CN103207059B - 近地环境运动物体空气动力特性实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近地环境运动物体空气动力特性实验平台，近地环境运动物体包括汽车、列车和飞机；实验平台包括回流式风洞装置、模型、模型加速装置、模型制动装置，风速仪和配置有计算机的中央控制台，中央控制台与回流式风洞装置的电控部分和风速仪电连接；模型上安装传感器和数据采集装置；在回流式风洞装置的气流回路中设置侧风实验段，侧风实验段由面对面布置的出风口和集风口组成；在出风口和集风口之间设置轨道，轨道分为加速段、无侧风实验段、侧风实验段和制动段；模型在加速段被加速到设定速度后自由滑行，依顺序通过无侧风实验段、侧风实验段和制动段，期间，传感器、天平等测试仪器获取压力、气动力等信息，计算机进行分析处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种近地环境运动物体空气动力特性实验平台。
背景技术
国内外大批学者通过数值模拟、模型实验、全尺寸实地实车实验等多种方法对近地运动物体空气动力特性开展了一系列研究，取得了大量成就。目前研究近地物体空气动力效应的实验装置主要有风洞实验装置和动模型实验装置。
风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备，绝大多数空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。它具有实验理论和实验手段成熟，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；但是风洞实验对于近地运动物体有非常大的局限：首先，风洞实验利用相对运动的原理，只模拟了近地运动物体和空气的相对运动，但没有真实模拟气流和地面，以及近地运动物体和地面之间的相对运动，导致产生新的地面附面层，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近地运动物体模型的底部和尾部，使流场严重失真，测量的空气动力系数等产生非常大的偏差；移动地板、抽吸装置的使用可以在一定程度上控制风洞实验中地面附面层对测试结果的干扰，但这种地板结构复杂、操作不便、带速有限，而且，移动环带很厚，会严重影响流场品质。此外，在实际应用中还有一个更大的问题是振动，振动幅度随地板移动速度的增加成几何量级增加，将引起风洞气流的法向扰动，严重影响实验结果的准确性。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，近地运动物体如列车、汽车、飞机等在地面均由车轮带动物体运动，风洞中无法模拟车轮的转动对流场的影响。
与风洞实验相比：动模型实验是用模型高速运动的方法改变其周围流场而完成的空气动力实验。动模型实验能够模拟物体与物体、物体与地面之间的相对运动，能真实地反应地面效应；它区别于风洞实验，又与风洞实验互为补充。但动模型实验无法提供侧向风，无法完成近地运动物体在侧向风下的空气动力特性实验。
当高速运行的近地物体遭遇强风环境时，空气动力特性明显改变。动模型实验装置可精确模拟相对运动但无法提供外界风环境，从而无法模拟近地运动物体的强风空气动力特性。同样，风洞实验可以提供强风环境，却又无法模拟运动物体和地面，气流和地面的相对运动。
因此，亟待研发新的近地运动物体空气动力特性研究综合实验装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够真实地模拟运动物体、地面和环境风三者之间的相对运动的近地环境运动物体空气动力特性实验平台。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
所述近地环境运动物体包括汽车、列车和飞机；所述实验平台包括回流式风洞装置、模型、模型加速装置、模型制动装置，风速仪和中央控制台，所述中央控制台配置计算机，中央控制台与回流式风洞装置的电控部分和风速仪电连接，计算机中安装专用软件；
所述模型为1:8-30的近地环境运动物体的实物模型，质量为10-40公斤；模型上安装传感器、天平和数据采集装置；
在回流式风洞装置的气流回路中，设置一个侧风实验段，侧风实验段由面对面布置的出风口和集风口组成，出风口和集风口分别连接回流式风洞装置风道的出口和入口；在出风口和集风口之间的地面上设置轨道，轨道被划分为加速段、无侧风实验段、侧风实验段和制动段四个区段；
所述模型加速装置安装在轨道的加速段，其电控部分与中央控制台电连接；
所述模型制动装置安装在轨道的制动段，其电控部分与中央控制台电连接；
启动回流式风洞装置，在出风口采用风速仪检测风力达到设定要求，并稳定一定时间后，加速装置在加速段将模型加速到设定值时自动脱离，模型在无侧风实验段开始无动力自由滑行，然后进入侧风实验段继续滑行，模型滑行到达制动段时，制动装置对模型实施制动减速直到停止；
在模型运行期间，传感器、天平等工作，将接收到的压力、气动力信息传递到数据采集装置处理并保存；
