風攻角對接觸線模型氣動力特性的影響

風攻角對接觸線模型氣動力特性的影響

自20世紀30年代以來，研究了接觸網(wǎng)的舞蹈問題。經(jīng)過多年的發(fā)展，外國科學家提出了各種理論模型來研究舞蹈問題。近年來我國鐵路事業(yè)快速發(fā)展,對接觸網(wǎng)的研究也越來越多,但大多數(shù)研究集中于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性、抗風性能改進和覆冰融冰試驗等,但都未涉及其氣動力特性和舞動機理方面。接觸網(wǎng)中的接觸線是直接為機車提供動力電源的裝置,在機車高速運行時接觸線發(fā)生大幅度舞動將導(dǎo)致設(shè)備短路、線纜拉斷等,嚴重影響列車的運行安全。由于接觸線截面形狀的特殊性,使其舞動與輸電線的舞動具有不同的特點,考慮舞動理論的一致性,因此將鄧哈托垂直振動理論應(yīng)用于接觸線氣動力特性的研究是可行的。2003年,M.T.Stickland和T.J.Scanlon進行了一系列試驗,對接觸線的氣動力特性進行分析,并用鄧哈托垂直振動理論判斷其氣動穩(wěn)定性,為此類問題的研究提供了很好的借鑒,但是這些研究在風場模擬等方面存在一些不足,如雷諾數(shù)的取值與實際風場差別較大等,不能正確反映接觸線的氣動力特性。本文以我國高速鐵路的接觸線為原型,采用2∶1比例模型進行風洞試驗,研究其在不同紊流場中不同風速下的氣動力特性,并對模型進行舞動穩(wěn)定性分析。1接觸模型的風洞測試1.1剛性節(jié)段模型雖然接觸線的覆冰情況對其舞動有著重要影響,但是由于接觸線覆冰的厚度、形狀等沒有詳細的災(zāi)害資料,因此本試驗主要研究無覆冰接觸線的舞動。試驗以我國高速鐵路采用的AC-150型接觸線(截面積為150mm2)為原型。該接觸線遵照歐洲BSEN50149標準制造,由銅銀合金材料制成,截面基本形狀為圓形,在上半圓周的兩側(cè)有對稱的截面凹槽(如圖1所示)。試驗時按照2∶1的比例,制作長0.5m的AC-150型接觸線剛性節(jié)段模型,如圖2所示。模型用實心鋁棒制作,使其具有足夠的剛度,底部用螺栓固定在法蘭板上與高頻測力天平相連。1.2試驗結(jié)果和模擬風洞試驗的基本原則是需要滿足特定的相似比例關(guān)系。結(jié)合本次試驗?zāi)康囊约敖佑|線在風場中的受力特點,采用雷諾數(shù)相似準則。根據(jù)流體力學理論,定義風場中的雷諾數(shù)為Re=ρvD/μ(1)式中:ρ為空氣密度;μ為空氣的動力黏度系數(shù);v為現(xiàn)場風速;D表示流場中物體即接觸線的參考寬度。常溫常壓下,ρ=1.225kg·m-3,μ=17.9×10-6Pa·s?，F(xiàn)有的災(zāi)害資料統(tǒng)計表明,接觸線發(fā)生舞動時現(xiàn)場風速v約為8～15m·s-1。當D取接觸線截面外徑14.8mm時,接觸線的雷諾數(shù)范圍約為8000～15000。根據(jù)雷諾數(shù)相似準則和接觸線模型比例,試驗時取5,8和10m·s-1的風速,分別相當于10,16和20m·s-1的現(xiàn)場風速,基本覆蓋了接觸線發(fā)生舞動的現(xiàn)場風速范圍。風洞試驗時采取被動控制方法模擬0%,10%和14%等3種不同紊流場。0%紊流場即均勻紊流場為不布置格柵的空風洞,10%和14%紊流場為布置不同間距格柵的紊流場。14%紊流場格柵布置如圖3所示。1.3試驗數(shù)據(jù)分析風洞試驗在同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ2號風洞進行,采用六分量高頻測力天平測量接觸線模型的氣動力,該模型可以通過與底部轉(zhuǎn)盤的同步轉(zhuǎn)動變換迎風角度。