CN106379345A - 高速列车及其减阻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速列车及其减阻方法。本发明的高速列车车体具有立体微结构阵列，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上；本发明的高速列车减阻方法是在高速列车车体上设置立体微结构阵列。本发明的减阻方法能够有效地降低高速列车的运行阻力和运行能耗，从而实现了良好的减阻节能效果。

Description

高速列车及其减阻方法

技术领域

本发明涉及一种高速列车，特别涉及一种高速列车及其减阻方法。

背景技术

列车阻力是列车在运行中所受到的阻碍，其可分为基本阻力和附加阻力两部分。附加阻力包括启动阻力、坡道阻力、加速阻力、弯道阻力和隧道阻力等，基本阻力又分为机械阻力和空气阻力，列车机械阻力与列车运行速度成正比，而列车空气阻力与列车运行速度平方成正比。随着列车速度的不断提高，空气阻力日渐显著，在列车车速达到250-300km/h时，空气阻力已占列车总阻力的75-80％。因此，有效改善列车气动性能，实现减阻、提速、节能，是高速列车建设中的关键技术之一。

列车气动阻力主要由列车表面的空气摩擦阻力、空气压差阻力和附加阻力构成。空气压差阻力主要取决于列车头部和尾部的形状，特别是头部的形状，列车的摩擦阻力主要取决于列车的长度，列车的附加阻力包括车底及车厢连接处等产生的阻力。

目前，列车的减阻措施主要包括：1)采用流线型的头端和尾端，以减轻气流滞止、减缓涡流、改变尾流结构，从而降低头尾车气动阻力；2)提高列车表面的平整度和光洁度，选用合适的材料和加工工艺以有效降低列车表面的摩擦阻力；3)合理设计列车头尾部流线型外形以及车体顶部和底部的结构，降低外露部件的空气阻力，从而减小运行阻力。

经上述减阻措施减阻后的高速列车车体外表面具有以下特征：列车具有无棱角的细长外形，前端具有流线型的外形，顶部完全光滑，除受电弓外，顶部设备减到最少，车体纵向为流线形外壳和底壳，具有完全平滑的表面、平齐的车窗和门、凹进的把手的拦杆等。

尽管上述减阻措施能够在一定程度上降低列车的气动阻力，然而仍然期待更加有效的减阻方法。

发明内容

本发明提供一种高速列车及其减阻方法，其能够有效地降低列车的运行阻力和运行能耗，具有良好的节能效果。

本发明提供一种高速列车车体，具有立体微结构阵列，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上。

在本发明中，所述立体微结构阵列可以设置在气流速度和方向变化较为剧烈的区域，包括但不限于上述转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域。

进一步地，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙和车体端墙的外表面上。

进一步地，所述立体微结构阵列包括多个规则排列的立体微结构单元，所述立体微结构单元为凸起结构单元或凹陷结构单元。

进一步地，所述立体微结构单元规则排列为正方形或三角形；优选为正方形。

进一步地，所述立体微结构单元为凹陷结构单元，所述凹陷结构单元的截面形状为半圆形。

进一步地，所述半圆形的半径为10-20mm，例如15mm；并且相邻凹陷结构单元之间的间距为40-80mm，例如60mm。

本发明还提供一种高速列车，包括上述任一所述的高速列车车体。

本发明还提供一种高速列车减阻方法，在高速列车车体上设置立体微结构阵列，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上。该高速列车减阻方法能够制造得到上述高速列车。

进一步地，在转向架区域隔墙和车体端墙的外表面上设置所述立体微结构阵列。

进一步地，所述立体微结构阵列为规则排列的凹陷结构单元，所述凹陷结构单元的截面形状为半圆形，所述半圆形的半径为10-20mm，并且相邻凹陷结构单元之间的间距为40-80mm。

本发明的高速列车车体，通过在车体的转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上设置立体微结构阵列，从而能够实现良好的减阻效果，减阻率可达2.5％以上；具有该高速列车车体的高速列车运行阻力和运行能耗低，不仅具有良好的节能效果，此外对列车尾车升力的降低具有一定的改善作用。

附图说明

图1为本发明一实施方式的高速列车车体的局部结构示意图；

图2为本发明另一实施方式的高速列车车体的局部结构示意图；

图3为本发明一实施方式的立体微结构阵列的排列方式示意图；

图4为本发明另一实施方式的立体微结构阵列的排列方式示意图。

附图标记说明：

1：转向架区域隔墙；2：车体端墙；3：立体微结构阵列；4：立体微结构单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1至图4所示，本发明的高速列车车体，具有立体微结构阵列3，立体微结构阵列3设置在转向架区域隔墙1、车体端墙2和受电弓区域(未图示)中的至少一个区域的外表面上。

