基于COMSOL的城轨弓网电弧多物理场仿真研究.pdf
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1、西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6 0卷2 0 2 4年第1期 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 2 0 2 4 N o.1 D O I:1 0.1 6 7 8 3/j.c n k i.n w n u z.2 0 2 4.0 1.0 0 8收稿日期:2 0 2 3 0 3 3 0;修改稿收到日期:2 0 2 3 1 0 1 8基金项目:甘肃省科技专员专项(2 3 C X G A 0 0 2 3);中国国家
2、铁路集团有限公司科技研究开发计划重点课题(N 2 0 2 2 X 0 0 9)作者简介:宋梦杰(1 9 9 6),男,河南周口人,硕士研究生.主要研究方向为城市轨道交通弓网电弧温度特性.E m a i l:s m j 0 2 2 4 2 0 2 31 6 3.c o m*通讯联系人,女,副教授,博士.主要研究方向为电气化铁路接触网安全检测监测.E m a i l:y x y 1 6 2 71 6 3.c o m基于C OM S O L的城轨弓网电弧多物理场仿真研究宋梦杰,于晓英*,王 泽,苏 洋,杨隽睿(兰州交通大学 自动化与电气工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0)摘要:弓网电弧产生
3、的高温是烧蚀弓网系统材料的主要原因,研究弓网电弧发生机制,掌握弓网电弧温度分布规律,有助于减少电弧对弓网系统材料的烧蚀损伤,增加弓网系统服役寿命.文中基于磁流体动力学理论,根据弓网电弧数学模型设置相关初始条件,采用有限元软件C OM S O L对弓网电弧数学模型进行求解,分析弓网电弧温度分布及电弧两极表面的温度分布,并探究弓网电弧持续时间与弓网电弧温度的关系.结果表明,弓网电弧中心区域温度最高,接触线表面温度远远超过接触线材料的熔点;弓网电弧持续时间与弓网电弧温度呈正相关.关键词:城市轨道交通;弓网电弧;磁流体动力学;电弧温度中图分类号:U 2 2 5.3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0
4、 1-9 8 8(2 0 2 4)0 1-0 0 4 6-0 6R e s e a r c h o n m u l t i p h y s i c a l f i e l d s i m u l a t i o n o f p a n t o g r a p h a r ci n u r b a n r a i l t r a n s i t b a s e d o n C OM S O LS ONG M e n g-j i e,YU X i a o-y i n g,WANG Z e,S U Y a n g,YANG J u n-r u i(S c h o o l o f A u t o m
5、a t i o n&E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y,L a n z h o u 7 3 0 0 7 0,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:T h e h i g h t e m p e r a t u r e p r o d u c e d b y t h e p a n t o g r a p h a r c i s t h e m a i n r e a s o n f o r t h e a b l
6、a t i o n o f t h e p a n t o g r a p h c a t e n a r y s y s t e m m a t e r i a l s.S t u d y i n g t h e m e c h a n i s m o f t h e p a n t o g r a p h a r c a n d m a s t e r i n g t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e p a n t o g r a p h a r c w i l l h e l p r e d u c
7、e t h e a b l a t i o n o f t h e a r c o n t h e p a n t o g r a p h c a t e n a r y s y s t e m m a t e r i a l s a n d i n c r e a s e t h e s e r v i c e l i f e o f t h e p a n t o g r a p h c a t e n a r y s y s t e m.B a s e d o n t h e t h e o r y o f m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s,