在模型处于停止状态时，计算机连接数据采集装置提取实验数据，并进行分析处理。
所述轨道为两条，两条轨道平行布置，两条轨道上放置的模型的头部相向，两台模型加速装置将各自连接的模型加速到设定值时自动脱离，两个相向而行的模型以设定的相对速度在侧风实验段内无动力自由滑行交会；在模型运行期间，传感器工作，将接收到的压力信息传递到数据采集装置处理并保存。
所述侧风实验段的长度为时间总和与最大实验速度的乘积，其计算方法：最大实验速度为设计的最大速度，时间总和为传感器中最慢的反应时间的1-3倍与设定工作时间之和。
所述无侧风实验段的长度按照模型周围空气流场稳定时间与设定工作时间之和乘以模型设计的最大速度来确定。
所述出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角在30度至150度之间变化。
与现有技术相比较本发明具有以下优点：能够真实地模拟运动物体、地面和环境风三者之间的相对运动，使测量更加准确。运动物体有轮子支撑，不需要其它天平支座，避免了支座的干扰，使实验精度更高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
所述近地环境运动物体包括汽车、列车和飞机；所述实验平台包括回流式风洞装置、模型、模型加速装置、模型制动装置，风速仪和中央控制台，所述中央控制台配置计算机，中央控制台与回流式风洞装置的电控部分和风速仪电连接，计算机中安装专用软件；
所述模型为1:8-30的近地环境运动物体的实物模型，质量为10-40公斤；模型上安装传感器和数据采集装置；
在回流式风洞装置的气流回路中，设置一个侧风实验段，侧风实验段由面对面布置的出风口和集风口组成，出风口和集风口分别连接回流式风洞装置风道的出口和入口；在出风口和集风口之间的地面上设置轨道，轨道被划分为加速段、无侧风实验段、侧风实验段和制动段四个区段；
所述模型加速装置安装在轨道的加速段，其电控部分与中央控制台电连接；
所述模型制动装置安装在轨道的制动段，其电控部分与中央控制台电连接；
启动回流式风洞装置，在出风口采用风速仪检测风力达到设定要求，并稳定一定时间后，加速装置在加速段将模型加速到设定值时自动脱离，模型在无侧风实验段开始无动力自由滑行，然后进入侧风实验段继续滑行，模型滑行到达制动段时，制动装置对模型实施制动减速直到停止；
在模型运行期间，传感器、天平等工作，将接收到的压力、气动力信息传递到数据采集装置处理并保存；
在模型处于停止状态时，计算机连接数据采集装置提取实验数据，并进行分析处理。
所述轨道为两条，两条轨道平行布置，两条轨道上放置的模型的头部相向，两台模型加速装置将各自连接的模型加速到设定值时自动脱离，两个相向而行的模型以设定的相对速度在侧风实验段内无动力自由滑行交会；在模型运行期间，传感器工作，将接收到的压力信息传递到数据采集装置处理并保存。
所述侧风实验段的长度为时间总和与最大实验速度的乘积，其计算方法：最大实验速度为设计的最大速度，时间总和为传感器中最慢的反应时间的1-3倍与设定工作时间之和。
所述无侧风实验段的长度按照模型周围空气流场稳定时间与设定工作时间之和乘以模型设计的最大速度来确定。
所述出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角在30度至150度之间变化。
在以下实施例中：
1、模型为1:20的3节CRH2型的高速列车组模型，质量为22公斤。
2、侧风实验段的长度为15米，高度为2米。
3、无侧风实验段的长度为35米，高度为2米。
4、加速段和制动段各50米。
实施例1：
实验平台包括回流式风洞装置、模型、模型加速装置、模型制动装置，风速仪和中央控制台，所述中央控制台配置计算机，中央控制台与回流式风洞装置的电控部分和风速仪电连接，计算机中安装专用软件；
模型上安装传感器和数据采集装置；
在回流式风洞装置的气流回路中，设置一个侧风实验段，侧风实验段由面对面布置的出风口和集风口组成，出风口和集风口分别连接回流式风洞装置风道的出口和入口；在出风口和集风口之间的地面上设置轨道，轨道被划分为加速段、无侧风实验段、侧风实验段和制动段四个区段；
启动回流式风洞装置，出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线的夹角为90度，即：垂直风向。出风口的风速为每秒46米。在出风口采用风速仪检测风力达到设定要求，并稳定15秒后，加速装置在加速段将模型加速到每小时200公里时自动脱离，模型在无侧风实验段开始无动力自由滑行，然后进入侧风实验段继续滑行，模型滑行到达制动段时，制动装置对模型实施制动减速直到停止；
在模型运行期间，传感器、天平等工作，将接收到的压力、气动力信息传递到数据采集装置处理并保存；
在模型处于停止状态时，计算机连接数据采集装置提取实验数据，并进行分析处理。
实施例2：
