CN105447302A - 一种动车组气动力估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种动车组气动力估算方法，在车厢上设置多个压力测点，并测得每个压力测点的压力，采用径向基函数插值法得到车厢表面压力分布，之后采用数值积分法得到车厢的气动压差力。本发明可用于动车组线路试验和动模型试验。采用了径向基函数插值技术能够根据较少的压力测点，快速得到车体表面的压力分布，提高气动力的估算精度。并且引入了表面摩擦力和关键部件的气动力进行修正，进一步提高了估算精度。

Description

一种动车组气动力估算方法

技术领域

本发明涉及一种估算方法，特别涉及一种动车组气动力估算方法。

背景技术

高速列车空气动力学的研究方法主要包括线路试验、风洞试验、动模型试验和数值计算方法，研究内容主要集中在车体表面的压力和列车所受的气动力。与风洞试验方法相比，线路试验和动模型试验能够更好的反映列车周围的真实流场，当采用这两种试验方法研究列车空气动力学问题时，车体表面的压力可以通过传感器直接测量得到试验数据，而列车受到的气动力很难直接测量，动模型试验可以通过设计移动天平解决这一问题，但移动天平设计的技术难度大，且造价很高，国内外尚未见到相关的试验技术；对于线路试验，采用目前的技术难以直接测量列车所受的六分量气动力。

目前为止，应用较广的气动力估算方法主要有牛顿流模型、切锥法、Dahlem-Buck法等，但这些方法主要应用于航空航天领域，高速列车周围的流场是显著的低速、高雷诺数、非定常流场，难以直接借鉴现有的气动力估算方法。

已有气动力实车测试计算方法是根据压力测点直接计算列车所受的气动力，当压力测点的数量较少时，难以得到准确测试结果。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种可用于动车组线路试验和动模型试验的气动力估算方法。

另一目的在于能够基于少量的压力测点得到车体表面的压力分布，提高估算精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种动车组气动力估算方法，在车厢上设置多个压力测点，并测得每个压力测点的压力，采用径向基函数插值法得到车厢表面压力分布，之后采用数值积分法得到车厢的气动压差力。

如上述基本方案，采用了径向基函数插值技术能够根据较少的压力测点，快速得到车体表面的压力分布，同时采用高精度的插值算法，也能够提高气动力的估算精度。

为进一步提高估算精度，可采取的改进措施是，将车厢的气动压差力、车厢表面的气动摩擦力和各部件的气动力代数相加得到车厢的气动力估算值。

各部件的气动力包括转向架的气动力、风挡的气动力和受电弓的气动力。

在对车厢的气动力估算时，考虑到摩擦力和关键部件对车厢气动力的影响，引入车厢表面的气动摩擦力和各部件的气动力，从而进一步提高车厢气动力估算值的精确度。

针对车厢表面的气动摩擦力，可通过如下方式获得：

根据车厢的缩放比例，确定车厢表面摩擦系数，采用平板边界层摩擦力计算公式得到车厢表面的气动摩擦力。

所述平板边界层摩擦力估算公式为：

$F_{sj}=\frac{1}{2}\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i{n}_j{c}_f{\mathrm{\ρu}}^2$

其中，j＝1,2,3，F_s3为气动摩擦阻力，F_s2为气动摩擦侧向力，F_s1为气动摩擦升力，c_f为摩擦系数，ρ为空气的密度，u为来流速度，m为车体表面离散单元的个数，S_i为第i个单元的面积，n为第i个单元的单位法矢量。

针对关键部件的气动力，可通过如下方式获得：

通过风洞试验测试不同型号的各部件对列车气动力的影响，根据具体试验结果给出各部件的气动力修正系数。

风洞试验无法单独测量风挡、转向架和受电弓等部件的气动力，此时需要借助数值计算方法获取各部件具体的气动力值，从而修正由试验数据得到的气动力修正系数。

通过数值计算获取各部件的气动力值，并用计算结果修正所述气动力修正系数得到安装在车厢上的部件的气动力。

数值计算方法是：首先对计算区域进行空间网格离散，然后采用有限体积法求解三维定常不可压缩雷诺平均N-S方程，湍流模型采用K-ωSST模型，在壁面处使用标准壁面函数。

