高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究.pdf

第44卷第3期2023年6 月文章编号：16 7 3-9 59 0(2 0 2 3)0 3-0 0 2 1-0 6大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVol.44No.3Jun.2023高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究蔡博,黄伟,周晓宇,管忠振,陈秉智,方吉（大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连116 0 2 8)摘要：以高速列车受电弓弓头为研究对象，应用Fluent软件对弓头气动特性进行数值模拟，对受电弓弓头结构进行优化,提出了下表面波浪形新型弓头结构，探究弓头下表面结构对气动特性的影响。首先，以方柱绕流为研究对象进行流模型验证,结果表明使用Transition SST流模型对弓头二维模型进行数值仿真是可行的。其次,以CX-NG型受电弓为基础建立了传统方形弓头模型,对其进行模拟计算。最后，对受电弓弓头进行下表面结构改形设计，将下半部分外形优化为凹、凸波浪形。在不同速度下，建立弓头周围流场的速度与压力云图，将凹、凸形弓头与传统方形弓头进行气动特性对比，分析不同外形结构对流场的影响。对比分析发现，使用凸形受电弓弓头能够达到较好的减阻效果。在3种列车运行速度下，阻力系数Ca分别减少了10.2 6%、11.2 3%、12.6 9%。关键词：高速列车受电弓；空气动力学；数值模拟；优化减阻文献标识码：A当列车行驶速度达到2 0 0 km/h时，约有7 0%的功率用来克服空气阻力 。目前我国完全自主知识产权的高速列车受电弓还在不断更新迭代中。受电弓作为车辆顶部的一个受流部件，良好的气动性能是保证弓网系统稳定性和减少弓网磨损的重要因素，可以提高弓网的使用寿命，确保运行安全 2 。由于受电弓复杂的结构形式会对列车空气动力学性能和噪声特性产生很大的影响，因此进行受电弓弓头的结构优化具有重要的学术意义和工程应用前景。目前,对受电弓降噪减阻的研究主要是数值模拟和试验研究。杨康等 3 利用流体仿真软件计算了受电弓高速运行下的空气动力特性，并发现弓头是空气动力学的主要受力部件。杜健等 4 对受电弓气动噪声的数值模拟表明，受电弓碳滑板弓头是受电弓空气动力噪声的主要因素，其次是底架结构；在受电弓外形的优化设计中,前人充分考虑了仿生学原理,基于仿生学对受电弓结构进行优化具有切实的可行性。徐志龙等 5根据海洋生物外壳表面凸陷螺纹线对受电弓杆件进行优化，发现螺纹形非光滑表面能有效的控制D0I:10.13291/ki.djdxac.2023.03.004尾流区域的大小。戚凯科等 6 将原矩形截面受电弓优化为水滴形截面受电弓，优化后受电弓气动噪声性能优于原有受电弓，最大声压级减小4.1dB,平均声压级减小2.8 dB,阻力减小136.4N，阻力系数降低0.0 2 0 2。Hersh等 7 受到鸦翼前缘锯齿结构的启发，验证了基于仿生的翼锯齿结构会有效减阻降噪。Lee 等 8 运用风洞试验对不同杆结构的受电弓进行模拟，对矩形受电弓和流线形受电弓进行了比较分析。Kim等 9 为了分析受电弓远场气动噪声，采用延迟分离涡流模拟（I D D E S)方法,利用FW-H声模型值对受电弓的非稳态气动行为进行了模拟。上述研究中，受电弓处气动阻力与气动噪声在整车阻力与噪声中占比较大，所以对受电弓弓头优化是十分必要的。本文提出两种新形优化结构，即凹形弓头和凸形弓头，利用Transition SST瑞流模型，对受电弓弓头进行流场数值仿真。通过对弓头结构外形进行优化，控制弓头边界层分离和尾涡脱落现象，这对于工程结构设计有着重要意义。收稿日期:2 0 2 2-0 4-0 1基金项目：辽宁省博士科研启动基金计划资助项目（2 0 2 0-BS-209）第一作者：蔡博（19 8 8 一）,女，讲师。E-mail:221受电弓弓头瑞流模型1.1 Transition SST湍流模型假设列车在平直的路线上稳定运行，忽略环境风对列车的影响，当列车运行速度在16 0 350 km/h以上时，弓头周围空气场一般就可以看作是定常、等温、不可压缩的三维流场通常具有较高的雷诺数，应该按照端流处理。Langtry等 10 1 提出了由kS S T 输运方程、间歇系数和当地边界层动量厚度雷诺数Re方程组成的Transition SST四方程模型。间歇系数用于描述边界层状态，控制转换点下游流动能的产生项，定义为流动处于流和层流的时间比例，=0 为层流，=1为湍流。当转开始即流开始产生时，开始增长。式（1）是间歇系数无量纲输运方程的守恒形式：a(py)+a(pu,y)=P,l-E,1+P2ax;1at72从dx式中：t。