杨 康，马峰超，朱星光，李经纬

基于Fluent 的受电弓空气动力特性分析

杨 康，马峰超，朱星光，李经纬

建立了受电弓的简化仿真模型，采用Fluent 软件模拟受电弓运行时周围的空气场，仿真计算了受电弓运行时受到的空气阻力和升力，为改善受电弓的空气动力特性提供一定的依据。

受电弓；空气动力；仿真分析

0 引言

在电气化铁路中，机车通过受电弓与接触网的滑动接触获得电能。因此，受电弓与接触网之间的稳定接触是保证机车良好受流的关键。机车运行时，受电弓受到的空气动力会影响弓网系统的跟随性和稳定性。列车低速运行时，忽略受电弓空气动力效应是可行的，随着列车运行速度的提高，空气动力对弓网受流的影响越来越明显，会严重影响弓网受流质量。因此研究受电弓空气动力特性具有重要意义。

对受电弓空气动力特性的传统研究方式主要采用数值计算[1，2]和风洞试验[2～4]。随着计算机技术的发展，计算机仿真方法具有周期短、费用低且能够模拟多种情况的优点，逐渐成为一种有效的研究方法。本文以高速双向受电弓为例，应用流体力学基本理论，采用Fluent 软件对受电弓的空气动力特性进行分析。

1 受电弓空气动力学理论

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160～350km/h时，受电弓周围空气场一般可以看做为定常、等温、不可压缩的三维流场，通常具有较高的雷诺数，应按湍流处理[5]。采用标准k-ε模型来模拟湍流模型，其方程[6]为

式中，ρ为空气密度；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；xi或xj为坐标的3个分量，分别代表x，y，z三个方向坐标；ui或uj为列车周围流场速度，分别代表ux， uy， uz三个坐标方向的速度分量；μ为流体的黏性系数；C1，C2为经验常数；σk， σε分别为湍流动能和湍流动耗散率对应的普朗特数。

受电弓周围流体运动遵循质量守恒和动量守恒定律，可得到连续方程式（4）和动量方程式（5）[6]：

2 仿真模型的建立

2.1 受电弓的简化建模

图1 受电弓实体模型图

图2 受电弓仿真模型图

2.2 确定计算区域及划分网格

现实中，受电弓是在无限的大气环境中运行的，而在仿真计算中，需要选用一个有限的计算域进行替代，所选计算域的大小直接影响到计算结果的可信度。计算域的选取没有统一的规定，所以需要视具体问题而定。经过反复尝试，下文受电弓计算域选取为22m×12m×5m的长方体。

由于受电弓结构复杂，计算区域用非结构网格进行离散，受电弓表面为三角形网格，空气区域为四面体网格。受电弓表面的网格划分比较密集，网格大小为10mm； 离受电弓越远的区域，网格越稀疏，流场最外层网格大小为500～600mm（图3）。

图3 受电弓及计算区域的网格划分示意图

2.3 边界条件设定

所谓的边界条件是流体力学方程组在求解域的边界上，流体物理量应满足的条件。

（1）入口边界。在模拟高速列车受电弓运动时，采用相对运动的方法来处理受电弓相对于周围空气的运动。将入口截面设为速度入口边界，速度设定为与列车运行速度大小相等，方向相反。

（2）出口边界。出口截面设为压力出口边界，出口处的压强设置为一个标准大气压。

（3）对称面边界。由于受电弓是对称结构，为了减小计算量，取受电弓的一半进行模拟仿真，对称截面处的边界条件设置为对称面边界。

因此，在对含风电机组的配电网进行无功优化时，应充分考虑其出力的不确定性、连续与离散变量之间的关系。为此，首先基于场景概率的理论建立了全场景下计及有功网损、静态电压稳定性、无功补偿设备投资成本的多目标无功优化模型；然后针对基本差分进化算法的不足对其进行了一定的改进；最后将改进后的算法用于求解含风电机组的配电网多目标无功优化问题。

（4）壁面边界。计算区域的顶部和侧面与外部大气相连，设置为滑移的壁面边界条件；受电弓表面及地面设置为无滑移的壁面边界条件。

3 仿真结果及分析

在Fluent软件中，受电弓周围的空气流场用标准k-ε模型来模拟，其控制方程即为式（1）—（5）。仿真计算列车运行速度为160～350km/h，受电弓在开口和闭口运行时，受电弓周围的压力分布与速度分布情况，并计算各部件的空气阻力和空气升力。下文以列车运行速度350 km/h，受电弓开口运行为例，分析受电弓的空气动力特性。

