(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210832023.3 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 兰州交通大 学 地址 730070 甘肃省兰州市安宁区安宁西 路118号 (72)发明人 康永强　蒲绪宏　张嘉琳　王兆赟　 马钟任　党露芝　史志鹏　李帅兵　 李宏伟　董海鹰　 (74)专利代理 机构 兰州塞维思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 62208 专利代理师 焦海红 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高速铁 路接触线-车顶空间离子流场分 布计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种高速铁 路接触线 ‑车顶空 间离子流场分布 计算方法， 属于高电压与绝缘技 术领域， 以解决高速铁 路接触网离子流场研究空 白的问题。 方法基于有限元方法进行接触线 ‑车 顶空间模型几何建模； 对求解离子流场的控制方 程进行描述； 根据控制方程对接触线 ‑车顶模型 进行边界条件的假设； 对模型进行材料参数设 置； 对模型参数设定、 物理场选择、 网格划分及求 解器设置； 仿真计算得到接触线 ‑车顶空间离子 流场的分布特性。 本发明能够对不同气流速度下 接触线附近的离子流场进行分析计算， 结果可为 车顶外绝缘 设计优化、 车顶电磁干扰 分析等提供 工程依据。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115099113 A 2022.09.23 CN 115099113 A 1.一种高速铁路接触线 ‑车顶空间离子流场分布计算方法： 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接触线 ‑车顶空间模型的几何建模， 确定接触线与车顶的 距离参数以及接触线的参数； 步骤S2： 对求 解离子流场的控制方程进行描述； 在计算域内， 直流输电线路离 子流场满足泊松方程和电流连续 性方程； 步骤S3： 根据控制方程对接触线 ‑空间模型进行边界条件的假设； 在步骤S2中描述的离子流场控制方程是非线性微分方程， 在利用有限元方法计算粒子 流场时， 先对接触线 ‑车顶空间模型进行边界条件进行合理假设； 步骤S4： 基于有限元仿真软件 对模型进行 材料参数设置； 根据S3中假设条件以及运行中的实际材料， 对有限元仿真软件中的接触线 ‑车顶模型 进行材料设置， 分别对接触线、 车顶空间、 车顶赋予不同的材料属性， 包括电导率、 相对介电 常数和相对磁导； 步骤S5： 在有限元仿真软件中对S1中建立的模型进行参数设定、 物 理场选择、 网格划分 及求解器设置； 步骤S6： 按S5中设置进行仿真计算， 得到 接触线‑车顶空间离 子流场的分布特性； 通过有限元软件仿真计算得到接触线 ‑车顶空间离子流场的分布云图， 可直观地比较 不同气流速度下的离 子流场分布特性。 2.如权利要求1所述的一种高速铁路接触线 ‑车顶空间离子流场分布计算方法， 其特征 在于： 步骤S2中求 解直流输电线路离 子流场的控制方程描述 为： J＝ρ(KE+w)； ▽·J＝0； 其中： 为空间任一 点电位(V)； ρ 为空间正电荷 密度； ε0为真空介电常数； E为电场强度； J为离子流密度； K为离子迁移率； w为水平气流速度。 3.如权利要求1所述的一种高速铁路接触线 ‑车顶空间离子流场分布计算方法， 其特征 在于： 步骤S3中对接触线 ‑车顶空间模型进行边界条件的假设如下： 车顶为零参考电位， 即车顶电位 导线表面电位则为 导线运行电压， 即导线表面电位 离接触线较远处人为设定边界(即人工边界)， 接触线周围一定区域和车顶围成一个封权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115099113 A 2闭的计算场域； 接触线表面保持起晕场强E0不变， 即 其中： 为空间电势， n 为表面电场法线； 其中， 起晕场强由Pe ek公式计算如下： 上式中： r为子导线半径(cm)； m为导线表面的粗糙系数， 导线粗糙系数在0 ‑1.0之间， 绝对光滑的导线粗糙系数为 1.0； δ 为空气的相对密度。 4.如权利要求1所述的一种高速铁路接触线 ‑车顶空间离子流场分布计算方法， 其特征 在于： 步骤S5中所述的参数设置即全局参数设置， 设置步骤S2中求解离子流场的控制方程 中的参数， 包括离 子迁移率K、 水平气流速度w； 物理场选择 “电场”， 再加上“经典偏微分方程 ”， 在设置窗口设置相应的参数和方程， 并 指定初始条件； 网格划分采用自由三角形网格划分； 设置求解器参数， 从0时刻开始， 步长为0.0 5， 持续10秒的瞬态求 解。 5.如权利要求1所述的一种高速铁路接触线 ‑车顶空间离子流场分布计算方法， 其特征 在于： 步骤S1中， 先建立的接触线 ‑车顶空间模 型， 以动车 组车顶平 面为下边界， 接触线位于 车顶上空2m位置， 为简化仿真接触线直径取1.4cm； 之后在有限元计算软件中建立简化模型， 该简化模型模型以车顶为下边界， 取10m宽度 的空气域 来计算离 子流场的分布情况。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115099113 A 3