘭新高鐵沿線擋風墻尾流作用下導線表面粗糙度對接觸網正饋線氣動特性產生的影響，選取現場架設的鋼芯鋁絞線(LBGLJ-300/25)建立正饋線模型[17]。正饋線是由7根鋼股和48根鋁股絞合而成，最外層鋁股數為22，實物及截面模型如圖2所示。

圖2 鋼芯鋁絞線(LBGLJ-300/25)實物及模型

導線繞流問題一般采用黏性流體力學模型分析，在黏性流體力學中，流體的運動規律可用N-S方程進行描述，其在慣性直角坐標系下的連續性方程以及動量方程可表示為[18]：

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；t為流動時間；i,j=1,2,3；μ為流體的動力黏性系數；Fi為流體微元在i方向所受到的力。

正饋線的升力系數CL、阻力系數CD、斯托羅哈爾數St及雷諾數Re定義為

(3)

式中：FD、FL為導線所受氣動升力和阻力；ρ為空氣密度；U為入口風速；D為正饋線外圍直徑；f為旋渦脫落頻率；μ為流體動力黏度。

1.2 計算域網格優化

文章旨在研究擋風墻尾流作用下，導線表面粗糙度對正饋線氣動特性的影響。因擋風墻的高度為3.5 m，為避免流體計算域邊界對擋風墻周圍氣流產生干擾，結合現場環境選取整體計算域大小為23.8 m×15 m。計算域整體尺寸較大，而正饋線尺寸較小，兩者相差懸殊，為提高導氣線動特性計算結果的準確性，須保證導線周圍網格質量。為節省計算資源，對整體計算域進行分區域劃分，各區域之間通過Interface交界面進行流體交換與傳遞。對導線周圍的流體計算域網格進行加密處理，在保證導線周圍計算域網格高質量要求的前提下，減少遠離導線的無關網格數量，可以大幅節省計算資源，提高計算效率，流體計算域網格如圖3所示。

圖3 流體計算域網格示意圖

流體計算域是CFD數值計算的載體，導線周圍網格的質量直接影響計算的效率及精確性。為了確保網格的高度獨立性，采用低雷諾數的網格劃分方法。y+值表示首層節點到無滑移壁面的無量綱距離，通常對流體的密度和黏度特性進行無量綱化，將首層節點距離與剪切應力τω相關聯。保證網格在確定的約束條件下，采用基于平板理論的經驗公式[18]，為

(4)

式中：y1為網格徑向高度；y+為首層節點到壁面的無量綱距離；τω為剪切應力；ρ流體密度；v流體黏度；D導線直徑；Re為雷諾數。

通過對導線周圍網格進行圓形分塊加密可以較好地起到過渡作用，如圖4(a)所示。為確保正饋線周圍網格質量，在導線周圍取0.5D的加密層，確保不因網格差異引起流場變化，并對不同分塊之間的網格進行精確匹配，如圖4(b)所示。Re較高時，對近壁面網格要求極高，壁面網格的法向增長率取1.02，確保邊界層中至少有5層網格單元，壁面網格周向寬度與徑向高度y1的長寬比保持在20∶1以下。

圖4 分塊網格及近壁面網格

為提高模型對速度較大和壓強較高氣流的敏感度，選取Transition SST模型進行流體仿真，是因為Transition SST模型對速度較大和壓強較高的氣流較為敏感，可以很好地處理正饋線表面的壓力變化及高雷諾數的圓柱繞流問題，所得結果與試驗結果更加吻合[19]。計算域邊界條件設置：氣流從左向右垂直進入模型的流場，左側邊界為速度入口邊界，在流體軟件中設置不同的入口風速進行仿真計算，導線表面采用無滑移壁面邊界，右側邊界為壓力出口邊界。速度壓力耦合采用SIMPLEC算法，壓力方程用二階離散精度，動量用二階迎風模式。迭代收斂殘差值為1×10-5，計算時間步長取0.01 s。

2 仿真驗證

為研究擋風墻對來流風的匯聚加速作用，建立了風洞試驗裝置，由風機、大開角段、穩定段、收縮段、試驗段和擴散段組成，如圖5所示。

圖5 風洞試驗裝置

在試驗段中搭建縮尺擋風墻模型,在試驗段中搭建縮尺擋風墻模型,通過風機調頻控制，模擬不同入口風速，利用風速測量儀監測檔風墻后方正佛線位置處氣流的增速情況。并建立相同的試驗段仿真模型進行仿真計算，試驗段模型流體計算域網格如圖6所示。