、，为模型系数；P、E%为转源项 10 (2)Eyl=C.lPy1y(3)P2为破裂系数：Py2=CaphyFulhE2为再附着系数：Ey2=CaPy2间歇因子输运方程的求解过程中涉及到的常数 10 分别是:Cal=2;Ca=1;c3=0.5;0,=1.0。当地边界层动量厚度雷诺数 Re。【10 是通过捕捉边界层中间歇性系数和局部涡度雷诺数的增加所构成的湍流强度来控制的,其表达式为：a(pReor)tPo.+大连交通大学学报1.2瑞流模型验证为验证数值模拟的正确性，本文通过模拟计算得到了亚临界雷诺数时方柱在不同雷诺数下的阻力系数Ca及S,数,并将其与文献 11 中的计算结果进行对比,结果见表1。其中，Ca代表柱体阻力系数平均值。表1方柱绕流模拟计算结果相对Re数据来源文献 112.042.2104Fluent模拟1.94文献 112.151.0105Fluent模拟文献 113.0105Fluent模拟由表1可以看出，数值模拟结果与以往试验2-E+结果吻合较好，能够使用TransitionSST湍流模型对弓头二维模型进行数值仿真。(1)1.3物理模型的建立受电弓装置位于车体顶部上方，流动环境较为复杂，且需要与电网进行受流作用，故弓头上方表面尽量要求平滑。本文选取CX-NG型受电弓为研究对象,图1为原有受电弓方形弓头截面，原有受电弓弓头截面为矩形，长35mm，宽2 5mm。(4)为探究不同形状对弓头后方气动性能的影响及抑制后方尾涡情况，对弓头进行优化，长宽不变，但(5)将原有弓头截面下部分优化为波浪形，根据其形状将其命名为凸形和凹形波浪形弓头。b=25 mma(pu,Rea)二ax;aRea厂第44卷相对CaS,误差/%0.1334.90.1250.1268.82.342.132.04a=35mm(a)方形弓头(6)误差/%6.08.70.1370.1274.20.1270式中：Po为源项。Po.=oP(Re-Rea)(1.0-Fa)式中：Re为当地转雷诺数；Co=0.03。(7)(b)凸形弓头第3期1.4网格划分与边界条件设置网格采用ANSYSICEM进行划分，全流场域采取结构化网格进行划分。为观察后方尾涡情况，使瑞流充分发展，流场计算区域选为35D25D，弓蔡博，等：高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究(c)凹形弓头图1弓头截面几何模型23头截面距人口边界为7 D，上、下边界距弓头为5D,D为物体垂直于来流方向平面上的特征尺寸。由于需要精确求解高速受电弓弓头表面边界层、捕捉弓头外流场的发展，网格必须足够小，即y*1以保证端流模型计算的要求。对方形与凸形弓头其表面采取0 形网格划分；而对凹形弓头,由于出现了尖点的存在,所以在划分时采用了Y形剖分。对弓头周围进行加密处理，弓头来流和尾迹流所在的十字区域网格数量进行适当加密,不同弓头近壁面与整个流场域网格划分见图2,3种结构的网格数约为4万。(a)方形弓头1.5汤流场域边界条件设置将流场入口设置为速度人口，根据设定的高速列车运行速度，设定速度入口流速V=250、300、350 k m/h。流场出口设置为压力出口，然后设置远离列车扰动的流场出口界面处静压P=0Pa。将流场上下壁面表面设置为对称边界以消除壁面对流场的影响。最后将弓头表面设置为无滑移固定壁面。2可弓头二维流场气动特性在Fluent软件中,弓头周围的空气流场采用Transition SST流模型来模拟，仿真计算列车运行速度为 2 50（Re=9.4104）、30 0（R e =1.410）、350 k m/h（R e=1.7 10）时弓头周围的压力分布与速度分布情况，并计算弓头的空气阻力和升力系数。下面以列车运行速度350 km/h为例，分析弓头的空气动力特性分布。2.1弓头结构对压力场的影响不同结构弓头在速度350 km/h下的压力云图见图3。可以看出，3种弓头由于在前驻点处开始发生气体分离现象，分离点为弓头上游迎风面的尖点，也就是弓头的前两个棱角位置。所以使前驻点处的速度最小，压力达到最大。当气体通(b）凸形弓头图2 不同弓头近壁面网格划分过分离点后，整体流速较高，使得上、下壁面附近的压力较小,出现低压区。对于凸形弓头来说,最大压力小于方形弓头，且弓头后方的低压区范围明显比方形弓头小，这说明凸形弓头气动特性比方形弓头好。对于凹形弓头来说，在速度350 km/h(a)方形弓头(b）凸形弓头(c)凹形弓头图3不同弓头流场域网格划分(c)凹形弓头24大连交通大学学报第44卷下涡脱落的速度比其他两种弓头快，没有起到抑制尾涡的作用。2.2弓头结构对速度场的影响速度350 km/h下不同结构弓头周围空气流场的速度云图见图4。速度在前驻点处最小，这在压力云图中也提到了。这是因为流体在此处开始发生分离,所以使得速度最小,压力最大。