与实施例1基本相同，不同的是：在出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角为60度。也就是说，风洞吹向模型的风不是水平垂直的，而是水平倾斜的，这时的侧风，不仅会改变模型的侧面受力，而且会改变模型运行的阻力。
实施例3：
与实施例1基本相同，不同的是：在出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角为120度。也就是说，风洞吹向模型的风不是水平垂直的，而是水平倾斜的，这时的侧风，不仅会改变模型的侧面受力，而且会改变模型运行的阻力。
本发明的方法能够对列车、汽车和飞机进行近地环境的空气动力特性模型实验。本发明具有以下优点：
1、能够真实地模拟运动物体、地面、空气和环境风三者之间的相对运动。由于运动物体模型车以实际速度在轨道上运动，能够真实的模拟运动物体和地面、运动物体和环境风以及环境风和地面之间的相对运动。而现有的风洞实验测量方法，模型不动，空气运动，环境风的速度与真实模型运行速度的反向速度合成的速度为气流的速度，这样气流与模型轴线有一定的夹角，用于模拟模型在环境风下的气动特性，该方法没有完全模拟运动物体、地面和环境风之间的相对运动，导致产生新的非物理的地面边界层，改变了列车地面之间的流场，严重时附面层甚至淹没运动物体的尾部，使测量的气动力系数严重失真，产生非常大的偏差。
2、运动物体先经过无横风实验段，再经过横风实验段，模型和其它环境一样，通过对比可以清楚地得到环境风对运动物体气动特性的影响。
3、运动物体有轮子支撑，不需要其它天平支座，避免了支座的干扰，实验精度更高。
4、平台模拟了运动物体的轮子（列车和汽车的车轮，飞机的转向架）的转动对流场的影响，实验更真实。
Claims (9)
1.一种近地环境运动物体空气动力特性实验平台，所述近地环境运动物体包括汽车、列车和飞机；所述实验平台包括回流式风洞装置、模型、模型加速装置、模型制动装置，风速仪和中央控制台，所述中央控制台配置计算机，中央控制台与回流式风洞装置的电控部分和风速仪电连接，计算机中安装专用软件；
所述模型为1:8-30的近地环境运动物体的实物模型，质量为10-40公斤；模型上安装传感器、天平和数据采集装置；
在模型运行期间，传感器、天平等工作，将接收到的压力、气动力信息传递到数据采集装置处理并保存；
在模型处于停止状态时，计算机连接数据采集装置提取实验数据，并进行分析处理；
其特征在于：
在回流式风洞装置的气流回路中，设置一个侧风实验段，侧风实验段由面对面布置的出风口和集风口组成，出风口和集风口分别连接回流式风洞装置风道的出口和入口；在出风口和集风口之间的地面上设置轨道，轨道被划分为加速段、无侧风实验段、侧风实验段和制动段四个区段；
所述模型加速装置安装在轨道的加速段，其电控部分与中央控制台电连接；
所述模型制动装置安装在轨道的制动段，其电控部分与中央控制台电连接；
启动回流式风洞装置，在出风口采用风速仪检测风力达到设定要求，并稳定一定时间后，加速装置在加速段将模型加速到设定值时自动脱离，模型在无侧风实验段开始无动力自由滑行，然后进入侧风实验段继续滑行，模型滑行到达制动段时，制动装置对模型实施制动减速直到停止。
2.根据权利要求1所述的实验平台，其特征在于：所述轨道为两条，两条轨道平行布置，两条轨道上放置的模型的头部相向，两台模型加速装置将各自连接的模型加速到设定值时自动脱离，两个相向而行的模型以设定的相对速度在侧风实验段内无动力自由滑行交会；在模型运行期间，传感器工作，将接收到的压力信息传递到数据采集装置处理并保存。
3.根据权利要求1或2所述的实验平台，其特征在于：所述侧风实验段的长度为时间总和与最大实验速度的乘积，其计算方法：最大实验速度为设计的最大速度，时间总和为传感器中最慢的反应时间的1-3倍与设定工作时间之和。
4.根据权利要求1或2所述的实验平台，其特征在于：所述无侧风实验段的长度按照模型周围空气流场稳定时间与设定工作时间之和乘以模型设计的最大速度来确定。
5.根据权利要求3所述的实验平台，其特征在于：所述无侧风实验段的长度按照模型周围空气流场稳定时间与设定工作时间之和乘以模型设计的最大速度来确定。
6.根据权利要求1或2所述的实验平台，其特征在于：所述出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角在30度至150度之间变化。
7.根据权利要求3所述的实验平台，其特征在于：所述出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角在30度至150度之间变化。
8.根据权利要求4所述的实验平台，其特征在于：所述出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角在30度至150度之间变化。
9.根据权利要求5所述的实验平台，其特征在于：所述出风口安装风向导流装置，使出风口的风向与地平面平行，且与轨道的中心线形成的夹角在30度至150度之间变化。
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