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高速列车受电弓-接触网系统动态受流影响因素研究

文献类型:学位论文

Author张莫晗
Issued Date2023-12
Subtype博士
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Degree Grantor北京
Supervisor杨国伟
Keyword受电弓 接触网 流固耦合 代理模型
Degree Discipline流体力学
Alternative TitleStudy of Factors Afecting Pantograph-Catenary System Dynamic Interactions of High-Speed Train
English Abstract

高速铁路的迅速发展对其运行安全性提出了技术上的巨大挑战。而电气化铁路系统的安全性在很大程度上依赖于受电弓与接触网之间的良好接触状态。对于接触网系统来说,评判弓网间接触状态的标准主要为弓网接触力。因此研究影响弓网接触力的关键因素是弓网关系的重要课题。一方面,受电弓外形十分复杂,受空气动力学作用导致其尾流场结构形式复杂,在高速运行时其气动特性的非定常性质十分明显;受电弓在流体力和弓网相互作用力共同作用下产生复杂的机械振动,反过来又会影响弓网间接触;另一方面,接触网受到受电弓对其的外界激励会产生复杂的波动传递与反射现象,也会使得弓网受流恶化。

本论文主要从受电弓的气动特性和接触网的波动特性对弓网相互作用的影响两方面展开研究。以抽象受电弓类结构(柱群结构)为研究对象,对处在弓网环境下的雷诺数条件下,通过IDDES方法研究其流场结构特性,分析不同结构形式和来流角度对柱群气动力系数等的影响。构建包含车--网的双向流固耦合模型,揭示受电弓的气动表现对弓网相互作用的影响,推导弓网系统阻抗,探讨其对于弓网接触力的影响机理。针对横风对接触网引发的振动行为,采用经验风功谱建立随机风场,研究不同风速和湍流强度对于弓网接触力的影响。对于接触网的波动传播现象,建立了接触网波动模型,推导出透射系数、反射系数表达式和相关无量纲参数。针对实现弓网关系快速预测的目的,提出基于元启发式优化结合高斯过程回归对弓网受流进行预测的方案。本文的主要工作内容如下:


第一,为了探讨受电弓气动特性对弓网受流的影响,采用CFDFEM联合仿真方法构建了车-弓和弓-网的双向流固耦合模型,引入变形网格和重叠网格技术,实现同时考虑受电弓伴随列车在大地坐标系下的移动以及弓头在流体力和弓网接触力下的振动。通过与欧标和既有文献验证弓网FEM动态求解的准确性、与经典平板强迫振动模拟实验对比验证了采用的流固耦合计算方法的有效性。

第二,为了深入研究弓的结构形式对流场的影响,基于IDDES方法,对抽象受电弓类结构(圆柱群结构)在超临界雷诺数下进行数值模拟。特别关注了柱群的流动分离、尾流再循环、漩涡结构、斯特罗哈尔数、流体力系数、压力分布等。发现柱群间的流动结构对L/D高度敏感。提出了根据L/D变化对流场流动形式进行分类:单钝体流动(L/D=1.1),偏移流动(L/D=1.2-1.4),反相流动(L/D=1.5-2),同相流动(L/D=2-3.5)以及协同脱落流动(L/D>3.5)。分析了不同流动形式下柱群的流场特性的变化规律。同时考虑了不同入射角度对流动形式的影响。结果表明:当入射角度为30°时发生剪切层涡脱落再附着,柱群总阻力最低;入射角度为60°为弛振现象易发形式,工程中应注意规避。

第三,为了讨论接触网波动特性对弓网受流的影响,基于波动分析理论,构建了接触网的波动模型。推导出接触网吊弦、定位器处的波动反射系数和透射系数。提出与波动系数相关的关键无量纲量γ。反射系数与γ成反比、透射系数则相反。

第四,为了解决弓网系统受流质量快速预测问题,创新性地提出了嵌入混沌机制的、进行二进制变体改造的饥饿游戏搜索算法结合高斯过程回归的代理模型。将搜索算法应用于对输入集数据的变量进行特征选择,结果表明通过特征选择步骤有效提高了代理模型的预测准确度。同时,从特征选择角度分析得出,对弓网系统影响更显著的参数为接触线张力、受电弓抬升力以及接触网波速利用率。使用构建的代理模型对弓网接触力均值的误差低至1.45%

第五,使用考虑流固耦合的车--网模型,探讨了受电弓不同运行工况和车速对受电弓气动抬升力和弓网相互作用的影响。对比单向耦合和双向耦合方法对于弓网相互作用模拟的影响。采用经验风功谱建立接触网随机风场,基于流体诱导振动理论推导作用在接触网上的气动载荷,以探讨不同横风风速和湍流强度对于弓网受流质量的影响。提出引入弓网系统阻抗概念来解释受电弓气动激励对弓网相互作用的影响机理。

 

Language中文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/93378]  
Collection力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
Recommended Citation
GB/T 7714
张莫晗. 高速列车受电弓-接触网系统动态受流影响因素研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2023.

入库方式: OAI收割

来源:力学研究所

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