从图5中也可以看出，由于发生了流体的分离现象,在近壁区速度较大，因为分离现象产生了回流，使得上、下壁面近壁区的速度降低。而与壁面较远的远壁区的流体由于分离现象使得速度加快，成为了高速区。3种速度下呈现了基本相同的规律性，采用凸形弓头后，后方的尾涡脱落情况有所抑制，涡脱落的速度变慢。但凹形弓头后方涡脱落的速度更快而且更明显。这是因为虽然弓头下半部分采用了凹形，但下方依旧有尖点的存在，并没有减缓边界层的分离现象,反而加强了涡脱落的速度。这从流线图中可以更清楚地观察到。Velocity,1.540e+021.386e+021.232e+021.078e+029.240e+017.700e+016.160e+014.620e+013.080e+011.540e+010.00e+00ms-1Velocity1.570e+021.413e+021.256e+021.099e+029.420e+017.850e+016.280e+014.710e+013.140e+011.570e+010.000e+00ms-1Velocity1.480e+021.332e+021.184e+021.036e+028.880e+017.400e+015.920e+014.440e+012.960e+011.480e+010.000e+00(ms-1图4不同结构弓头周围流场压力云图Pressure6.495e+034.655e+032.816e+039.757e+02-8.641e+02-2.704e+03-4.544e+03-6.384e+03-8.223e+03-1.006e+04-1.190e+04PaPressure6.331e+034.367e+032.402e+034.379e+02-1.527e+03-3.491e+03-5.455e+03-7.420e+03-9.384e+03-1.135e+04-1.331e+04PaPressure6.219e+034.166e+032.113e+035.935e+01-1.994e+03-4.047e+03-6.100e+03-8.154e+03-1.021e+04-1.226e+04-1.431e+04Pa图5不同结构弓头周围流场速度云图(a)方形弓头2.3不同结构弓头周围空气场流线为探究不同形状对弓头后方尾涡结构的影响与抑制效果,在速度350 km/h条件下,对不同形状弓头的速度流线图进行比较，比较结果见图6。从图中可以更加清晰地看到弓头后方的尾涡情况。首先可以看到的是，3种外形结构下，在方柱上、下两侧都出现了回流区，而且在方柱尾缘也具有再附着现象。对于方形弓头，弓头后方脱落的(b)凸形弓头尾涡大小与受电弓的特征长度相当,而且在弓头下方产生了较大的回流区。与方形结构相比,凸形弓头后涡脱落的尾涡略小于方形弓头脱落的尾涡。这是因为弓头下部分采用了波浪形，虽然在上半部分,分离点还是处于迎着来流方向的尖点处，但下半部分使用波浪形后，分离点不再是一个尖点了,而是一个圆滑过渡的半圆形,使得在弓头下半部分基本不会产生回流情况，从而抑制了下(c)凹形弓头半部分边界层分离而形成的涡脱落，将原本的上下交替涡脱落变成了单边涡脱落，成功的抑制了(a）方形弓头(b）凸形弓头(c）凹形弓头第3期尾涡的脱落情况。对于凹形弓头，其后方涡脱落的情况还是比较明显的,抑制尾涡脱落的效果并不如凸形弓头。而且涡脱落的速度明显加快，从图中可以看到，由弓头上方产生的涡在还未脱落完全的情况下，弓头下方新生成的涡就已经出现了。在图中还能观察到,虽然采用了凹形结构,但是弓头后方脱落的尾涡依然与弓头尺寸相当。通过对弓头流场流线图的分析，发现使用凸形弓头来抑制尾涡脱落的想法是切实可行的。综合来看，凸形弓头都是优于凹形弓头的。1.542e+020.101.156e+020.057.709e+010.00-0.053.855e+01-0.100.000e+000.0ms-1(a)方形弓头1.5710+020.101.178e+020.057.856+01=0.003.928e+01-0.05-0.100.000e+000.0ms-1(b)凸形弓头1.478e+020.101.108e+020.057.390e+01=0.003.695e+01-0.05-0.100.000e+00ms-1图6 V,=350km/h(t=5s时）下不同弓头绕流流场3下表面波浪形弓头气动力学特性当雷诺数Re分别9.410 4、1.410、1.7 10时,压差阻力会明显大于摩擦阻力，占主导地位，此时的阻力系数主要来自弓头表面的压力系数.绕流升力主要是由于垂直于来流方向弓头两侧压力不均.这些阻力和升力系数是整个受电弓弓头总的受力系数的平均值.