隨著生活節(jié)奏的加快，社會(huì)對(duì)出行工具的要求不斷增加，因此高速鐵路的建設(shè)在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展。為迎合市場(chǎng)需求，現(xiàn)有研究集中關(guān)注如何改善電力機(jī)車動(dòng)力、提高列車車速，缺乏對(duì)高速列車周圍的流場(chǎng)研究。同時(shí)隨著鐵路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，交叉跨越接觸網(wǎng)的輸電線路供電穩(wěn)定性亟待解決。而國(guó)內(nèi)外尚無針對(duì)列車風(fēng)對(duì)交叉線路振動(dòng)的影響研究，線路設(shè)計(jì)時(shí)也未考慮由此類振動(dòng)誘發(fā)的疲勞損傷及安全性降低的問題。

在有關(guān)列車風(fēng)的中外文相關(guān)文獻(xiàn)中，很多學(xué)者用有限元分析軟件軟件ANSYS的Fluent模塊建立二、三維模型并進(jìn)行流速場(chǎng)理論研究和分析。比如對(duì)列車鄰線結(jié)構(gòu)的研究，包括附近人體和建筑物、高鐵客站、列車會(huì)車等；對(duì)列車跨線結(jié)構(gòu)的研究集中在跨線天橋方面。

雷波等人采用三維不可壓縮勢(shì)流模型和面元法，研究了列車高速通過跨線天橋時(shí)作用在其表面的氣動(dòng)壓力，用Fluent軟件分析了跨線天橋壓力分布的基本特征。楊亦軍等人以日本靜岡車站跨線橋?yàn)槔?，采用有限元分析的思維，研究了跨線天橋的列車風(fēng)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，確定了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned mass damper, TMD）阻尼的減振作用。

張帥等人采用保留脈動(dòng)成分的大渦模擬（large eddy simulation, LES）和平均風(fēng)壓的雷諾時(shí)均（Reynolds average navier-stockes, RANS）湍流模型分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并利用Fluent軟件對(duì)跨線天橋結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討風(fēng)壓時(shí)程中脈動(dòng)風(fēng)壓在空間的分布規(guī)律及脈動(dòng)風(fēng)能里所占的比例。交叉跨高鐵越接觸網(wǎng)的輸電線路，可以參考跨線天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

在有關(guān)高鐵接觸網(wǎng)的相關(guān)文獻(xiàn)中，由于實(shí)驗(yàn)條件制約等客觀原因的存在，建立高速接觸網(wǎng)模型，仿真分析是研究力學(xué)性能的重要手段。接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)建模的方法主要有：有限差分法、有限單元法、模態(tài)疊加法。

劉志剛等人總結(jié)了接觸網(wǎng)初始平衡態(tài)求解的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，為精確分析弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了依據(jù)。Carnicero等人采用非線性有限元方法建立了接觸網(wǎng)模型，并針對(duì)弓網(wǎng)耦合的移動(dòng)網(wǎng)格算法。Ikeda等人通過建立接觸網(wǎng)的非線性模型，并提出了弓網(wǎng)的檢測(cè)與振動(dòng)控制方案。

Alberto和Benet分別開發(fā)了弓網(wǎng)二維和三維非線性仿真平臺(tái)。王圣昆總結(jié)了接觸網(wǎng)風(fēng)振的研究現(xiàn)狀，并設(shè)計(jì)了風(fēng)振在線檢測(cè)的設(shè)備。Stickland等人通過實(shí)驗(yàn)獲取了接觸線的氣動(dòng)系數(shù)，并由此計(jì)算得到接觸線受風(fēng)的鄧哈托系數(shù)。

Pombo等人采用Von Karman形式的風(fēng)功譜分別模擬得到橫向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和縱向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，根據(jù)氣動(dòng)系數(shù)計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)的作用力并采用多體動(dòng)力學(xué)方法分析了脈動(dòng)風(fēng)對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響。對(duì)于交叉跨越高鐵的輸電線路風(fēng)振問題，可以參考接觸網(wǎng)風(fēng)振進(jìn)行研究。

圖1 高鐵模型及計(jì)算域尺寸

圖2 模型網(wǎng)格劃分

結(jié)論

本文針對(duì)線路運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的振動(dòng)現(xiàn)象，建立高鐵模型并在有限元分析軟件Fluent中進(jìn)行流場(chǎng)仿真，通過對(duì)測(cè)點(diǎn)（1,…,6）的風(fēng)速v(t)曲線、x軸方向風(fēng)速vu(t)曲線和y軸方向風(fēng)速vv(t)曲線進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)輸出和分析，可預(yù)測(cè)線路周圍的風(fēng)場(chǎng)分布。為防止線路振動(dòng)提供理論依據(jù)。主要結(jié)論有：

1）動(dòng)車組以300km/h的速度穿過跨越輸電線路時(shí)，對(duì)對(duì)地距離小于12m的線路周圍的空氣流場(chǎng)有擾動(dòng)影響，以7～10m最為顯著且波峰速度可達(dá)15～20m/s。

2）高速列車通過時(shí)，流場(chǎng)中跨越導(dǎo)線附近的風(fēng)速方向處于交替變化狀態(tài)，這將使其受力產(chǎn)生很大波動(dòng)，并對(duì)抗疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

3）在進(jìn)行跨越高鐵輸電線路及桿塔設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮列車風(fēng)的存在性和特殊性，建議線路在跨越區(qū)域的對(duì)地距離不小于9m。