8、t h i s p a p e r e s t a b l i s h e s a m a t h e m a t i c a l m o d e l s u i t a b l e f o r p a n t o g r a p h a r c p l a s m a b y s e t t i n g r e l e v a n t i n i t i a l c o n d i t i o n s a c c o r d i n g t o t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f p a n t o g r a p h a r c a n
9、d u s i n g t h e f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e C OM S O L t o s o l v e t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f p a n t o g r a p h a r c,a n a l y z e s t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f p a n t o g r a p h a r c a n d t h e s u r f a c e o f t h e t w o p o l
10、 e s o f a r c,a n d e x p l o r e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d u r a t i o n o f p a n t o g r a p h a r c a n d t h e t e m p e r a t u r e o f p a n t o g r a p h a r c.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e m p e r a t u r e i n t h e c e n t r a l a r e a o f t h
11、 e a r c i s t h e h i g h e s t,t h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f t h e c o n t a c t w i r e f a r e x c e e d s t h e m e l t i n g p o i n t o f t h e c o n t a c t w i r e m a t e r i a l,a n d t h e d u r a t i o n o f t h e p a n t o g r a p h a r c i s p o s i t i v e l y c o r r
12、 e l a t e d w i t h t h e t e m p e r a t u r e o f t h e p a n t o g r a p h a r c.T h i s w o r k c a n p r o v i d e a b a s i s f o r r e d u c i n g t h e n u m b e r o f a r c o c c u r r e n c e s i n t h e p a n t o g r a p h a n d c a t e n a r y,a s w e l l a s t h e e r o s i o n e f f e
13、 c t o f t h e a r c o n t h e p a n t o g r a p h a n d c a t e n a r y m a t e r i a l s.K e y w o r d s:u r b a n r a i l t r a n s i t;p a n t o g r a p h a r c;m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s;a r c t e m p e r a t u r e64 2 0 2 4年第1期 宋梦杰等:基于C OM S O L的城轨弓网电弧多物理场仿真研究 2 0 2 4 N o.1R e s e
14、 a r c h o n m u l t i p h y s i c a l f i e l d s i m u l a t i o n o f p a n t o g r a p h a r c i n u r b a n r a i l t r a n s i t b a s e d o n C OM S O L 近年来,随着我国交通运输业的迅速发展,城市轨道交通因其具有载人流量大、速度快、安全稳定、绿色环保、方便快捷等优点在各中大城市得到了快速发展1.弓网系统的良好接触是保证城轨列车安全稳定运行的重要因素之一2-4.随着科技的发展,城轨列车速度不断提升,受电弓与接触线之间振动加剧,导致弓
15、网离线次数剧增,城轨弓网电弧频发,严重影响城轨列车安全运行5-6.弓网电弧其实是气体放电现象,在弓网离线瞬间,如果受电弓与接触线之间的电压大于弓网起弧电压,弓网空气间隙将会被击穿,产生弓网电弧.发生弓网电弧时,会产生大量的热量,反复作用于弓网系统材料表面,将会严重烧蚀弓网系统材料,影响弓网系统受流质量,缩短弓网系统服役寿命,可能导致接触线断裂,造成城轨列车运行事故5-8.因此有必要研究城轨弓网电弧温度特性及电弧温度分布情况,了解电弧产生机制,掌握弓网电弧温度分布规律,可为延长弓网设备寿命、提高受流质量、减少燃弧次数等提供关键数据9.弓网电弧现象是由热场、流场、电磁场等多物理场相互耦合变化的过程
