高速列車仿生型受電弓弓頭氣動特性研究

蔡博,于松揚,尉良文,王悅東,李永華

(大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028)

在軌道交通系統建設中,高速鐵路技術的不斷完善使得高速列車的速度有了飛躍提升。目前國內的CIT500最高試驗速度可達605 km/h,是目前世界上最快的高速列車[1]。高速列車的車頭外形結合了仿生學原理和空氣動力學理論,使其在高速運行下具有良好的氣動特性。

根據試驗數據可知,當列車速度由250 km/h提高到300 km/h時,整個高速列車所受到的空氣阻力占總阻力的70%左右[2]。當運行速度達到400 km/h時,列車所受空氣阻力占總阻力的90%以上[3]。當列車速度為200～300 km/h時,由于受氣流作用,受電弓在運行時產生的氣動阻力占整個列車阻力的8%～14%[4]。因此,如何降低受電弓在高速運行時所產生的氣動阻力成為高速列車優化的主要目標之一。

國內外學者對受電弓的氣動性能進行了一定的研究。張業等[5]基于CFD軟件,采用Simple算法對比分析了不同速度條件下受電弓的氣動特性。日本主要從受電弓形狀結構出發對其進行設計調整,設計研究了菱形、T形以及V形受電弓結構,該研究方法精簡了受電弓的結構部件,極大改善了高速下產生的氣動阻力[6]。日本新干線500系高速動車組的車頭使用仿生翠鳥喙形狀設計,該措施極大改善了高速列車在行駛時產生的氣動阻力[7]。Hersh等[8]根據鸮翼前緣鋸齒結構設計思路,論證了基于仿生的鸮翼鋸齒結構具有良好的減阻降噪作用。Shinichiro[9]基于流場可視化技術,探究了增加鋸齒形前緣的翼型在空氣流場中的性能,證實了其能改善渦流的形成和脫落,擁有良好的減阻降噪效果。Lee等[10]對受電弓的不同桿結構采用風洞試驗,對比分析了矩形和流線型受電弓的氣動特性。

受電弓是電力軌道列車與弓網接觸的關鍵部件,其在高速下的氣動性能是確保弓網穩定、減少磨損、提高弓網壽命、保證列車運行安全的關鍵因素[11]。本文對受電弓弓頭的結構進行優化,發現半圓形弓頭能夠有效降低列車高速運行下產生的氣動阻力,對提高列車運行穩定性和安全性具有一定的應用價值和學術意義。

1 高速列車仿生型受電弓弓頭模型

1.1 受電弓弓頭二維模型建立

本文選取CX-NG型受電弓弓頭為研究對象,其原有受電弓弓頭桿件截面為矩形,尺寸為35 mm×25 mm。為了分析不同速度下迎風面受電弓截面的氣動特性和抑制尾渦情況,將弓頭截面進行優化,在保持寬度不變的情況下,增加原矩形的長度,設計5種流線形狀的受電弓弓頭截面。不同弓頭截面模型示意圖見圖1, 其中圖1(b)、 1(c)、 1(d)為弧形截面, 弧長分別為12.5、8、16 mm。圖1(e)為圓-尖形狀截面,圖1(f)為尖-尖形截面,弧長均為12.5 mm。

圖1 不同弓頭截面模型示意圖

1.2 湍流模型選取

受電弓弓頭高速運行時,在弓頭周圍流場發生湍流流動,在尾流處會產生尾渦脫落與分離的現象。因此,在求解弓頭周圍流場的數值模擬時,需引進湍流模型。本文所研究的弓頭運行速度不大于350 km/h,可判定受電弓弓頭所處流場為不可壓縮黏性流場。本文采用基于雷諾平均法的SSTk-ω模型進行弓頭湍流模擬計算。弓頭外流場計算域尺寸為32D×15D,D=0.2 m,左側邊界為速度入口,弓頭截面距入口8D,右側邊界為壓力出口,弓頭截面距出口22.6D,上下邊界距弓頭7D。

弓頭計算域邊界條件設置見表1。受電弓高速運行時,其迎風面流場基本沒有繞流現象,將弓頭計算域入口邊界設為速度入口邊界。弓頭計算域尾部邊界設為壓力出口邊界,上下壁面設為對稱邊界。

表1 弓頭計算域邊界條件設置

1.3 網格劃分及無關性驗證

仿真數據的準確性與網格劃分有著密切關系,準確的收斂值取決于網格質量是否精確。本文建立了不同截面受電弓弓頭二維模型,模型網格數量約為10萬。選取Ansys軟件中的ICEM網格劃分處理器,全流場域采用結構化網格進行劃分。對于矩形弓頭和仿生型弓頭,對表面采取O形網格劃分,弓頭周圍進行加密處理,弓頭來流和尾流所在區域用十字形區域網格加密,見圖2。

(a) 矩形弓頭

選取仿生型弓頭截面弧形尺寸為12.5 mm的半圓形模型,在350 km/h的速度下進行驗證。取8套劃分方法相同而數量不同的網格,分別為5萬、10萬、20萬、30萬、40萬、50萬、60萬、70萬。采取SSTk-ω湍流模型進行非定常計算,弓頭在同一速度下氣動力隨網格數變化情況見圖3。從圖3可以看出,弓頭氣動升力和氣動阻力均呈現先增大后趨于平緩的變化趨勢,其在網格數量為10萬之后氣動升力與氣動阻力變化較為平穩。此次驗證說明網格數量為10萬時達到分界點,隨著網格數量的增加,仿真數值趨于穩定。因此二維仿真計算網格數量確定為10萬。