蔡博，等：高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究方形弓头1.900Cd1.9151.930与凸形弓头不同，凹形弓头与方形弓头有着0.10.2m0.10.21m0.00.1(c)凹形弓头25表2 为不同受电弓弓头阻力系数对比。由表2可知,对比方形弓头，凸形弓头能够起到很好的减阻效果。几种速度下，使用凸形弓头时分别减小了10.2 6%、11.2 3%、12.6 9%。阻力系数Ca并不像方形弓头一样,随着速度的增大而不断增大,而是随着速度的增大而不断变小,这是由于采用凸形结构后发生的改变，这说明凸形弓头在速度越高的的情况下，减阻的效果越好。表2 3种弓头阻力系数对比阻力系数凸形弓头1.7051.7001.6850.30.40.30.40.20.3m凹形弓头1.7171.7291.7380.5相同的变化趋势，阻力系数都随着速度的增大而变大，这说明速度越低，此种受电弓弓头越能发挥出更好的效果。凹形受电弓弓头也产生了比较明显的减阻效果，几种速度下，使用凹形结构使阻力系数分别减小了9.6 3%、9.7 1%、9.9 5%，相比较而言，采用凸形弓头减阻效果优于凹形弓头。对于升力系数,从表3中可以观察到,使用凸形结构后，升力系数并没有得到提升，反而降低了。相比于凸形结构，使用凹形弓头虽然会提升0.5一些受电弓的气动升力，但是总体来说还是在损失的。但考虑到受电弓弓头下方还有下臂杆、上框架和底架等部分来支撑它，升力系数的部分损失是可以接受的。表33种弓头升力系数对比升力系数方形弓头-0.001 9200.140 750C,-0.000 4900.40.5凸形弓头-0.085 0000.159 650-0.094 600-0.000 018-0.1912904结论（1）传统方形弓头具有比较明显的方柱绕流特性，流体在流经前驻点后在弓头迎风面尖点处发生分离，在弓头后方会形成涡脱落。（2）使用凸形弓头后，弓头后方的尾涡脱落速度和大小明显减小，对弓头尾涡的形成有着比较好的抑制效果。采用凹形结构对尾涡的抑制作用并没有凸形结构出色，弓头后方尾涡的脱落速度会加快，且脱落形成的尾涡大小与方形弓头相凹形弓头-0.099 76026比并没有明显的优势，所以凸形弓头是比较好的优化方案。(3)对于方形弓头，随着速度的增大,升力系数、阻力系数、最大压力、最大速度也随之增大。使用优化的凸形弓头后，阻力系数有着明显的改善，与方形弓头相比，阻力系数分别减小了10.26%、11.2 3%、12.6 9%。（4)使用凹形弓头也会有着比较明显的减阻效果，几种速度下，使用凹形结构后阻力系数分别减小9.6 3%、9.7 1%、9.9 5%，相比较而言，凸形弓头减阻效果还是最好的。参考文献：1 蔡国华.高速列车受电弓气动力特性测量 J.流体力学实验与测量，2 0 0 4，18（1）：53-56.2张弘，常百达.高速受流专辑 M.北京：中国铁道出版社,19 9 1.3杨康，黄焯麒，于龙，等受电弓空气动力对列车弓网特性的影响仿真 J计算机工程与设计，2 0 14，35(11):39333937.4 杜健，梁建英，田爱琴高速列车受电弓气动噪声特性分析 J西南交通大学学报，2 0 15,50(5):9 35-9 41.5徐志龙，刘海涛，王超文，等高速列车受电弓杆件Numerical Study on Aerodynamic Characteristics of WavyPantograph Head of High-Speed TrainCAI Bo,HUANG Wei,ZHOU Xiaoyu,GUAN Zhongzhen,CHEN Bingzhi,FANG Ji(School of Locomotive and Rolling Stock Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)Abstract:Aiming at the high-speed train pantograph head,the fluid dynamics calculation software Fluent isused to simulate the aerodynamic characteristics of the bow head.The structure of the pantograph head is opti-mized,and the lower surface wave-shaped new bow head structure is proposed.The influence of the bottomsurface structure on the aerodynamic characteristics is explored.In order to verify the accuracy of the turbu-lence model,the flow