試驗采樣頻率為1000Hz,采樣時間為2min,采樣數(shù)量為12×104點。建立接觸線模型體軸坐標系如圖4所示,圖中:x軸和y軸處于接觸線模型的水平橫截面上;z軸按照右手法則確定;α為風攻角,即風向與x軸負半軸的夾角,以順時針方向為正。試驗中風攻角α的變化范圍為-60°～60°,增量為5°。試驗直接測得的數(shù)據(jù)為接觸線模型的氣動力時程數(shù)據(jù),包括x軸方向受到的阻力Fx(t)和y軸方向受到的升力Fy(t)以及垂直方向的扭矩Mz(t)。將氣動力的采樣數(shù)據(jù)在時程內(nèi)取平均值,得到接觸線模型在測試時間內(nèi)受到的平均氣動力Fx,Fy,Mz。根據(jù)空氣動力學理論,接觸線模型的體軸氣動力系數(shù)為?????????????CFx=2Fxρv21D1HCFy=2Fyρv21D1HCMz=2Mzρv21D21H(2){CFx=2Fxρv12D1ΗCFy=2Fyρv12D1ΗCΜz=2Μzρv12D12Η(2)式中:CFx,CFy和CMz分別為接觸線模型的x向氣動力系數(shù)、y向氣動力系數(shù)和z向扭矩系數(shù);v1,D1和H分別為試驗風速、接觸線模型的參考寬度和參考高度。試驗時,v1分別取5,8和10m·s-1;D1為接觸線模型的截面外徑29.6mm;H為0.5m。根據(jù)坐標軸間的關(guān)系,將體軸氣動力系數(shù)CFx,CFy和CMz轉(zhuǎn)換為風軸氣動力系數(shù)???????CD=CFysinα+CFxcosαCL=CFycosα?CFxsinαCM=CMz(3){CD=CFysinα+CFxcosαCL=CFycosα-CFxsinαCΜ=CΜz(3)式中:CD,CL和CM分別為接觸線模型的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)。2接觸工程中的氣動力特征分析2.10接觸線模型的升力分析接觸線模型在0%紊流場中的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)如圖5所示,其最大值及最小值見表1。由圖5(a)和圖5(b)看出,阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨著風速的不斷增大而增大,表明接觸線模型受到的阻力和升力同時增加;與阻力系數(shù)和升力系數(shù)相比,在3種風速下扭矩系數(shù)值均較小,約在10-4～10-2之間,說明接觸線模型受到的扭轉(zhuǎn)作用并不明顯。在3種風速下,隨著風攻角的不斷變化,阻力系數(shù)均呈緩慢增加趨勢,但存在若干下降區(qū)域,最大值分別為0.903,1.951和2.931。接觸線模型在10m·s-1風速下,阻力系數(shù)曲線在-55°≤α≤-45°和45°≤α≤55°時出現(xiàn)拐點,說明截面凹槽對接觸線的阻力產(chǎn)生影響。升力系數(shù)曲線的負斜率區(qū)集中出現(xiàn)在-45°和5°風攻角附近。從趨勢上看,風攻角在-45°～5°之間時升力逐漸下降,之后緩慢上升,在45°風攻角之后突然增大。3條升力系數(shù)曲線在-45°風攻角附近均出現(xiàn)1個較明顯的波峰,在10m·s-1風速下尤其明顯。升力系數(shù)在-50°風攻角時產(chǎn)生最大值1.765,說明在此風攻角區(qū)域附近接觸線模型受到的升力最大。由于扭矩系數(shù)的數(shù)值較小,其對接觸線受力的影響有限。從圖5(c)的變化趨勢上看,5m·s-1風速下扭矩呈上升趨勢,而當風速升高至8和10m·s-1時扭矩反而呈下降趨勢。2.21-40和5風攻角接觸線模型在10%紊流場中的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)如圖6所示,其最大值及最小值見表2。