高速列车受电弓气动力仿真分析

王洪娇，孙贝贝，孙 超

（青岛地铁集团有限公司运营分公司，山东青岛 266000）

0 引言

正常受流是保证高速列车安全运营的前提，如果弓网的接触力太低会造成离线或火花；接触压力太高会使接触线的抬升量超过范围，使滑板过度磨耗甚至断线。为保证接触网与受电弓的正常受流，需要保证弓网的良好接触。相较于受电弓，高速流动的空气流场对弓网间接触力的影响非常重要。

对受电弓空气动力影响研究方面一般采用紊流模型[1]，对受电弓在开放空间的空气动力学性能进行仿真，研究高速下风阻对弓网之间的抬升力、受电弓弓头和杆件的影响情况[2]。应用计算机软件对不同运行速度下的空气抬升力进行仿真及对比分析，总结提高受电弓空气动力性能可以采取的措施[3]。

1 空气流场特点分析

列车在空气中高速运行，以空气为流场介质，与受电弓相互作用，将仿真模型简化为空气流体与无位移、无变形的刚体间相互作用的简易模型。在空气流体相关研究中，一般忽略流体的分子间距离，将空气看作无真空、无间隙和无分子运动的连续流质物体。在空气中高速列车的受电弓周围的空气流场是湍流场，是一种非常复杂的非线性流场。在湍流流体中，各个物理参数都随着时间和空间地改变无规则地变化。

2 FLUENT 流场计算仿真分析

2.1 ICEM 软件及FLUENT 软件介绍

ICEM 的中文翻译为“综合工程与制造”，是由Armin Wolf创办，ICEM CFD Engineering 开发的专业网格划分软件，2000年被ANSYS 收购整合。对模型进行网格划分是仿真的基础，网格划分的质量关系仿真结果的准确性与精确度。网格划分是整个仿真计算的重要一步。ICEM 软件可以进行简单建模，如果模型十分复杂，亦可以在第三方软件进行建模，如CAD 等制图软件通过接口导入至ICEM 软件，再进行网格划分。

FLUENT 是一款计算能力十分强大的流体仿真计算软件，同时还可以进行热传导的计算，由C 语言编辑而成。如遇自带程序不能满足计算需求时，可以使用C 语言编辑开发更合适的计算程序。该软件自带多种湍流计算模型，本次计算使用的即为软件内置模型，无需自行编程，降低本次仿真难度。

2.2 湍流模型

湍流产生的原因是存在旋涡。大涡能量高，对受电弓作用力较大；大涡的能量耗散、减小，旋涡会减小变为小涡；小涡之后即变成流场中的普通流体，小涡对受电弓影响较小。直接模拟大涡可以较简单、较精确地得到仿真结果，计算量也相对较低。

SSTk—ω 模型在计算仿真靠近接触面的流体时，计算结果精度比较高。并且此种模型应用范围广，准确性已得到广泛认可，并且能很好地仿真计算靠近流场中刚体接触面流体形成的旋涡。

2.3 建模和网格划分

在网格划分软件ICEM 中直接建立受电弓的三维简化模型。由于计算域较大，为了提高网格划分质量，并且考虑计算机的仿真计算能力，需要减少网格数量进而节省计算时间，将需要仿真的流场流体分为两部分进行网格划分计算（图1、图2）。第一部分在受电弓所在空气流场前后左右顶部各取约800 mm，建立一个小的仿真计算域小空间。在大计算域内、在小计算域外才采用结构网格画法，在小计算域内采用非结构网格画法，生成以六面体为核心的网格，作为模型网格中心区域，在连接处采用金字塔单元过渡。与单纯的四面体网格相比较，采用以六面体为核心的网格有更好的收敛性、更快的计算速度和更准确的分析结果。且只有中心的核心区域采用此种画法，计算量可以接受。本文的计算区域为：以受电弓底部到顶部的高度为特征长度h，来流方向取10h，出口方向取10h，左右两边各取6h，顶部高度取6h。外围计算域的网格数为2 322 823。里面小计算域的网格数是3 103 985[4]。

图1 整个计算域及部分网格

图2 里面小计算域及网格

2.4 求解计算

边界条件：速度入口边界v=380 km/h，出口边界为压力出口边界，压力为标准大气压。下表面为无滑移壁面边界，其他壁面边界为对称边界。采用Fluent-V6 求解器，选择非稳态不可压缩流动，k—OmegaSSTk—ω 模型。设置各个参数收敛残差为0.001，时间步长为0.000 1 s，每个时间步内迭代次数为20 次。

3 仿真计算结果

通过对空气流场进行仿真分析，得到了受电弓表面压力分布图、流场速度分布图，以及抬升力、阻力和侧向力。

图3 是整个受电弓表面的速度分布云图，从图中可以看到最大速度在滑板和受电弓末端。图4、图5 分别为受电弓滑板处速度矢量分布图与受电弓滑板处涡量云图，从这两处的涡量云图及速度矢量云图也可以看出，这两个部位形成了漩涡。尤其滑板处最明显，涡的脱落破裂会对受电弓产生脉动力，产生周期的振动这样会影响受电弓与接触网的接触。

图3 受电弓表面速度分布

图4 受电弓滑板处速度矢量分布

图5 受电弓滑板处涡量云图

图6 为整个受电弓的压力分布云图。从图中可以看到受电弓滑板及上下臂杆铰接处受力较大，在迎风方向受到的力大于背风面。所以，无论从速度流场还是压力分布来看，受电弓臂杆的铰接处和滑板处都是重点需要观察分析的区域。表1 为受电弓各部位受力情况，从表中可以看到受电弓的阻力作用大部分来自滑板，抬升力为负数，说明方向向下，几乎不存在侧向力。考虑整个受电弓的受力情况，滑板的设计对受电弓至关重要，所以要从对受电弓滑板的优化设计入手，改善受电弓气动特性，降低受电弓受力及振动，从而提高受电弓受流性能。

表1 受电弓各部位受力情况N

图6 受电弓表面风压云图

4 结论

（1）本文通过在ICEM软件中建立简化的受电弓空气流场模型，并考虑计算量及结果精度将其分为两部分进行网格划分，进而利用流体分析软件FLUENT，在适当的边界条件下对受电弓所在的空气流场进行仿真分析，得到较准确的受电弓受到的气动力及其特性，为进一步优化受电弓、提高受电弓受流稳定性提供了依据。

（2）受电弓滑板和上下臂杆铰接处会形成涡，对受电弓产生周期性的脉动力，使受电弓受力更加复杂。

（3）当列车高速行驶时，受电弓所受到的阻力大部分来自滑板，所以优化滑板的形状和角度可以降低受电弓所受到的阻力。受电弓的整体还会受到竖直方向上的抬升力，可以考虑安装导流板减少升力的影响，降低受电弓受到气动力的影响。