圖6 試驗段流體計算域網格

對比不同入口風速下試驗測量與仿真計算結果，如表1所示。

表1 不同風速入口下風速試驗測量與仿真計算對比

對比表1中試驗測量與仿真計算的數據，可知在入口風速低于10.14 m/s時，仿真監測風速略大于試驗測量風速；入口風速大于13.03 m/s時，仿真監測風速略小于試驗測量風速。考慮到試驗裝置的制作工藝及測量誤差，產生的誤差在合理范圍內，從而驗證了擋風墻對來流風的增速效果以及所采用仿真計算方法的正確性。

在研究過程中發現擋風墻會對正饋線處氣流速度及周圍流場產生重要影響，擋風墻后方產生的不規則大渦流也會一定程度上影響導線周圍流場，如圖7所示。

3 正饋線不同表面粗糙度的影響

3.1 不同截面模型及近壁面網格

根據導線的結構特征，導線表面的粗糙度可以量化為表面凸起的平均尺寸K與導線外徑D之比[6]，如圖8所示。

圖8 導線表面粗糙度

根據絞線表面粗糙度的計算方法，正饋線表面不同絞凸數對應導線表面粗糙度如表2所示。

表2 正饋線的表面粗糙度與絞凸數

鋼芯鋁絞線的表面結構具有一定的絞凸特性，在風速較大環境下導線表面邊界層的厚度會減小，導線表面凸起的部分暴露在邊界層外部，從而會影響導線的氣動特性[20]。在保證外徑相同(23.76 mm)的前提下，建立5種不同表面粗糙度的導線模型如圖9所示。

圖9 不同表面粗糙度的正饋線模型

為更好地分析導線表面粗糙度對正饋線氣動特性產生的影響，在確保正饋線外域流場網格不變的情況下，僅更新不同導線表面粗糙度模型周圍的網格，以提高仿真效率和準確度，不同表面粗糙度導線周圍網格如圖10所示。

圖10 不同表面粗糙度的正饋線近壁面網格

3.2 不同表面粗糙度對導線周圍流場的影響

對不同表面粗糙度正饋線周圍流場進行可視化分析，可以得到不同表面粗糙度導線尾部流場的變化規律。入口風速為15 m/s時1～4 s時刻正饋線周圍流場分布如圖11所示。

圖11 入口風速15 m/s時不同表面粗糙度正饋線尾部流場圖

圖11(a)為正饋線表面粗糙度為11.62%時尾跡區流場特征。從圖中可以看出，在一個周期內導線上表面附近的旋渦最先出現流場分離，隨后在導線后方逐漸拉伸變小形成2個交替變化的旋渦，并且在導線最下方凹凸處會產生一小一大逆時針旋轉的微型旋渦。圖11(b)為正饋線表面粗糙度為9.18%時尾跡區流場特征，在一個周期內導線下表面附近的旋渦最先出現流場分離，其尾跡區流場特性與表面粗糙度為11.62%時的流場特性相似，凹陷處產生的微型旋渦有所減小。圖11(c)為正饋線表面粗糙度為7.40%時尾跡區流場特征，導線上表面和下表面流場分離產生的旋渦較大且呈對稱分布，凹陷處產生的微型旋渦相比前2種粗糙度模型明顯變小。圖11(d)為正饋線表面粗糙度為5.61%時尾跡區流場特征，相比前幾種表面粗糙度較大的模型，該模型尾跡處流場特性最為復雜。由于受來流角度的影響，在一個周期內導線下表面會產生多個逆時針旋轉的漩渦并逐漸合并，不斷發展為一個大的旋渦，隨后導線上、下表面分離旋渦發生交替脫落，并且導線凹凸處產生的漩渦更小。

綜上所述，不同表面粗糙度的正饋線尾跡區產生的流場漩渦會發生明顯差異，不同粗糙度導線尾部流場漩渦的脫落方式也不同。粗糙導線的表面流場會出現提前分離現象，并且會在絞線凹凸處產生微型漩渦，但是光滑導線表面的流場不會出現提前分離的現象。隨著表面粗糙度的降低，導線凹凸的部分產生的微型漩渦也越小，表面粗糙度為7.4%的導線尾跡區漩渦脫落不明顯，粗糙度為5.64%導線尾跡區產生的漩渦最小。改變正饋線表面粗糙度，導線尾部產生的漩渦會發生明顯變化，而且對導線表面的微型漩渦也會產生明顯的影響。