由圖6看出,在10%紊流場中接觸線模型的阻力系數(shù)和升力系數(shù)仍隨風速的增大而增大,扭矩系數(shù)與0%紊流場相比略有增大,但與前二者相比仍處于較低水平,最大值僅為0.02左右。阻力系數(shù)曲線與0%紊流場相比波動性增大,在-40°風攻角左右出現(xiàn)波谷,在45°風攻角附近出現(xiàn)波峰,在風速較高時此趨勢較明顯。與圖5(a)相比,阻力系數(shù)增大約20%左右,說明接觸線模型在10%紊流場中受到的阻力大于0%紊流場中受到的阻力。升力系數(shù)曲線在-45°風攻角附近出現(xiàn)明顯波峰,3條曲線均在-45°風攻角時取最大值,說明在此風攻角處接觸線受到的升力最大。負斜率區(qū)同樣集中在-45°和5°風攻角附近。在20～50°風攻角之間出現(xiàn)1個較小的波谷。與圖5(b)相比,升力系數(shù)總體上有一定降低,且曲線波峰波谷較為明顯,說明接觸模型在紊流場中升力的變化比較顯著。扭矩系數(shù)隨風速增大略有增大,但不明顯。不同風速下,扭矩系數(shù)曲線變化趨勢相近,這說明在紊流場中接觸線模型受到的扭轉(zhuǎn)作用隨風速變化的趨勢并不顯著,而與風場的紊流情況關(guān)系密切。與圖5(c)相比,曲線的波動性明顯增大。綜合分析并與0%紊流場結(jié)果進行對比可知,在10%紊流場中接觸線模型受到的阻力明顯增大;升力雖然減小,但其數(shù)值的變化比較顯著,升力曲線具有2個較明顯的下降段。2.31紊流場接觸線模型在14%紊流場中的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)如圖7所示,其最大值及最小值見表3。由圖7(a)看出,阻力系數(shù)仍隨風速增大而增大,但最大值和最小值與0%紊流場相比降低約10%左右,但與10%紊流場相比降低30%左右。曲線的變化趨勢與0%和10%紊流場中相似,仍在-40°風攻角附近出現(xiàn)波谷,在45°風攻角附近出現(xiàn)波峰,且風速越高越明顯。由圖7(b)看出,升力系數(shù)的變化趨勢與10%紊流場中相似,曲線的下降段仍然集中在-45°和5°風攻角附近,在-45°風攻角附近出現(xiàn)波峰,但所不同的是在20～50°風攻角之間出現(xiàn)范圍較大的波谷,表明在此區(qū)域內(nèi)隨著紊流度的增大接觸線模型的升力也增大。由表3可知,升力系數(shù)的最大值與0%紊流場相比下降約50%。由圖7(c)看出,扭矩系數(shù)曲線波動明顯,但數(shù)值較小,其他特征與10%紊流場中基本一致。2.4紊流場(1)接觸線模型的截面凹槽會顯著影響其氣動力特性,由氣動力系數(shù)曲線可以看出氣動力系數(shù)在-45°和45°風攻角附近出現(xiàn)波峰或波谷。因為在這2個風攻角附近風向與截面凹槽的2條斜邊接近垂直,使接觸線模型受到的風阻礙作用最大,所以實測得到的阻力系數(shù)最大。(2)隨著接觸線模型所處紊流場的不同,模型的氣動力特征明顯變化。在0%和14%紊流場中模型的阻力系數(shù)相近,均小于10%紊流場,但升力系數(shù)隨著紊流度的升高不斷降低,14%紊流場中升力系數(shù)最低。這表明隨著紊流度的增加,模型受到的升力降低,同時升力系數(shù)的變化與紊流度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。(3)與升力和阻力系數(shù)相比,接觸線模型的扭矩系數(shù)一直很小,說明其在風荷載下受到的扭轉(zhuǎn)作用較小。3氣動阻尼對弛振的影響風洞試驗表明,接觸線模型在不同紊流場中不同風速下的扭矩系數(shù)都很小,而升力系數(shù)的變化較大,負斜率區(qū)域明顯,因此可以用鄧哈托垂直振動理論判別其舞動穩(wěn)定性。