風(fēng)攻角對接觸線模型氣動力特性的影響

自20世紀(jì)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(xué)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(fēng)性能改進(jìn)和覆冰融冰試驗等,但都未涉及其氣動力特性和舞動機(jī)理方面。接觸網(wǎng)中的接觸線是直接為機(jī)車提供動力電源的裝置,在機(jī)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(yán)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(jìn)行了一系列試驗,對接觸線的氣動力特性進(jìn)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(fēng)場模擬等方面存在一些不足,如雷諾數(shù)的取值與實際風(fēng)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(jìn)行風(fēng)洞試驗,研究其在不同紊流場中不同風(fēng)速下的氣動力特性,并對模型進(jìn)行舞動穩(wěn)定性分析。1接觸模型的風(fēng)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)場中的受力特點,采用雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則。根據(jù)流體力學(xué)理論,定義風(fēng)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(fēng)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(fēng)速v約為8～15m·s-1。當(dāng)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(zhǔn)則和接觸線模型比例,試驗時取5,8和10m·s-1的風(fēng)速,分別相當(dāng)于10,16和20m·s-1的現(xiàn)場風(fēng)速,基本覆蓋了接觸線發(fā)生舞動的現(xiàn)場風(fēng)速范圍。風(fēng)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(fēng)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(fēng)洞試驗在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ2號風(fēng)洞進(jìn)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(fēng)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(biāo)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(fēng)攻角,即風(fēng)向與x軸負(fù)半軸的夾角,以順時針方向為正。試驗中風(fēng)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(xué)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(fēng)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(biāo)軸間的關(guān)系,將體軸氣動力系數(shù)CFx,CFy和CMz轉(zhuǎn)換為風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速下,隨著風(fēng)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(fēng)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(fù)斜率區(qū)集中出現(xiàn)在-45°和5°風(fēng)攻角附近。從趨勢上看,風(fēng)攻角在-45°～5°之間時升力逐漸下降,之后緩慢上升,在45°風(fēng)攻角之后突然增大。3條升力系數(shù)曲線在-45°風(fēng)攻角附近均出現(xiàn)1個較明顯的波峰,在10m·s-1風(fēng)速下尤其明顯。升力系數(shù)在-50°風(fēng)攻角時產(chǎn)生最大值1.765,說明在此風(fēng)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(fēng)速下扭矩呈上升趨勢,而當(dāng)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)攻角左右出現(xiàn)波谷,在45°風(fēng)攻角附近出現(xiàn)波峰,在風(fēng)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(fēng)攻角附近出現(xiàn)明顯波峰,3條曲線均在-45°風(fēng)攻角時取最大值,說明在此風(fēng)攻角處接觸線受到的升力最大。負(fù)斜率區(qū)同樣集中在-45°和5°風(fēng)攻角附近。在20～50°風(fēng)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(fēng)速增大略有增大,但不明顯。不同風(fēng)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(fēng)速變化的趨勢并不顯著,而與風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(fēng)攻角附近出現(xiàn)波谷,在45°風(fēng)攻角附近出現(xiàn)波峰,且風(fēng)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(fēng)攻角附近,在-45°風(fēng)攻角附近出現(xiàn)波峰,但所不同的是在20～50°風(fēng)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(fēng)攻角附近出現(xiàn)波峰或波谷。因為在這2個風(fēng)攻角附近風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)洞試驗表明,接觸線模型在不同紊流場中不同風(fēng)速下的扭矩系數(shù)都很小,而升力系數(shù)的變化較大,負(fù)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(jī)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(jī)械阻尼。當(dāng)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(dāng)η=0時,結(jié)構(gòu)處于氣動失穩(wěn)的臨界狀態(tài);當(dāng)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(jī)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(fēng)向鄧哈托系數(shù)。由風(fēng)洞試驗得到不同紊流場中不同風(fēng)速下接觸線模型的橫風(fēng)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(fēng)速,10%紊流場10m·s-1風(fēng)速和14%紊流場5m·s-1風(fēng)速下?？傮w來看,橫風(fēng)向鄧哈托系數(shù)隨著風(fēng)速的升高而升高,但在-35°和35°風(fēng)攻角處取最小值,曲線呈現(xiàn)2個明顯的波谷,說明此風(fēng)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(fēng)速為五到六級,即8～15m·s-1左右,風(fēng)速超過20m·s-1時一般不容易發(fā)生舞動。試驗得到的橫風(fēng)向鄧哈托系數(shù)曲線隨著風(fēng)速的升高而增大,5m·s-1時橫風(fēng)向鄧哈托系數(shù)最小,即在實際風(fēng)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(dāng)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(fēng)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(fēng)速vc與自振圓頻率ω和機(jī)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(fēng)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(fēng)向鄧哈托系數(shù)值δD接近0時,因此取橫風(fēng)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(jī)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(fēng)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(fēng)攻角附近,由于風(fēng)向與接