CN103207058A - 一种高速列车空气阻力系数的动模型测量方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车空气阻力系数的动模型测量方法及其应用，所述动模型测量方法采用高速列车动模型试验台及动组模型；动模型测量方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、获取计算速度和计算加速度、计算空气阻力系数；a、动车组模型为2-8节的1：10-30的实车模型，质量为10-30公斤；b、在动车组模型上设置标识线；c、至少一部数码相机布置在轨道的同一侧，并与计算机连接；d、动车组模型以设定初速度在指定位置开始自由滑行；e、指定数码相机捕捉数码照片；f、计算机识别数码照片并建立标识线时间坐标体系；g、以不同的初速度按步骤d-f顺序执行两次；在实际应用时，以不同的初速度按步骤d-f顺序执行三次。

Description

一种高速列车空气阻力系数的动模型测量方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种高速列车空气阻力系数的动模型测量方法及其应用。

背景技术

随着高速列车运行速度的不断提高，因为列车的空气阻力与其运行速度的平方成正比，因此，高速列车受到的空气阻力在总的运行阻力中的比例越来越大。例如：当列车速度达到每小时200公里时，列车空气阻力达到列车运行总阻力的70%左右；当列车速度超过每小时300公里时，则要占到85%以上。因此通过现代车体流线化设计来改善列车运行时的气动性能，实现减阻、节能，成为当今世界高速列车运行中的关键技术课题。

国内外在开发高速铁路、研制高速列车的过程中，对测定列车空气阻力的方法及减小空气阻力的措施进行了大量的研究，主要的方法实验有实车实验和风洞试验。但对于高速列车初期研制选型，实车试验是不可能的，因此基本为风洞试验，只在定型后进行少量验证性实车实验。

风洞模型试验是研究列车气动特性中应用最广泛的手段之一。它具有试验理论和试验手段成熟，测量精密，气流参数如速度、压力等易于控制，并且基本上不受天气变化的影响；但是风洞试验有一定局限：首先，风洞实验利用相对运动的原理，只模拟了列车和空气的相对运动，但没有真实模拟气流和地面，以及列车和地面之间的相对运动，导致产生新的地面边界层，而该附面层改变了列车与地面之间的流场，严重时附面层甚至会淹没列车模型的尾部，使测量的空气阻力系数严重失真，产生非常大的偏差；其次，风洞实验采用天平进行气动力和力矩的测量，天平的支座也将改变改变了列车与地面之间的流场，使产生误差；第三，常规风洞一般受到吹风风速和模型比例的限制，实验雷偌数和真实列车运行时的雷偌数相比差距比较大，而雷偌数对阻力系数的影响比较大，如何消除雷偌数的影响，一直是空气动力学界中迫切需要解决研究的前沿问题，也是实际中急需解决的工程问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能真实模拟列车、空气和地面之间的相对运动，避免地面附面层对流场改变、无天平支座干扰的高速列车空气阻力系数的动模型测量方法及其应用。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

动模型测量方法：

包括采用高速列车动模型试验台及动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、求解计算速度和计算加速度、计算空气阻力系数；

所述场地设备准备包括以下步骤：

a、所述动车组模型为2-8节的1：10-30的实车模型，质量为10-30公斤，将动车组模型摆放在高速列车动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；

b、在动车组模型的外侧墙上按照设定间距布置至少1根具有一定宽度的垂直的标识线，标识线的颜色与动车组模型的外侧墙上的颜色反差大，反光性强；动车组模型的外侧墙上的颜色反光性弱；

c、至少一部数码相机布置在高速列车动模型试验台的同一侧，数码相机连接安装有专业软件的计算机。

所述采集数据包括以下步骤：

d、在加速机构的作用下，动车组模型以设定初速度进入第一部数码相机镜头捕捉画面前设定距离时开始自由滑行；

e、指定数码相机按设定的时间及时间间隔，自动连续拍摄动车组模型在自由滑行期间通过该数码相机镜头前的数码照片，数码照片被逐一按照时间顺序发送到计算机中保存并进行识别处理；

f、计算机将标识线轮廓清晰可见的数码照片判定为有效图像，提取有效图像上的标识线对应的时间点，建立标识线和时间的坐标体系并保存；

g、以不同的初速度按步骤d-f顺序执行两次。

所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出该区内的平均速度和加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

另外一种求解计算速度和计算加速度的方法，所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，再将区划分为若干个区间段，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出各个区间段内的平均速度和加速度，再计算出整个区平均速度和平均加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组模型的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组模型的总阻力=质量×计算加速度；

Davis经验公式：动车组模型的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组模型横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力：与被测模型列车的质量成正比；

采用两次采集数据获得的数据建立两个方程求解出空气阻力系数。

所述所述数码相机为高行频CCD线阵相机。

上述动模型测量方法的实际应用：

采用上述动模型测量方法和步骤；

在高速铁路线上安装布置设备，在动车组指定车体的外侧墙上按照设定间距布置至少1根具有一定宽度的垂直的标识线；

在采集数据的步骤g中，以不同的初速度按步骤d-f顺序执行三次；

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组的总阻力=质量×计算加速度

Davis经验公式：动车组的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力，在用实车测量时，该阻力与动车组的质量成正比；