根據(jù)鄧哈托垂直振動理論,發(fā)生弛振時結(jié)構(gòu)的總阻尼η為η=2ρlζω+12ρvD(dCLdα+CD)(4)η=2ρlζω+12ρvD(dCLdα+CD)(4)式中:ρl為物體的線密度;ζ為機械阻尼;ω為自振圓頻率。式(4)等號后右數(shù)第1項和第2項分別稱為結(jié)構(gòu)的氣動阻尼和機械阻尼。當η>0時,結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,外界荷載輸入的能量會不斷耗散;當η=0時,結(jié)構(gòu)處于氣動失穩(wěn)的臨界狀態(tài);當η<0時,結(jié)構(gòu)發(fā)生氣動失穩(wěn),在這種情況下外界荷載輸入結(jié)構(gòu)的能量不會耗散,結(jié)構(gòu)在初始擾動的作用下會發(fā)生長時間的自激振動。由于結(jié)構(gòu)的機械阻尼恒大于0,所以要使結(jié)構(gòu)的總阻尼η小于0,必須使氣動阻尼小于0。因此,氣動阻尼小于0是結(jié)構(gòu)發(fā)生舞動的必要條件。由此可以得出結(jié)構(gòu)發(fā)生弛振的判別方法,其具體可用下式表示:δD=CD+dCLdα<0(5)δD=CD+dCLdα<0(5)式中:δD為橫風向鄧哈托系數(shù)。由風洞試驗得到不同紊流場中不同風速下接觸線模型的橫風向鄧哈托系數(shù)曲線,如圖8所示。由圖8看出,δD<0的區(qū)域出現(xiàn)在0%紊流場5m·s-1風速,10%紊流場10m·s-1風速和14%紊流場5m·s-1風速下?？傮w來看,橫風向鄧哈托系數(shù)隨著風速的升高而升高,但在-35°和35°風攻角處取最小值,曲線呈現(xiàn)2個明顯的波谷,說明此風攻角區(qū)域為接觸線模型舞動的危險區(qū)域。實際情況下,觸發(fā)接觸線舞動的風速為五到六級,即8～15m·s-1左右,風速超過20m·s-1時一般不容易發(fā)生舞動。試驗得到的橫風向鄧哈托系數(shù)曲線隨著風速的升高而增大,5m·s-1時橫風向鄧哈托系數(shù)最小,即在實際風場中10m·s-1時最容易發(fā)生舞動,與實際情況相符。4接觸線相對主要參數(shù)的確定由以上分析可知,當總阻尼η=0時是接觸線發(fā)生舞動的臨界狀態(tài)。則由式(4)得出接觸線舞動的臨界風速vc為vc=?2ρlζω12ρD(dCLdα+CD)(6)vc=-2ρlζω12ρD(dCLdα+CD)(6)其中,接觸線的自振圓頻率ω為ω=πl(wèi)Tm??√(7)ω=πl(wèi)Τm(7)式中:l和m分別為單跨接觸線的長度和質(zhì)量;T為接觸線的預(yù)張力。由式(6)和式(7)可以看出,接觸線舞動的臨界風速vc與自振圓頻率ω和機械阻尼ζ成正比,提高這2項參數(shù)可以提高接觸線舞動的臨界風速。武廣客運專線和京滬高速鐵路接觸線的預(yù)張力T分別為22和37kN,單跨接觸線長度l為60m,質(zhì)量m為80kg,則自振圓頻率ω分別為0.868和1.126rad·s-1。由于舞動最可能發(fā)生在橫風向鄧哈托系數(shù)值δD接近0時,因此取橫風向鄧哈托系數(shù)δD為-4～-1。根據(jù)我國高速鐵路接觸網(wǎng)的設(shè)計資料,D=14.8mm,ρ=1.225kg·m-3,ρl=1.335kg·m-1。根據(jù)M.T.Stickland的研究,接觸線的機械阻尼ζ約為0.05。由式(6)可得2種不同預(yù)張力下接觸線舞動的臨界風速,見表4。5特定流場間的氣動穩(wěn)定性(1)接觸線模型的截面凹槽會影響其氣動力特性,降低其氣動穩(wěn)定性;在-45°和45°風攻角附近,由于風向與接