1.本发明属于高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法。
背景技术：2.随着高速列车的迅速发展，目前高速列车运行时速已经超过300km/h，高速列车车顶绝缘子是车体高压隔离与受电弓机械支撑的关键设备，其良好的绝缘服役性能是保障列车安全运行的基本条件。高速列车车顶绝缘子在运行中必然受到高速气流的影响。在高速列车加速启动与减速停止时，高铁车顶绝缘子表面流场的分布与恒速情况相比具有不同的分布规律，高铁列车在加速与减速情况下绝缘子表面流场可能会出现更加复杂的分布情况，这会对绝缘子表面流速、气压、密度分布产生重要影响，必然会对高铁车顶外绝缘放电特性产生影响。
3.现有技术中，国内外研究人员针对气流环境气体放电特性，气流环境下绝缘子表面放电特征，真空环境下沿面闪络特性，气体放电与沿面闪络的竞争机制，固体快速移动其背部流场特性等方面进行了大量研究，也已获得诸多成果。但对于高速列车运行中的加速度对车顶绝缘子表面流场分布特性影响的研究较少，因此有必要研究不同加速度情况下列车及绝缘子周围气流分布特性，为列车启动和减速情况下车顶流场分布规律与设计以及绝缘子闪络机理提供参考依据。
4.基于此，研发人员提出了一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，以解决高速列车运行中的加速度对车顶绝缘子表面流场分布特性影响的研究不足的问题。
6.为了解决以上问题，本发明技术方案为：一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，该方法分为以下步骤：步骤s1：基于有限元仿真进行高铁车顶绝缘子模型几何建模，以大气环境为流场，以高铁绝缘子为固体点，建立流场模型和固体运动模型，并设置高铁和绝缘子的几何参数；步骤s2：随着高铁绝缘子运动，对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行编号并更新各固体点周围流场分布情况；对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行标注：列车在平面内从右向左行驶时，由于每个绝缘子表面流场分布不同，将第一个绝缘子迎风面的头部标注为1，根部标注为3，背风面头部标注为2，根部标注为4；将第二个绝缘子迎风面的头部标注为5，根部标注为7，背风面头部标注为6，根部标注为8；步骤s3：基于有限元仿真进行材料参数设置；基于有限元仿真中材料参数设置，设置相应区域的动力粘度、密度、杨氏模量、泊松比；
步骤s4：在有限元仿真中进行物理场设置、网格剖分及求解计算；物理场设置包括设置“固体力学”、“层流”、“全局常微分方程”；计算可知：在正加速度条件下，绝缘子背风面处为绝缘子薄弱位置；在负加速度情况下，绝缘子迎风面处为绝缘子薄弱位置。
7.进一步的，步骤s1中具体步骤为：根据高铁及绝缘子的实际形状和尺寸，构建出简易几何模型，设置高铁和绝缘子几何参数；具体尺寸为：空气域长度650m，高度150m；高铁尺寸60m
×
30m；绝缘子尺寸10m
×
10m，绝缘子之间相隔30m；高铁头部与尾部为u型。
8.进一步的，步骤s3中材料参数为：高铁运行中的层流材料为空气，动力粘度设置为随温度变化的函数式eta（t），密度设置为随压力与温度变化的函数式rho（pa，t）；高铁材料为铝合金，密度3900kg/m3，杨氏模量300e9pa，泊松比0.222；绝缘子材料为石英玻璃，密度2203kg/m3，杨氏模量73.1e9pa，泊松比0.17。
9.进一步的，步骤s4中具体的设置过程为：“层流”物理场中，在空气域的一端设置“入口”边界条件，设定气压值并抑制回流，在另一端设置“出口”边界条件以构成空气域的流通；“固体力学”物理场中，添加“加速度”边界条件，其余边界条件保持默；网格剖分包括对高铁绝缘子和空气进行网格剖分，本实施例中完整网格包含5115个单元；使用移动网格技术求解列车高速运行时流固耦合带来的网格大变形问题；设置求解步长0.1s和求解时间6s，选择全耦合的计算模式，选择自动重新划分网格，在瞬态求解器中开启anderson加速度，即可开始计算。
10.进一步的，步骤s4中具体的计算结果为：相比恒速条件而言，正负加速度情况下绝缘子表面流速分布差异更大，正负加速度情况下绝缘子表面流速分布差值约为恒速情况下绝缘子表面流速分布差值的1.57-1.86倍。
11.本发明的有益效果如下：（1）本发明基于有限元仿真进行高铁车顶绝缘子模型几何建模，以大气环境为流场，以高铁绝缘子为固体点，建立流场模型和固体运动模型，并设置高铁和绝缘子的几何参数；对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行编号并更新各固体点周围流场分布情况；使用有限元仿真方法对模型进行材料参数设置；使用有限元仿真方法对模型进行物理场设置、网格剖分及求解计算。仿真结果可为探究气流环境下加速度对气固界面放电影响特性提供参考依据。