空调等换气引起的阻力：与动车组运行速度成正比；

采用三次采集数据获得的数据建立三个方程求解出空气阻力系数。

与现有技术相比较本发明具有以下优点：方法科学合理，操作简单易行；能够真实地模拟列车、地面和空气三者之间的相对运动，测量精度高；采用非接触测量，避免了传统风洞测试中支架干扰影响测量精度的问题。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

动模型测量方法：

包括采用高速列车动模型试验台及动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、求解计算速度和计算加速度、计算空气阻力系数；

所述场地设备准备包括以下步骤：

a、所述动车组模型为2-8节的1：10-30的实车模型，质量为10-30公斤，将动车组模型摆放在高速列车动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；

b、在动车组模型的外侧墙上按照设定间距布置至少1根具有一定宽度的垂直的标识线，标识线的颜色与动车组模型的外侧墙上的颜色反差大，反光性强；动车组模型的外侧墙上的颜色反光性弱；

c、至少一部数码相机布置在高速列车动模型试验台的同一侧，数码相机连接安装有专业软件的计算机。

所述采集数据包括以下步骤：

d、在加速机构的作用下，动车组模型以设定初速度进入第一部数码相机镜头捕捉画面前设定距离时开始自由滑行；

e、指定数码相机按设定的时间及时间间隔，自动连续拍摄动车组模型在自由滑行期间通过该数码相机镜头前的数码照片，数码照片被逐一按照时间顺序发送到计算机中保存并进行识别处理；

f、计算机将标识线轮廓清晰可见的数码照片判定为有效图像，提取有效图像上的标识线对应的时间点，建立标识线和时间的坐标体系并保存；

g、以不同的初速度按步骤d-f顺序执行两次。

所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出该区内的平均速度和加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

另外一种求解计算速度和计算加速度的方法，所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，再将区划分为若干个区间段，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出各个区间段内的平均速度和加速度，再计算出整个区平均速度和平均加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组模型的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组模型的总阻力=质量×计算加速度；

Davis经验公式：动车组模型的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组模型横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力：与被测模型列车的质量成正比；

采用两次采集数据获得的数据建立两个方程求解出空气阻力系数。

所述所述数码相机为高行频CCD线阵相机。

上述动模型测量方法的实际应用：

采用上述动模型测量方法和步骤；

在高速铁路线上安装布置设备，在动车组指定车体的外侧墙上按照设定间距布置至少1根具有一定宽度的垂直的标识线；

在采集数据的步骤g中，以不同的初速度按步骤d-f顺序执行三次；

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组的总阻力=质量×计算加速度

Davis经验公式：动车组的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力，在用实车测量时，该阻力与动车组的质量成正比；

空调等换气引起的阻力：与动车组运行速度成正比；

采用三次采集数据获得的数据建立三个方程求解出空气阻力系数。

在以下实施例中，数码相机为行频为19k的CCD线阵相机。

实施例1：

采用高速列车动模型试验台及动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、求解计算速度和计算加速度、计算空气阻力系数；所述场地设备准备包括以下步骤：

a、动车组模型为3节的1:16.8的CRH2型动车组的实车模型，质量为22.065公斤，将动车组模型摆放在高速列车动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；

b、在动车组模型的外侧墙上按照设定间距布置4根，线宽1厘米，间隔1.2米的垂直的标识线，标识线为不反光的黑色，动车组模型的车身颜色为白色，反光强烈；

c、三部数码相机每隔10m布置在高速列车动模型试验台的同一侧，每部相机配置照明光源；数码相机连接安装有专业软件的计算机。

所述采集数据包括以下步骤：

d、在加速机构的作用下，动车组模型以每小时190公里的初速度进入第一部数码相机镜头捕捉画面前约10米左右距离时开始自由滑行；

e、指定数码相机按设定的时间及按照其行频的倒数1/19000秒为时间间隔，自动连续拍摄动车组模型在自由滑行期间通过该数码相机镜头前的数码照片，数码照片被逐一按照时间顺序发送到计算机中保存并进行识别处理；

f、计算机将标识线轮廓清晰可见的数码照片判定为有效图像，提取有效图像上的标识线对应的时间点，建立标识线和时间的坐标体系并保存；

g、以每小时200公里的初速度按步骤d-f顺序再执行一次。

所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出该区内的平均速度和加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组模型的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组模型的总阻力=质量×计算加速度；

Davis经验公式：动车组模型的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组模型横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力：与被测模型列车的质量成正比；

采用两次采集数据获得的数据建立两个方程求解出空气阻力系数。

测量结果见表1。

表1：实施例1测量结果

实施例2：

与实施例1基本相同，不同的是采用另外一种求解计算速度和计算加速度的方法，所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，再将区划分为若干个区间段，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出各个区间段内的平均速度和加速度，再计算出整个区平均速度和平均加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

