- 頭條當輸電線跨越鐵路時，需架設多高，才能不被高鐵卷起的勁風損傷？2020-02-22 作者：張玉嬋、何正浩 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院、華中科技大學電氣與電子工程學院的研究人員張玉嬋、何正浩，在2019年第5期《電氣技術》雜志上撰文（標題為“基于Fluent分析交叉跨越輸電線路流場分布”）指出，高速鐵路憑借便捷及舒適度優勢，近年建設規模飛速發展。針對跨越高鐵接觸網的輸電線路交叉點進行大量觀測，當高鐵駛過時，該點線路會發生由氣流波動引起的振動現象，加劇疲勞損傷，導致機械特性降低，造成掉線事故。 研究振動現象及危害，需先研究列車風對交叉線路流場分布的影響，但國內外尚無相關的研究。本文采用創新性思維，基于Fluent有限元分析軟件，對跨接觸網的線路交叉點周圍流速場分布進行數值模擬，處理分析后發現線路周圍列車風風速方向處于交替變化狀態，預測列車風會加劇線路疲勞損傷，建議跨越高鐵線路要有不小于9m的對地距離。
隨著生活節奏的加快，社會對出行工具的要求不斷增加，因此高速鐵路的建設在國內外快速發展。為迎合市場需求，現有研究集中關注如何改善電力機車動力、提高列車車速，缺乏對高速列車周圍的流場研究。同時隨著鐵路建設規模的擴大，交叉跨越接觸網的輸電線路供電穩定性亟待解決。而國內外尚無針對列車風對交叉線路振動的影響研究，線路設計時也未考慮由此類振動誘發的疲勞損傷及安全性降低的問題。
在有關列車風的中外文相關文獻中，很多學者用有限元分析軟件軟件ANSYS的Fluent模塊建立二、三維模型并進行流速場理論研究和分析。比如對列車鄰線結構的研究，包括附近人體和建筑物、高鐵客站、列車會車等；對列車跨線結構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流模型和面元法，研究了列車高速通過跨線天橋時作用在其表面的氣動壓力，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為例，采用有限元分析的思維，研究了跨線天橋的列車風致結構動力特性，確定了調諧質量阻尼器（tuned mass damper, TMD）阻尼的減振作用。
張帥等人采用保留脈動成分的大渦模擬（large eddy simulation, LES）和平均風壓的雷諾時均（Reynolds average navier-stockes, RANS）湍流模型分別進行數值計算，并利用Fluent軟件對跨線天橋結構的脈動風場進行數值模擬，探討風壓時程中脈動風壓在空間的分布規律及脈動風能里所占的比例。交叉跨高鐵越接觸網的輸電線路，可以參考跨線天橋結構進行研究。
在有關高鐵接觸網的相關文獻中，由于實驗條件制約等客觀原因的存在，建立高速接觸網模型，仿真分析是研究力學性能的重要手段。接觸網動力學建模的方法主要有：有限差分法、有限單元法、模態疊加法。
劉志剛等人總結了接觸網初始平衡態求解的發展歷程和現狀，為精確分析弓網動態響應提供了依據。Carnicero等人采用非線性有限元方法建立了接觸網模型，并針對弓網耦合的移動網格算法。Ikeda等人通過建立接觸網的非線性模型，并提出了弓網的檢測與振動控制方案。
Alberto和Benet分別開發了弓網二維和三維非線性仿真平臺。王圣昆總結了接觸網風振的研究現狀，并設計了風振在線檢測的設備。Stickland等人通過實驗獲取了接觸線的氣動系數，并由此計算得到接觸線受風的鄧哈托系數。
Pombo等人采用Von Karman形式的風功譜分別模擬得到橫向脈動風場和縱向脈動風場，根據氣動系數計算脈動風對接觸網的作用力并采用多體動力學方法分析了脈動風對弓網受流質量的影響。對于交叉跨越高鐵的輸電線路風振問題，可以參考接觸網風振進行研究。
圖1 高鐵模型及計算域尺寸
圖2 模型網格劃分
結論
本文針對線路運維現場觀測到的振動現象，建立高鐵模型并在有限元分析軟件Fluent中進行流場仿真，通過對測點（1,…,6）的風速v(t)曲線、x軸方向風速vu(t)曲線和y軸方向風速vv(t)曲線進行模擬數據輸出和分析，可預測線路周圍的風場分布。為防止線路振動提供理論依據。主要結論有：
1）動車組以300km/h的速度穿過跨越輸電線路時，對對地距離小于12m的線路周圍的空氣流場有擾動影響，以7～10m最為顯著且波峰速度可達15～20m/s。
2）高速列車通過時，流場中跨越導線附近的風速方向處于交替變化狀態，這將使其受力產生很大波動，并對抗疲勞性能產生不利影響。
3）在進行跨越高鐵輸電線路及桿塔設計時，需要考慮列車風的存在性和特殊性，建議線路在跨越區域的對地距離不小于9m。