12.（2）本发明同时考虑加速度方向、加速度大小，并将加速度情况下绝缘子表面流场分布与恒速情况绝缘子表面流场分布做出对比，分析不同加速度情况下绝缘子表面流场的速度、压力、密度变化，并得出正负加速度情况下绝缘子表面流速分布差值约为恒速情况下绝缘子表面流速分布差值的1.57-1.86倍的结论，该参数可用于分析加速度对高铁车顶绝缘子表面流场的影响特性，为探明高速列车启动和刹车时车顶绝缘子流场分布规律与车顶绝缘子闪络机理及高铁车顶流场设计提供重要的参考依据。
附图说明
13.图1为一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法的流程图；图2为实施例中的高铁绝缘子几何模型图；图3为实施例中选取的3号点流场速度分布点图；图4为实施例中选取的3号点流场压力分布点图；图5为实施例中选取的3号点流场密度分布点图。
具体实施方式
14.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
15.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例
16.如图1所示，一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，具体包括以下步骤。
17.步骤s1：基于有限元仿真进行高铁车顶绝缘子模型几何建模，以大气环境为流场，以高铁绝缘子为固体点，建立流场模型和固体运动模型，并设置高铁和绝缘子的几何参数；根据高铁及绝缘子的实际形状和尺寸，构建出简易几何模型，如图2所示，设置高铁和绝缘子几何参数。
18.本实施例中，空气域长度650m，高度150m；高铁尺寸60m
×
30m；绝缘子尺寸10m
×
10m，绝缘子之间相隔30m；高铁头部与尾部为u型。
19.步骤s2：随着高铁绝缘子运动，对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行编号并更新各固体点周围流场分布情况；为了便于分析说明，对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行标注：列车在平面内从右向左行驶时，由于每个绝缘子表面流场分布不同，将第一个绝缘子迎风面的头部标注为1，根部标注为3，背风面头部标注为2，根部标注为4；将第二个绝缘子迎风面的头部标注为5，根部标注为7，背风面头部标注为6，根部标注为8。
20.步骤s3：基于有限元仿真进行材料参数设置；基于有限元仿真中材料参数设置，设置相应区域的动力粘度、密度、杨氏模量、泊松比。
21.高铁运行中的层流材料为空气，动力粘度设置为随温度变化的函数式eta（t），密度设置为随压力与温度变化的函数式rho（pa，t）。
22.高铁材料为铝合金，密度3900kg/m3，杨氏模量300e9pa，泊松比0.222；绝缘子材料为石英玻璃，密度2203kg/m3，杨氏模量73.1e9pa，泊松比0.17。
23.步骤s4：在有限元仿真中进行物理场设置、网格剖分及求解计算。
24.物理场设置包括设置“固体力学”、“层流”、“全局常微分方程”；其中，“层流”物理场中，在空气域的一端设置“入口”边界条件，设定气压值并抑制回流，在另一端设置“出口”边界条件以构成空气域的流通；“固体力学”物理场中，添加“加速度”边界条件，其余边界条件保持默。
25.网格剖分包括对高铁绝缘子和空气进行网格剖分，本实施例中完整网格包含5115个单元。
26.使用移动网格技术求解列车高速运行时流固耦合带来的网格大变形问题；设置求解步长0.1s和求解时间6s，选择全耦合的计算模式，选择自动重新划分网格，在瞬态求解器中开启anderson加速度，即可开始计算。
27.图3是经过以上步骤计算得到的t＝5s时模型3号点的流场速度分布点图。
28.可以清晰的看到在绝缘子该点处速度在5s前逞直线上升的趋势，在5s时速度略微下降但整体仍呈现上升趋势。
29.图4是经过以上步骤计算得到的t＝5s时模型3号点的流场压力分布点图。
30.与流速分布点图不同，压力分布点图呈缓慢上升趋势，同样在5s时压力存在短暂的下降，这与速度分布点图相对应，但压力整体呈上升趋势。
31.图5是经过以上步骤计算得到的t＝5s时模型3号点的流场密度分布点图。
32.密度分布点图与压力分布点图基本一致，密度变化与压力变化呈正相关。
33.综上可见：在正加速度条件下，绝缘子背风面处为绝缘子薄弱位置；在负加速度情况下，绝缘子迎风面处为绝缘子薄弱位置。
34.相比于恒速条件而言，正负加速度情况下绝缘子表面流速分布差异更大，正负加速度情况下绝缘子表面流速分布差值约为恒速情况下绝缘子表面流速分布差值的1.57-1.86倍。
