空气动力作用对高速受电弓受流性能影响的研究

论文摘要

随着高速铁路的迅速发展,列车舒适安全快速的优点已经被越来越多的人所重视,当列车的速度达到250km／h及以上时,高速气流产生的空气动力对列车部件的影响也越来越大,并且空气阻力占到了总阻力的75-80%,这正影响了高速铁路中受电弓—接触网的受流质量,受流质量的好坏直接影响到列车行进的速度。并且受电弓的气动阻力占列车运行总气动阻力的8-14%,因此要满足动车组的取流要求就要对受电弓的空气动力性能进行研究。本文从空气动力学角度出发,分析高速弓网受流稳定性。首先是在掌握空气动力学基本知识的前提下,将理论知识应用到高速受电弓。从数值理论出发,建立高速受电弓的数值公式计算受电弓各部件的抬升力和阻力,分析高速受电弓的气动特性,并研究对受流性能产生的影响。然后利用三维建模软件UG,建立了高速受电弓的几何模型,将受电弓的几何模型导入流体力学计算软件STAR-CCM+,采用紊流模型对受电弓在开放空间的空气动力学性能进行仿真,研究了高速运行下风对弓网之间抬升力的影响情况,并与理论计算解和实验数据对比分析,为进一步对高速受电弓参数和受流性能的研究提供了仿真手段和理论研究基础。对于高速受电弓在受流时存在的问题,根据数值计算和数值仿真的方法提出合理的建议和措施,其中在不同速度下调节不同角度的导流板来改变抬升力大小的方法,可以满足最佳受流的要求。本文最后提出有待于进一步完善和研究的方向。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 国外研究发展状况
• 1.2.2 国内研究发展状况
• 1.3 本文研究的主要任务
• 1.4 研究采用的方法
• 1.4.1 计算流体力学的意义
• 1.4.2 UG软件简介
• 1.4.3 STAR-CCM+软件简介
• 1.5 本文内容安排
• 2 高速受电弓的空气动力学研究
• 2.1 空气动力学理论
• 2.2 空气动力学的基本方程
• 2.2.1 可压缩流的基本控制方程
• 2.2.2 不可压缩流的基本控制方程
• 2.3 受电弓湍流理论基础
• 2.3.1 湍流的特性
• 2.3.2 湍流的模拟
• 2.3.3 湍流的基本方程
• 2.4 受电弓边界层理论
• 2.4.1 边界层的概念
• 2.4.2 边界层的方程
• 2.4.3 边界层的分离与绕流阻力
• 2.5 受电弓的气动特性
• 2.5.1 气动特性分析
• 2.5.2 受电弓的阻力
• 2.5.3 受电弓的抬升力
• 2.6 本章小结
• 3 高速受电弓的空气动力学计算
• 3.1 受电弓空气动力学模型
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 受电弓研究的方法
• 3.1.3 受电弓的空气动力学模型
• 3.2 受电弓受力分析
• 3.2.1 受电弓滑板动态分析
• 3.2.2 受电弓臂杆动态分析
• 3.3 受电弓空气抬升力计算
• 3.3.1 抬升力影响分析
• 3.3.2 受电弓弓头分析
• 3.3.3 受电弓上臂分析
• 3.3.4 受电弓下臂分析
• 3.4 算例的数值分析
• 3.4.1 弓头的空气动力计算
• 3.4.2 上臂杆的空气动力计算
• 3.4.3 下臂杆的空气动力计算
• 3.4.4 计算结论及分析
• 3.5 本章小结
• 4 高速受电弓气动力学的STAR-CCM+数值仿真分析
• 4.1 CFD的求解过程
• 4.2 受电弓模型的简化
• 4.3 受电弓模型的建立
• 4.4 边界条件的设定
• 4.4.1 入口边界
• 4.4.2 出口边界
• 4.4.3 对称面边界
• 4.4.4 其他表面边界
• 4.5 求解器相关参数的设定
• 4.6 仿真计算结果及分析
• 4.6.1 受电弓压力场分析
• 4.6.2 受电弓速度场分析
• 4.6.3 仿真结果分析
• 4.6.4 数值计算与仿真对比分析
• 4.7 本章小结
• 5 高速气流对弓网受流的影响
• 5.1 存在的问题
• 5.1.1 对稳定受流的影响
• 5.1.2 产生的噪声影响
• 5.2 影响受流的因素
• 5.2.1 动态接触力
• 5.2.2 动态抬升量
• 5.2.3 硬点
• 5.2.4 离线
• 5.3 解决的方法及建议
• 5.3.1 导流板的设计
• 5.3.2 受电弓杆件的优化
• 5.3.3 整流罩的设计
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作的不足和展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集