对于压力测点的选取，可采用的优化方案是，根据径向基函数插值法得到最优控制点，在车厢上对应的位置设置多个压力测试点。

综上内容，本发明所述的一种动车组气动力估算方法，可用于动车组线路试验和动模型试验。采用了径向基函数插值技术能够根据较少的压力测点，快速得到车体表面的压力分布，提高气动力的估算精度。并且引入了表面摩擦力和关键部件的气动力进行修正，进一步提高了估算精度。

附图说明

图1是本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明所述的一种动车组气动力估算方法，主要针对于动车组线路试验和动模型试验的气动力估算方法，具体方法如下：

确定需要估算气动力的车厢及车厢上安装的关键部件，给出列车的运行速度和运行环境，如明线运行、隧道运行等。关键部件主要指转向架、风挡和受电弓。

根据径向基函数插值法得到的最优控制点，在车厢上对应的位置设置多个压力测试点，并在规定的运行工况和环境下测得各点的压力。

采用径向基函数插值法得到车厢表面压力分布，之后采用数值积分法得到车厢的气动压差力。

根据车厢的缩放比例，确定车厢表面摩擦系数，采用平板边界层摩擦力计算公式得到车厢表面的气动摩擦力。

所述平板边界层摩擦力估算公式为：

$F_{sj}=\frac{1}{2}\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i{n}_j{c}_f{\mathrm{\ρu}}^2$

其中，j＝1,2,3，F_s3为气动摩擦阻力，F_s2为气动摩擦侧向力，F_s1为气动摩擦升力，c_f为摩擦系数，ρ为空气的密度，u为来流速度，m为车体表面离散单元的个数，S_i为第i个单元的面积，n为第i个单元的单位法矢量。

针对关键部件的气动力，可通过如下方式获得：

通过风洞试验测试不同型号的各部件对列车气动力的影响，根据具体试验结果给出各部件的气动力修正系数。

风洞试验无法单独测量风挡、转向架和受电弓等部件的气动力，此时需要借助数值计算方法获取各部件具体的气动力值，从而修正由试验数据得到的气动力修正系数。

通过数值计算获取各部件的气动力值，并用计算结果修正所述气动力修正系数得到安装在车厢上的部件的气动力。

数值计算方法是：首先对计算区域进行空间网格离散，然后采用有限体积法求解三维定常不可压缩雷诺平均N-S方程，湍流模型采用K-ωSST模型，在壁面处使用标准壁面函数。

将车厢的气动压差力、车厢表面的气动摩擦力和各部件的气动力代数相加得到车厢的气动力估算值。

如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种动车组气动力估算方法，其特征在于：在车厢上设置多个压力测点，并测得每个压力测点的压力，采用径向基函数插值法得到车厢表面压力分布，之后采用数值积分法得到车厢的气动压差力。

2.根据权利要求1所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：将车厢的气动压差力、车厢表面的气动摩擦力和各部件的气动力代数相加得到车厢的气动力估算值。

3.根据权利要求2所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：根据车厢的缩放比例，确定车厢表面摩擦系数，采用平板边界层摩擦力计算公式得到车厢表面的气动摩擦力。

4.根据权利要求3所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：所述平板边界层摩擦力估算公式为，

$F_{sj}=\frac{1}{2}\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}{S}_i{n}_j{c}_f{\mathrm{\ρu}}^2$

其中，j＝1,2,3，F_s3为气动摩擦阻力，F_s2为气动摩擦侧向力，F_s1为气动摩擦升力，c_f为摩擦系数，ρ为空气的密度，u为来流速度，m为车体表面离散单元的个数，S_i为第i个单元的面积，n为第i个单元的单位法矢量。

5.根据权利要求2所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：通过风洞试验测试不同型号的各部件对列车气动力的影响，根据具体试验结果给出各部件的气动力修正系数，通过数值计算获取各部件的气动力值，并用计算结果修正所述气动力修正系数得到安装在车厢上的部件的气动力。

6.根据权利要求5所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：所述数值计算方法是，首先对计算区域进行空间网格离散，然后采用有限体积法求解三维定常不可压缩雷诺平均N-S方程，湍流模型采用K-ωSST模型，在壁面处使用标准壁面函数。

7.根据权利要求2所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：各部件的气动力包括转向架的气动力、风挡的气动力和受电弓的气动力。

8.根据权利要求1所述的动车组气动力估算方法，其特征在于：根据径向基函数插值法得到最优控制点，在车厢上对应的位置设置多个压力测试点。