around a cylinder and a square cylinder was used for model verification.The numericalsimulation results show that the transition SST turbulence model can be used to simulate the two-dimensionalmodel of the bowhead.Based on the CX-NG pantograph,a traditional square bow head model was estab-lished,and simulation calculations were performed.The surface structure of the pantograph head was modi-fied,and the shape of the lower half was optimized into a concave-convex wave shape.Fluent was used for a-nalysis and simulation at different speeds,and the flow field cloud diagram at different speeds was established.A qualitative comparison of the aerodynamic characteristics of the bow head and the traditional square bowhead was carried out,and the influence of different shapes and structures on the flow field was analyzed.Through comparative analysis,the use of convex pantograph head can achieve the best drag reduction effect.At the three speeds of 250,300 and 350 km/h,the drag coefficient Cd is reduced by 10.26%,11.23%,and12.69%,respectively.Keywords:pantograph of high-speed train;aerodynamics;numerical siumlation;optimize drag reduction大连交通大学学报减阻降噪研究分析 J华东交通大学学报，2 0 2 0，37(2):1-6.6戚凯科，袁天辰，杨俭高速列车受电弓气动噪声降噪研究 J计算机仿真，2 0 19，36（9）：17 3-18 0.7HERSHAS,SODERMANTPT,HAYDENRE.In-vestigation of acoustic effects of leading-edge serrationson airfoilsJ.Journal of Aircraft,2012,11(4):197-202.8LEE Y,RHO J,KIM K H,et al.Experimental stud-ies on the aerodynamic characteristics of a pantographsuitable for a high-speed train J.Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail&Rapid Transit,2015,229(2):136-149.9KIM H,HU Z W,THOMPSON D J.Unsteady aerodynam-ics of high speed train pantograph cavity flow control fornoise reduction C J/Aiaa/ceas Aeroacoustics Confer-ence.s.1.:s.n.,2016.10LANGTRY R B,MENTER F R.Transition modelingfor general CFD applications in aeronauticsC/43rdAIAA Aerospace Sciences Meeting And Exhibi.s.1.:s.n.,2015.11沈立龙，刘明维，吴林键，等.亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟J.水道港口，2 0 14，35（3）：227-233.第44卷