实施例3-4：

分别将实施例1-2的方法在实际中的应用，基本相同，不同的是：

在高速铁路线上安装布置设备，在动车组指定车体的外侧墙上布置标识线；

在采集数据的步骤g中，以不同的初速度按步骤d-f顺序执行三次；

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组的总阻力=质量×计算加速度

Davis经验公式：动车组的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力，在用实车测量时，该阻力与动车组的质量成正比；

空调等换气引起的阻力：与动车组运行速度成正比；

采用三次采集数据获得的数据建立三个方程求解出空气阻力系数。

由此可以看出，本发明的方法能够在现场实地进行推广应用，具有以下优点：

1、能够真实地模拟列车、地面和空气三者之间的相对运动。在动模型系统上进行高速列车空气阻力系数的测量，由于模型列车以列车实际速度在轨道上运动，能够真实的模拟列车和地面、列车和空气以及空气和地面之间的相对运动。而现有的风洞实验测量方法，列车模型不动，空气以与列车的速度大小相同，方向相反的速度从模型表面流过，该无法完全模拟列车、地面和空气之间的相对运动，导致产生新的地面边界层，改变了列车地面之间的流场，严重时附面层甚至淹没列车模型的尾部，使测量的空气阻力系数严重失真，产生非常大的偏差。

     2、基于机器视觉的技术，非接触测量。避免了传统风洞测试方法中天平支座对流场的干扰所带来的误差，测量数据更准确。

3、能够降低雷偌数效应的影响。雷偌数对阻力系数的影响比较大，本测量方法由于充分利用动模型试验的速度优势和大比例优势：模型列车的运行最高速度达到500km/h，最大模型比例达到1:8，而且没有阻塞效应，和传统风洞实验相比，本方法能够获得更高的雷偌数，降低雷偌数对阻力系数的影响。

Claims (8)

1.一种高速列车空气阻力系数的动模型测量方法，包括采用高速列车动模型试验台及动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、求解计算速度和计算加速度、计算空气阻力系数；其特征在于：所述场地设备准备包括以下步骤：

a、所述动车组模型为2-8节的1：10-30的实车模型，质量为10-30公斤，将动车组模型摆放在高速列车动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；

b、在动车组模型的外侧墙上按照设定间距布置至少1根具有一定宽度的垂直的标识线，标识线的颜色与动车组模型的外侧墙上的颜色反差大，反光性强；动车组模型的外侧墙上的颜色反光性弱；

c、至少一部数码相机布置在高速列车动模型试验台的同一侧，数码相机连接安装有专业软件的计算机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述采集数据包括以下步骤：

d、在加速机构的作用下，动车组模型以设定初速度进入第一部数码相机镜头捕捉画面前设定距离时开始自由滑行；

e、指定数码相机按设定的时间及时间间隔，自动连续拍摄动车组模型在自由滑行期间通过该数码相机镜头前的数码照片，数码照片被逐一按照时间顺序发送到计算机中保存并进行识别处理；

f、计算机将标识线轮廓清晰可见的数码照片判定为有效图像，提取有效图像上的标识线对应的时间点，建立标识线和时间的坐标体系并保存；

g、以不同的初速度按步骤d-f顺序执行两次。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出该区内的平均速度和加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述求解计算速度和计算加速度是在计算机中进行，其方法是：

提取指定数据库中指定数码相机的标识线和时间的坐标体系，将有效标识线在时间坐标轴上的时间长度作为一个区，再将区划分为若干个区间段，根据已知的初速度、标识线在标识线和时间的坐标体系的距离及其时间坐标值，计算出各个区间段内的平均速度和加速度，再计算出整个区平均速度和平均加速度；当数码相机为一部时，该平均速度和平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度；当数码相机为多部时，总的平均速度和总的平均加速度作为本次测量的计算速度和计算加速度。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组模型的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组模型的总阻力=质量×计算加速度；

Davis经验公式：动车组模型的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组模型横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力：与被测模型列车的质量成正比；

采用两次采集数据获得的数据建立两个方程求解出空气阻力系数。

6.根据权利要求1-4任选一所述的方法，其特征在于：所述所述数码相机为高行频CCD线阵相机。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述所述数码相机为高行频CCD线阵相机。

8.一种根据权利要求1-7所述方法的实际应用，其特征在于：

采用权利要求1-7所述方法和步骤；

在高速铁路线上安装布置设备，在动车组指定车体的外侧墙上按照设定间距布置至少1根具有一定宽度的垂直的标识线；

在采集数据的步骤g中，以不同的初速度按步骤d-f顺序执行三次；

所述计算空气阻力系数的步骤：

将动车组的质量、计算速度和计算加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式：

牛顿第二定律公式：动车组的总阻力=质量×计算加速度

Davis经验公式：动车组的总阻力=空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其：

空气阻力=0.5×空气密度×计算速度的平方×动车组横截面面积×阻力系数；

轮轨摩擦阻力，在用实车测量时，该阻力与动车组的质量成正比；

空调等换气引起的阻力：与动车组运行速度成正比；

采用三次采集数据获得的数据建立三个方程求解出空气阻力系数。