高速动车组受电弓导流罩优化设计.docx

高速动车组受电弓导流罩优化设计【摘要】高速动车组在高速运行时空气阻力增大气动噪声问题也日益突出。在受电弓区域引入导流罩可有效的降低受电弓区域绝缘子等设备产生的气动噪声但空气阻力也相应增大。为了避免增加导流罩所带来的阻力增大对受电弓导流罩的迎风面进行优化设计导流罩外形为流线型曲面纵向剖面为抛物线型。应用Fluent对两种不同外形导流罩的外流场和气动噪声进行数值模拟和分析。计算结果表明前部为抛物线拉伸曲面并在侧前部做圆滑过渡处理的受电弓导流罩对列车运行阻力影响较小。【关键词】动车组；导流罩；气动噪声；数值模拟；Fluent引言高速动车组在高速运行时噪声问题也日益突出既影响乘客乘车的舒适性又影响周围居民的正常生活。集电部的空气动力噪声增长迅速远高于其他噪声增长幅度这是因为空气动力噪声与速度的6次方成正比而其他噪声与速度的2次方或3次方成正比[1]。在受电弓区域引入导流罩可有效的降低受电弓区域绝缘子等设备产生的气动噪声但空气阻力也相应增大。因此为了避免增加导流罩所带来的阻力增大对受电弓导流罩的迎风面进行优化设计十分必要。1、导流罩的设计高速动车组的集电部由受电弓、高压互感器、绝缘子等电器设备组成。日本对集电部气动噪声的抑制措施主要有下面四种：在车顶引入导流罩它由围绕受电弓的几块遮护板组成主要起两个作用：既是一个降低集电部周围气流速度的挡风罩又是一个阻挡集电部噪声扩散的声音屏障[2]；导流罩的前倾角越小、引导面的长度越长、前倾面与引导面的导圆半径越大时导流罩的表面总声功率与阻力系数越小。在对高速列车集电部的导流罩进行设计时优先考虑这样的导流罩不仅能对集电部起到一定的降噪作用而且它本身的噪声也比较小[3]。受电弓滑板部位升弓状态位置较高要想有效避开气流需增加导流罩的高度能有效的降低噪音的产生但会对列车的运行带来较大的阻力并且导流罩高度增加重量也会随之变大影响车辆轴重的要求。针对CRH2型动车组根据受电弓区域特有的结构和空间结构设计了封闭型导流罩模型1和模型2分别如图1和图2所示。两种导流罩外形均为流线型曲面纵向剖面为抛物线型。两种导流罩设计高度为600mm长度为6980mm其中模型1前部为弧形并设计有导流槽以利于气流接触迎风面后的分流模型2前部为抛物线拉伸曲面在侧前部做圆滑过渡处理。2、求解设置计算速度为380km/h稳态RANS计算采用的是标准模型空间离散格式选择二阶精度迎风格式。计算域的外流场边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、固定壁面边界条件。模型表面与计算域底面采用固定壁面计算域顶面和侧面采用标准对称面中央对称平面也采用标准对称面[4]。入口边界条件采用速度入口边界（velocity-inlet）要求输入湍动能k和湍流耗散率ε的值。出口边界条件采用压力出口边界（pressure-outlet）需要输入湍流强度I与水力直径DH的值。湍流强度I按下式计算：式中u'与分别为湍流脉动速度与平均速度；为按照水力直径计算得到的雷诺数。水力直径其中RH—水力半径A—过流断面的面积X—湿周。雷诺数按下式计算：式中—空气动力粘度取1.7894e-5Pa·s；ρ—空气密度取1.225kg/m3。湍动能k按下式计算：湍流耗散率按下式计算：对标准模型取0.09。3、数值模拟结果分析对模型1及模型2在350km/h速度下进行数值模拟计算求解后取对称面上的流动如图3、图4所示。从图3及图4中可以看出增加导流罩后对气流的导向作用使气流经迎风面后上升避开了绝缘子、安装座等设备减小了气动噪声的产生；迎风面的设计会对气流产生影响对降低噪声有不同的效果但都会带来阻力的增加。受电弓滑板部位升弓状态位置较高要想有效避开气流需增加导流罩的过度能有效的降低噪音的产生但会对列车的运行带来较大的阻力并且导流罩高度增加重量也会随之变大因此未通过增加导流罩高度来优化受电弓滑板产生的噪声问题。以不设置导流罩时的噪声及阻力为参考值计算得出阻力比不同模型噪声及阻力比结果如表1所示。4、结论在受电弓区域增加导流罩之后能有效的降低车外噪音和车内噪音但随之阻力也会相应增大。根据数值计算分析与不设置导流罩时相比模型1和模型2均能使受电弓区域的噪音至少降低4dB。根据计算结果模型2的阻力比相对较小其造型设计对列车的运行更为有利。在受电弓周边设置导流罩对降低受电弓区域噪音来说是必要的但对列车的运行阻力却带来了不利影响。因此在设计导流罩时应兼顾对噪音和阻力的影响综合考虑来进行取舍和优化。参考文献[1]MitsuruIkeda.低噪