(a) 氣動阻力

2 二維仿生弓頭氣動特性分析研究

2.1 不同弓頭截面速度場分析

不同弓頭截面在350 km/h速度下周圍空氣場的速度分布云圖見圖4。

(a) 矩形弓頭

在高速下弓頭尾流區會形成渦脫落現象,且形成的渦會隨著主流繼續向后方運動發展,形成一個從渦生成到渦發展脫落,再到被耗散消失這樣完整的渦流變化過程,在此過程中弓頭尾部會形成面積較大的低速區。由于氣流在弓頭前端分離時速度較小,弓頭上下表面速度較大,形成相反的漩渦狀態,導致尾部區域產生嚴重的漩渦分離流動,并且隨著速度的提高,弓頭后方尾渦脫離現象更加明顯,低速區面積逐漸增大,所以矩形弓頭的尾渦脫落現象較其他5種弓頭截面更為明顯。尖-尖形弓頭的渦脫落現象與矩形弓頭相似,其后方的回流現象較為明顯,不能很好地抑制尾渦脫落。而迎風面為弧形結構的弓頭其速度場渦街現象較好,可以有效抑制尾渦脫落。半圓形弓頭與長半弧弓頭的渦街現象相似,都能較好地抑制弓頭邊界層分離,但長半弧弓頭在上下壁面處產生了較大的中高速區域,使得整體所受阻力增大,產生回流現象大于半圓形弓頭。因此,半圓形弓頭在高速流體作用下所產生的尾渦脫落面積小,受到的氣動阻力最小。

2.2 不同弓頭截面壓力場分析

不同弓頭截面在350 km/h速度下弓頭周圍空氣場的壓力分布云圖見圖5。對矩形弓頭來說,其最大壓力位于弓頭與氣流最先接觸的尖點位置,最低壓力一般位于弓頭上下壁面的近端,低壓區域最大,其具有明顯的漩渦形成現象。其余弓頭截面,最大壓力存在于弓頭迎風尖點上,范圍較小,最低壓力處于上下壁面迎風點處,低壓范圍較小,整個流場域壓力處于較為平穩的范圍。弓頭流場中的低壓區是由于氣流流經弓頭尖端時,在上下壁面處產生了氣流回旋,導致上下兩端產生壓力差,增加了壓差阻力,加劇了尾部渦流現象而形成的。對于半圓形弓頭,其整個流場域壓力范圍較其余弓頭較為平穩,能形成較為穩定的壓差阻力。對比可知,半圓形弓頭在尾部的低壓區明顯小于其他弓頭,流場域壓力變化平穩。

(a)矩形弓頭

3 二維仿生弓頭阻力特性對比分析

本文分別選取250、300、350 km/h 不同速度工況下6種二維弓頭氣動力的數值進行對比研究。經過仿真分析得出受電弓弓頭在3種速度工況下的氣動阻力和氣動升力,見表2。

表2 各種模型的氣動阻力和氣動升力數據

為探究各弓頭模型在不同速度下氣動阻力的變化情況,將速度平方與氣動阻力和氣動升力數值制成折線圖,見圖6。從圖6(a)可以看出,各模型的氣動阻力隨速度平方的增大而增大,說明氣動阻力與速度平方呈一定的正比關系,其中矩形模型的氣動阻力變化最大,半圓形模型氣動阻力變化最小。結合上述流場分析,這是由于矩形弓頭上下近壁面產生明顯的低速渦流,在尾流后方渦街不斷發生脫落,且擺動幅度大,形成明顯的低速區域,導致氣動阻力升高。而半圓形弓頭尾渦擺動幅度明顯減小,這說明流線型弓頭結構能較好地抑制尾渦的脫落,降低氣動阻力。從圖6(b)可以看出,各模型氣動升力的變化呈現多樣性的特征,矩形、半圓形、圓-尖形模型的氣動升力在高速下變化較大,短半弧、尖-尖形模型氣動升力呈緩慢上升趨勢,而長半弧模型氣動升力呈下降趨勢,結合上述流場分析,可能是由于其截面尺寸流線型過長,導致氣流流經弓頭表面時產生較為明顯的壓力波動,弓頭下方氣流回流過大,產生較大低壓區,造成向下的氣動升力。

(a) 氣動阻力

4 結論

(1) 對比矩形截面弓頭的升力和阻力,半圓形弓頭能夠起到很好的減阻效果。在3種不同速度的工況下,與矩形截面弓頭相比,使用半圓形弓頭時氣動阻力分別減小了76.03%、76.24%、76.39%,氣動升力分別減小了41.67%、26.35%、12.89%,說明半圓形弓頭在高速下有良好的減阻效果,其升力在數值上接近于矩形變化趨勢,但數值較小,能在高速行駛中提供較好的受流效果。

(2)半圓形弓頭在高速流體作用下所產生的尾渦脫落面積小,并且其整個流場域壓力范圍較其余弓頭較為平穩,能形成較為穩定的壓差阻力。因此采用半圓形弓頭截面形狀的設計可以有效降低高速行駛時產生的空氣阻力。

(3) 將弓頭模型簡化為二維模型,在弓頭實際運行時,氣動性能可能會產生少許誤差,但二維弓頭空氣流場模型減少了流場運算時間,并為今后三維弓頭模型的優化提供了思路,可提升列車高速運行的穩定性和效率。