35.这一加速度情况下绝缘子表面压力与密度分布差异大于恒速情况下绝缘子表面压力与密度分布的结论，可为列车启动和减速情况下车顶流场分布规律与设计以及绝缘子闪络机理提供参考依据。将列车启动和减速情况下绝缘子表面压力与密度分布在设计阶段就纳入使用，具有极强的工程意义。
技术特征：1.一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，其特征在于：该方法为以下步骤：步骤s1：基于有限元仿真进行高铁车顶绝缘子模型几何建模，以大气环境为流场，以高铁绝缘子为固体点，建立流场模型和固体运动模型，并设置高铁和绝缘子的几何参数；步骤s2：随着高铁绝缘子运动，对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行编号并更新各固体点周围流场分布情况；对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行标注：列车在平面内从右向左行驶时，由于每个绝缘子表面流场分布不同，将第一个绝缘子迎风面的头部标注为1，根部标注为3，背风面头部标注为2，根部标注为4；将第二个绝缘子迎风面的头部标注为5，根部标注为7，背风面头部标注为6，根部标注为8；步骤s3：基于有限元仿真进行材料参数设置；基于有限元仿真中材料参数设置，设置相应区域的动力粘度、密度、杨氏模量、泊松比；步骤s4：在有限元仿真中进行物理场设置、网格剖分及求解计算；物理场设置包括设置“固体力学”、“层流”、“全局常微分方程”；计算可知：在正加速度条件下，绝缘子背风面处为绝缘子薄弱位置；在负加速度情况下，绝缘子迎风面处为绝缘子薄弱位置。2.如权利要求1所述的一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，其特征在于：步骤s1中具体步骤为：根据高铁及绝缘子的实际形状和尺寸，构建出简易几何模型，设置高铁和绝缘子几何参数；具体尺寸为：空气域长度650m，高度150m；高铁尺寸60m
×
30m；绝缘子尺寸10m
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10m，绝缘子之间相隔30m；高铁头部与尾部为u型。3.如权利要求1所述的一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，其特征在于：步骤s3中材料参数为：高铁运行中的层流材料为空气，动力粘度设置为随温度变化的函数式eta（t），密度设置为随压力与温度变化的函数式rho（pa，t）；高铁材料为铝合金，密度3900kg/m3，杨氏模量300e9pa，泊松比0.222；绝缘子材料为石英玻璃，密度2203kg/m3，杨氏模量73.1e9pa，泊松比0.17。4.如权利要求1所述的一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，其特征在于：步骤s4中具体的设置过程为：“层流”物理场中，在空气域的一端设置“入口”边界条件，设定气压值并抑制回流，在另一端设置“出口”边界条件以构成空气域的流通；“固体力学”物理场中，添加“加速度”边界条件，其余边界条件保持默；网格剖分包括对高铁绝缘子和空气进行网格剖分，本实施例中完整网格包含5115个单元；使用移动网格技术求解列车高速运行时流固耦合带来的网格大变形问题；设置求解步长0.1s和求解时间6s，选择全耦合的计算模式，选择自动重新划分网格，在瞬态求解器中开启anderson加速度，即可开始计算。5.如权利要求4所述的一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，其特征在于：步骤s4中具体的计算结果为：相比恒速条件而言，正负加速度情况下绝缘子表面流速分
布差异更大，正负加速度情况下绝缘子表面流速分布差值约为恒速情况下绝缘子表面流速分布差值的1.57-1.86倍。
技术总结本发明公开了一种加速度对高铁车顶绝缘子流场影响的分析方法，属于高电压与绝缘技术领域。方法包括：基于有限元仿真进行高铁车顶绝缘子模型几何建模，以大气环境为流场，以高铁绝缘子为固体点，建立流场模型和固体运动模型，并设置高铁和绝缘子的几何参数；对绝缘子迎风面和背风面的不同位置进行编号并更新各固体点周围流场分布情况；使用有限元仿真方法对模型进行材料参数设置；使用有限元仿真方法对模型进行物理场设置、网格剖分及求解计算。本发明得出加速度情况下绝缘子表面压力与密度分布差异大于恒速情况下绝缘子表面压力与密度分布的结论，可用于探明高速列车启动和刹车时车顶绝缘子流场分布规律与车顶绝缘子闪络机理及高铁车顶流场设计。络机理及高铁车顶流场设计。络机理及高铁车顶流场设计。
技术研发人员：康永强 马钟任 蒲绪宏 王兆赟 张嘉琳 党露芝 史志鹏 李帅兵 李宏伟 董海鹰
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