3.1 受电弓表面及其周围空气的压力分布

受电弓表面压力云图以及对称面上空气场的压力云图如图4和图5所示。

图4 受电弓表面压力云图

图5 受电弓对称面压力云图

由图4可知，弓头和上下臂杆连接处受到的表面压力较大，其中前滑板的迎风面所受压力最大其压强约为7060Pa。由图5可以看出，受电弓在迎风面受到正压，而在背风面受到负压，从而产生了压差阻力。弓头部分的正负压差比较明显，这说明弓头是气动阻力的主要来源。受电弓在开口运行时，由于臂杆前后方的压力差，使得上臂杆会受到向上的空气升力，下臂杆受到向下的空气升力。

3.2 受电弓周围空气速度分布

远方的来流在弓头和上下臂杆连接处受阻，气流分成上下两部分，在流经接触面时，气流发生局部分离，图6是空气场在弓头附近的速度云图。从速度矢量图（图7）可以看到空气流经前滑板时的速度变化。气流从滑板的上下两侧流过，流经上表面的速度大于流经下表面的速度，造成滑板上下表面存在压力差，产生了气动升力。在滑板后方由于压力较小，产生了漩涡，使得后滑板的气流速度小于前滑板的气流速度。

图6 受电弓弓头速度云图

图7 弓头前滑板速度矢量图

3.3 受电弓各部件所受的空气动力

受电弓的阻力作用方向以列车运行反方向为正，抬升力的作用方向以竖直向上为正。表1和表2分别为闭口运行和开口运行时受电弓各部件所受到的气动力。

可以看出，弓头部分受到的阻力约占整个受电弓所受力的90%，是受电弓气动阻力的主要来源；上下臂杆产生的气动升力方向相反，大小相近，基本相互抵消，因此弓头的气动升力起主导作用。

通常受电弓的静态抬升力约为70N，当列车运行速度为160 km/h 时，受电弓开口运行时的气动升力为11.5N，是静态抬升力的16.4%；闭口运行时的气动升力为12.8N ，是静态抬升力的18.3%。此时，受电弓的气动升力对受电弓总的抬升力影响并不大。而速度达到350km/h 时，开口运行时的气动升力达到49.4N，是静态抬升力的70.6%；闭口运行时的气动升力达到58.9N，是静态抬升力的84.1%。因此，在高速条件下的弓网受流必须考虑受电弓空气升力的影响。

表1 闭口运行时受电弓各部件的气动力表 单位：N

表2 开口运行时受电弓各部件的气动力表 单位：N

4 结语

本文根据高速受电弓的实物模型建立了简化的受电弓仿真模型，利用流体分析软件Fluent仿真计算了受电弓在不同运行速度下的气动阻力和抬升力。仿真结果表明列车高速运行时，受电弓所受到的空气动力十分显著，会严重影响弓网受流质量，且弓头是主要的受力部件。因此，优化受电弓弓头结构，在弓头增加导流板是改善受电弓空气动力特性的有效措施。

[1]杨桢.基于空气动力学的受电弓高速受流研究[J].电气化铁道，2009，3：17-20.

[2]张弘，于正平，吴鸿标.受电弓空气动力学模型及风洞试验研究[J].中国铁道科学，1995，16（1）：37-49.

[3]张建辉，杨炯，姚勇.高速列车受电弓减阻的风洞试验研究[J].铁道科学与工程学报，2010，7（6）：116-121.

[4]蔡国华.高速列车受电弓低速风洞试验技术[J].铁道工程学报，2006，4（94）：67-70.

[5]田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2008.

Establishes simplified simulation model for pantograph, adopts Fluent software to simulate the ambient air field during operation of pantograph, calculates in simulation the imposed air resistance and uplift forces during operation of pantograph, provides certain reference for improving the aerodynamic characteristics of pantograph.

Pantograph; aerodynamic; simulation analysis

U225.4

：B

：1007-936X(2015)04-0014-03

2014-12-23

杨 康.中铁工程设计咨询集团有限公司，助理工程师，电话：13716576610；

马峰超，朱星光，李经纬.中铁工程设计咨询集团有限公司。