在本发明中，立体微结构阵列3包括多个相互间隔排列的立体微结构单元4，可以理解的是，立体微结构单元4为非光滑的立体结构单元。本发明的高速列车车体，通过设置上述立体微结构阵列3，实现了良好的减阻效果，其原因可能在于：列车在高速运行时，立体微结构阵列3中的立体微结构单元4的附近会产生一些小的漩涡，由于这些漩涡具有吸力作用，使得列车车体表面附近区域的空气分子被漩涡所吸引，车体后边形成的低压漩涡区变小，进而由前后压力差形成的压差阻力大幅度减小。也就是说，立体微结构阵列3改变了高速列车表面的空气流动情况，改善高速列车表面的粘性阻力，并且不会过大增加高速列车的压差阻力，从而达到了列车减阻的效果。

本发明对立体微结构阵列3在高速列车车体上的设置位置不作严格限制，特别是可以设置在气流速度和方向变化较为剧烈的区域，包括但不限于转向架区域隔墙1、车体端墙2和受电弓区域中的至少一个区域；具体的设置位置可以根据实际情况进行合理设置。

出于视觉效果和成本方面的考虑，立体微结构阵列3可以设置在转向架区域隔墙1、车体端墙2和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上；该设置方式既能实现减阻作用，同时不会影响车体的美观。

进一步地，立体微结构阵列3可以在设置在转向架区域隔墙1、车体端墙2和受电弓区域中的至少一个区域的外表面的局部，也可以设置在至少一个上述区域的全部外表面上。

如图1所示，在一实施方式中，立体微结构阵列3可以设置在转向架区域隔墙1上，特别是转向架区域两侧的隔墙上；如图2所示，在另一实施方式中，立体微结构阵列3还可以设置在车体端墙2(即风挡区域端墙)上。在其它实施方式中，立体微结构阵列3还可以设置在气流速度和方向变化较为剧烈的其它区域。

优选地，立体微结构阵列3可以同时设置在高速列车车体的转向架区域隔墙1和车体端墙2的外表面上；该设置方式在达到较高减阻率的前提下，既不影响高速列车车体的视觉效果，同时还能够在一定程度上降低成本。

在本发明中，对立体微结构阵列3中立体微结构单元4的排列方式不作严格限制；结合图3和图4所示，立体微结构阵列3可以包括多个规则排列的立体微结构单元4，即多个立体微结构单元4以特定的方式规则地排列形成立体微结构阵列3。

此外，本发明对立体微结构单元4的具体结构和形状不作严格限制，只要是非光滑的立体结构单元即可，例如可以为凸起结构单元、凹陷结构单元等；其中，凸起结构单元相对高速列车车体表面向外凸起，例如可以为半球形凸起、肋条状凸起等，而凹陷结构单元则相对高速列车车体表面向内凹陷。

进一步地，对立体微结构单元4在立体微结构阵列3中的规则排列方式不作严格限制；如图3所示，在一实施方式中，立体微结构单元4可以规则排列为正方形，此时每一行中的立体微结构单元4等间距间隔排列，并且下一行的立体微结构单元4以等间距依序排列在上一行立体微结构单元4的下方；即，四个相邻的立体微结构单元4围成正方形，并且每一个立体微结构单元4占据该正方形的一个角。

如图4所示，在另一实施方式中，立体微结构单元4还可以规则排列为三角形，特别是等边三角形，此时每一行中的立体微结构单元4等间距间隔排列，并且下一行的立体微结构单元4依序排列在上一行的两个立体微结构单元4中间位置的下方；即，三个相邻的立体微结构单元4围成三角形，并且每一个立体微结构单元4占据该三角形的一个角。

优选地，立体微结构单元4为凹陷结构单元，对凹陷结构单元的截面形状不作严格限制，例如可以为半圆形；此时形成半球状凹陷。

进一步地，半圆形的半径可以为10-20mm，例如15mm，此时凹陷结构单元的深度即为半圆形的半径；并且，相邻凹陷结构单元之间的间距(即相邻半圆形圆心之间的距离)可以为40-80mm，例如60mm，此时横向间距(即同一行相邻凹陷结构单元之间的间距)与纵向间距(即同一列相邻凹陷结构单元之间的间距)相等。上述设置方式有利于提高高速列车车体的减阻率。

本发明的高速列车，包括上述任一的高速列车车体；可以理解的是，高速列车包括多个上述任一的高速列车车体，多个高速列车车体上立体微结构阵列3的设置位置及设置方式可以相同或不同，优选为相同。

本发明的高速列车，通过设置上述高速列车车体，从而改变了车体的局部流场，减少了高速列车的压差阻力或表面摩擦力，进而降低了整个高速列车的气动阻力，不仅有利于降低燃油使用率，节约能耗；此外，还对列车尾车升力的降低具有一定的改善作用。