3.3 正饋線氣動系數分析

針對5種不同表面粗糙度的正饋線模型，分別進行入口風速U=1,5,10,15,20,25,30 m/s的流體仿真計算。在數值計算過程中，不同導線模型采用的外圍流體計算域網格、流體參數設置、計算模型均相同，不同表面粗糙度正饋線氣動阻力系數如圖12所示。

圖12 不同表面粗糙度正饋線氣動阻力系數

由圖12可知，在入口風速U=1 m/s時，光滑表面與不同表面粗糙度正饋線的氣動阻力系數的均值及均方根均相差不大，沒有隨著導線表面粗糙度的變化而發生明顯變化。這是因為在低風速環境下，導線表面層流的邊界層比較厚，導線表面凸起的部分完全浸沒在層流邊界層中。因此在低風速環境下，導線表面粗糙度對正饋線的氣動升力系數不會產生較大的影響，該仿真結果與Votaw和Griffin對低風速下光滑圓柱和多根不同絞線的研究結果相吻合[6]。入口風速U=5, 10 m/s時，正饋線氣動阻力系數隨著正饋線表面粗糙度的降低呈明顯上升趨勢，這與Relf和Powell測試表面光滑圓柱和粗糙圓柱的阻力系數結果相似[7]。入口風速大于15 m/s時，正饋線氣動阻力系數在表面粗糙度小于9.18%之后，隨著導線表面粗糙度的減小正饋線的氣動阻力系數反而發生明顯上升趨勢，出現一個轉折點，驗證了相對于光滑表面導線，粗糙表面導線對阻力系數有明顯的影響。正饋線表面的粗糙度越大，流體對導線的作用力越小，故在較大風速環境下研究正饋線氣動系數過程中不可簡單地將導線近似等效為光滑圓柱。

在不同入口來流風速環境下針對5種不同表面粗糙度正饋線模型進行的數值仿真計算，正饋線氣動升力系數如圖13所示。

圖13 不同表面粗糙度正饋線氣動升力系數

由圖13可知，在入口風速為U=1 m/s時，光滑表面與粗糙表面正饋線氣動升力系數的均值及均方根均相差不大，并沒有隨著表面的粗糙度的變化發生明顯的變化。這是因為在低風速環境下，導線表面的邊界層比較厚，導線表面的凹凸部分浸沒在邊界層中。因此，在低風速環境下導線表面粗糙度不會對正饋線的升力系數產生較大的影響。由圖13(a)可知，在入口風速大于5 m/s時，正饋線的氣動升力系數沒有隨著導線表面粗糙度的變化呈現一定的規律；在風速為20 m/s時，正饋線的氣動升力系數隨表面粗糙度的減小逐漸呈遞減趨勢，可知導線表面粗糙度的變化對正饋線的升力系數均值產生較大的影響。由圖13(b)可知，入口風速大于25 m/s時，表面粗糙度為9.18%、7.4%、5.64%的正饋線升力系數變化不大且趨于穩定；在入口風速比較大的情況下，正饋線表面粗糙度的變化對導線氣動升力系數影響較小。在較低風速環境下，關于導線的氣動特性研究可以近似地將導線的凹凸表面等效為光滑的圓柱表面，以提高計算效率。

4 結 論

1)擋風墻會對正饋線周圍氣流產生匯聚加速的作用，在低風速環境下的氣動分析中，可以將正饋線等效為光滑導線。但在大風環境下的氣動分析中，不可簡單地將粗糙表面正饋線近似地等效為光滑表面導線。

2)在入口風速為1 m/s時，不同表面粗糙度正饋線阻力系數和升力系數的基本值保持穩定；入口風速大于5 m/s時，隨著導線表面粗糙度的降低，正饋線氣動阻力系數逐漸增大，說明表面粗糙度對正饋線阻力系數產生較大影響。

3)不同表面粗糙度正饋線尾部流場會產生不同的漩渦，氣流會在粗糙的導線表面提前分離，并且在導線凹凸處產生細小的漩渦。隨表面粗糙度的降低，導線表面漩渦變小，在光滑表面不會產生小漩渦。