16、,与开关电弧相比,由于弓网电弧维持着回路电流,更不容易熄灭1 0-1 3.对于弓网电弧,国内外学者开展了相关研究.胡怡等1 4通过光谱诊断法和红外相机对降弓过程中弓网电弧温度进行研究,得出在降弓过程中,接触线表面温度高于碳滑板表面温度,碳滑板与接触线温度上升趋势变缓.王君鹏1 5通过直流弓网电弧实验,采集弓网电弧相关电气数据,使用摄像机捕捉电弧的燃弧图像,研究了弓网电弧相关特性,得出弓网系统在负向电源供电下容易产生弓网电弧,弓网之间电流越大燃弧就越剧烈.W e i等1 6提出弓网系统磨损率的计算模型,可近似预测弓网系统磨损情况,并通过实验验证该计算模型.预测结果与实际磨损相吻合,可为延长弓网系
17、统服役寿命提供数据参考.X u等1 7搭建了弓网电弧实验平台,研究了不同气压和气流速度情况下电弧弧根的位置与时间,出现在低压下电弧的起弧时间与弧根滞留时间明显比常压下的时间长,导致弓网系统烧蚀更加严重.文中在前述研究弓网电弧的基础上,借鉴开关电弧研究方法,基于磁流体动力学理论,结合麦克斯韦方程组与流体方程组,建立适用于城轨弓网电弧等离子体的数学模型.根据弓网电弧数学模型设置相关初始条件,并利用有限元软件C OM S O L对电弧数学模型进行仿真求解,分析仿真结果并探究弓网电弧持续时间与弓网电弧温度的关系.1 城轨弓网电弧仿真建模城轨弓网电弧内部物理化学过程十分复杂,为了简化弓网电弧等离子体的计
18、算过程,根据弓网电弧实际情况提出以下假设1 8:假设弓网电弧稳定存在;弓网电弧存在时,系统物性参数变化较小;弓网电弧等离子体磁导率为常数;弓网电弧存在时,电弧等离子体流场符合局部热力学平衡要求.1.1 弓网电弧物理发生过程弓网电弧发生过程是由热场、流场和电磁场相互作用耦合形成的结果,相互作用过程如图1所示.首先设置初始条件对模型初始化,通过设置初始压力与温度来确定弓网电弧等离子体的电导率,利用电磁方程得出电位分布和电场分布.弓网系统中电流会产生焦耳热,使得弓网电弧温度快速升高,会导致弓网系统物性参数发生改变.同时弓网电弧受电磁力的影响,使得电弧等离子体流场不断变化.弓网电弧整个系统会以热传导、
19、热对流和热辐射的形式与外界流场不断发生能量传递.同时列车高速行驶及弓网系统状态的变化不仅会引起电弧等离子体流场的变化,也会改变弓网电弧系统物性参数,而物性参数的改变反过来也会影响流场的变化.整个物理过程不断变化,相互影响,最终形成稳定的弓网电弧等离子体流场分布.图1 城轨弓网电弧物理发生过程F i g 1 P h y s i c a l o c c u r r e n c e p r o c e s s o f u r b a n r a i lp a n t o g r a p h a r c1.2 弓网电弧数学模型磁流体动力学理论是基于传统流体力学与电磁学相结合发展而产生的理论,它是研究在
20、电磁场中,带电流体运动变化的一门学科1 9.磁流体传74西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6 0卷 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 热理论包括流体动力学方程组和麦克斯韦电磁方程组.1.2.1 流体力学方程组 根据流体传热理论,流体动力学基本守恒方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,具体形式如下.t+(u)x+(v)y+(w)z =0;(vi)t+d i v(v vi)=2k=1 xk vi x
21、k+vk xi -p x+Sv i;(T)t+d i v(v T)=d i vCpg r a dT +ST.(1)(2)(3)其中,为流体密度;u,v,w为各个方向的流体速度;vi为不同坐标上的速度分量;为粘性系数;p为等离子流体压强;T为电弧温度;为等离子体热导率;Cp为比热容;Sv i为流体动量守恒方程的源项;ST为流体能量守恒方程的源项.(2)式中Sv i表示动量守恒方程的源项为Sv i=j(B0+Bi),(4)其中,j为电流密度;B0为电弧自身电流所产生磁感应强度;Bi为接触线电流所产生的磁感应强度.(3)式中ST表示能量守恒方程的源项为ST=t+1j2+V-QR,(5)其中,为电导率
22、;V为电弧的粘性耗散项;QR为电弧辐射消耗的能量.1.2.2 麦克斯韦电磁方程 根据动量守恒方程中的源项方程可知,要求解源项就需要求出电流密度和磁感应强度,求解方程为d i v(g r a d)=0,(6)j=-g r a d.(7)可通过(6)式和(7)式求解出电流密度j.磁感应强度的求解包括两部分,一部分是电弧自身电流产生的;另一部分是接触线电流产生的.计算接触线电流产生磁感应强度方法为,将导线等效为一根半无限长电流线,用毕奥-萨伐定律来求解,可通过(8)式得到.计算自身电流产生磁感应强度方法可以利用磁矢位方法进行求解,可通过(9)(1 1)式得到,这里Bi=14 ri e,(8)其中,i
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