实施例2

本实施例是在实施例1基础上的一种具体实施方式。如图1所示，本实施例的高速列车车体具有立体微结构阵列3，立体微结构阵列3设置在转向架区域隔墙1的整个外表面上。

具体地，如图3所示，立体微结构阵列3包括多个规则排列成正方形的立体微结构单元4，立体微结构单元4为凹陷结构单元，凹陷结构单元的截面形状为半圆形；其中，半圆形的半径为15mm，相邻凹陷结构单元之间的间距为60mm。

以具有三个上述高速列车车体的高速列车模型进行试验，结果表明：在车速为350km/h左右时，该模型具有良好的减阻效果，减阻率达到1.44％。

实施例3

本实施例是在实施例1基础上的另一种具体实施方式。如图2所示，本实施例的高速列车车体具有立体微结构阵列3，立体微结构阵列3设置在车体端墙2的整个外表面上。

具体地，如图3所示，立体微结构阵列3包括多个规则排列成正方形的立体微结构单元4，立体微结构单元4为凹陷结构单元，凹陷结构单元的截面形状为半圆形；其中，半圆形的半径为15mm，相邻凹陷结构单元之间的间距为60mm。

以具有三个上述高速列车车体的高速列车模型进行试验，结果表明：在车速为350km/h左右时，该模型具有良好的减阻效果，减阻率达到1.26％。

实施例4

本实施例是在实施例1基础上的再一种具体实施方式。结合图1和图2所示，本实施例的高速列车车体具有立体微结构阵列3，立体微结构阵列3同时设置在转向架区域隔墙1和车体端墙2的整个外表面上。

具体地，如图3所示，立体微结构阵列3包括多个规则排列成正方形的立体微结构单元4，立体微结构单元4为凹陷结构单元，凹陷结构单元的截面形状为半圆形；其中，半圆形的半径为15mm，相邻凹陷结构单元之间的间距为60mm。

以具有三个上述高速列车车体的高速列车模型进行试验，结果表明：在车速为350km/h左右时，该模型具有更加优异的减阻效果，减阻率达到2.5％以上。

实施例5

结合图1至图4所示，本发明的高速列车减阻方法，在高速列车车体上设置立体微结构阵列3，立体微结构阵列3设置在转向架区域隔墙1、车体端墙2和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上。

通过本发明的高速列车减阻方法，能够制造得到上述实施例1至实施例4的高速列车车体。

在本发明中，所述立体微结构阵列可以设置在气流速度和方向变化较为剧烈的区域，包括但不限于转向架区域隔墙1、车体端墙2和受电弓区域中的至少一个区域；优选地，立体微结构阵列3同时设置在高速列车车体的转向架区域隔墙1和车体端墙2的外表面上。

优选地，立体微结构阵列3为规则排列的凹陷结构单元，凹陷结构单元的截面形状为半圆形，半圆形的半径为10-20mm，例如15mm，并且相邻凹陷结构单元之间的间距为40-80mm，例如60mm。进一步地，立体微结构单元4可以规则排列为正方形。

本发明的高速列车减阻方法，通过在高速列车车体上设置立体微结构阵列3，改变了高速列车表面的空气流动情况，改善高速列车表面的粘性阻力，达到了列车减阻的效果；特别是在转向架区域隔墙1和车体端墙2上同时设置立体微结构阵列3时，减阻率达到2.5％以上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高速列车车体，其特征在于，具有立体微结构阵列，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上。

2.根据权利要求1所述的高速列车车体，其特征在于，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙和车体端墙的外表面上。

3.根据权利要求1所述的高速列车车体，其特征在于，所述立体微结构阵列包括多个规则排列的立体微结构单元，所述立体微结构单元为凸起结构单元或凹陷结构单元。

4.根据权利要求3所述的高速列车车体，其特征在于，所述立体微结构单元规则排列为正方形或三角形。

5.根据权利要求3或4所述的高速列车车体，其特征在于，所述立体微结构单元为凹陷结构单元，所述凹陷结构单元的截面形状为半圆形。

6.根据权利要求5所述的高速列车车体，其特征在于，所述半圆形的半径为10-20mm，并且相邻凹陷结构单元之间的间距为40-80mm。

7.一种高速列车，其特征在于，包括权利要求1至6任一所述的高速列车车体。

8.一种高速列车减阻方法，其特征在于，在高速列车车体上设置立体微结构阵列，所述立体微结构阵列设置在转向架区域隔墙、车体端墙和受电弓区域中的至少一个区域的外表面上。

9.根据权利要求8所述的高速列车减阻方法，其特征在于，在转向架区域隔墙和车体端墙的外表面上设置所述立体微结构阵列。

10.根据权利要求8或9所述的高速列车减阻方法，其特征在于，所述立体微结构阵列为规则排列的凹陷结构单元，所述凹陷结构单元的截面形状为半圆形，所述半圆形的半径为10-20mm，并且相邻凹陷结构单元之间的间距为40-80mm。