CN109501824A - 一种基于等离子体的高速列车减阻方法和装置 - Google Patents

一种基于等离子体的高速列车减阻方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于等离子体的高速列车的减阻装置，包括中央处理子系统、分别与中央处理子系统连接的压力测量器、数字延迟器、开关选择控制器以及调压器，与开关选择控制器连接的智能开关，与智能开关连接的等离子体发生装置，以及与调压器连接的激励电源发生器,激励电源发生器与等离子体发生装置连接。本发明还公开了一种基于等离子体的高速列车的减阻方法。本发明在不改变车身的情况下，通过在高速列车的车头、车尾及车厢顶部产生等离子体对边界层施加主动流动控制，抑制边界层流动分离，解决了高速列车在运动过程中粘性阻力的问题，不仅获得了最佳减阻效果，还提高能源利用率与运营的安全性。本发明结构简单，方法灵活，适于推广应用。

Description

一种基于等离子体的高速列车减阻方法和装置
技术领域
本发明属于电气化铁路领域，尤其涉及一种基于等离子体的高速列车减阻方法和装置。
背景技术
近年来，我国高速铁路的发展十分迅速，以其快速、安全、准点率高和输送能力大等优点为经济社会的大发展提供了重要支撑和有力保障，并逐渐成为人们最重要的出行方式之一。高速列车的长径比远大于汽车、飞机等交通运输工具，且运行环境为大气压空气中，因而其空气动力学特性更为复杂。
高速列车在运行过程中所受的空气阻力包括空气摩擦阻力和空气压差阻力，其中前者是由于空气粘性导致，而后者是因为列车前后部分压力差引起，研究表明，空气阻力正比为列车运行速度的平方，当列车运行速度达到300km/h时，空气阻力达到了列车运行总阻力的70％以上，因此，探索降低高速列车运行过程中的空气阻力、节约能耗已成为下一代绿色环保高速列车的主要发展方向之一。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于等离子体的高速列车减阻方法和装置，解决了高速列车在高速运行过程中粘性阻力的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于等离子体的高速列车的减阻方法，包括如下步骤：
一种基于等离子体的高速列车的减阻方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)将压力测量器实时测量到的高速列车在运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息上传至中央处理子系统；
(S2)将中央处理子系统接受到的空气阻力信息与预设的阀值进行对比，并根据对比结果判断高速列车边界层是否分离，是则进入步骤(S3)，否则返回步骤(S1)；
(S3)根据对比结果得到分离点位置，并通过开关选择控制器开启位于分离点位置的等离子体发生装置；
(S4)根据空气阻力信息由调压器调节激励电源发生器的电压大小；
(S5)根据电压大小由等离子体发生装置产生不同的气流速度的等离子体，从而减小高速列车运行过程中的空气阻力。
进一步地，所述(S2)中的预设阀值包括：车头空气阻力的预设阀值15％Fv＝200km/h、车尾空气阻力的预设阀值15％Fv＝200km/h以及各车厢空气阻力的预设阀值7％Fv＝200km/h，其中，Fv＝200km/h为速度为200km/h时的高速列车的空气阻力。
再进一步地，所述(S2)中的对比结果满足以下任意一种情况时，则进入步骤(S3)，否则返回步骤(S1)：
第一种情况：Ft≥15％Fv＝200km/h
第二种情况：Fw≥15％Fv＝200km/h
第三种情况：Fz≥7％Fv＝200km/h
其中，Ft为车头的空气阻力，Fw为车尾的空气阻力，Fz为各车厢的空气阻力，15％Fv＝200km/h为车头或车尾空气阻力的预设阀值，7％Fv＝200km/h为各车厢空气阻力的预设阀值。
再进一步地，所述(S4)中电压大小的幅度范围为0-30KV。
基于上述方法，本发明还公开了一种基于等离子体的高速列车的减阻装置，包括中央处理子系统、分别与所述中央处理子系统连接的压力测量器、数字延迟器、开关选择控制器以及调压器，与所述开关选择控制器连接的智能开关，与所述智能开关连接的等离子体发生装置，以及与所述调压器连接的激励电源发生器，所述激励电源发生器与所述等离子体发生装置连接，其中，
所述压力测量器用于实时测量高速列车运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息，并上传至中央处理子系统；
所述中央处理子系统用于接收所述压力测量器测量到的空气阻力信息，并判断高速列车边界层是否分离以及分离点位置，以及通过开关选择控制器控制高速列车不同位置的智能开关的通断；
所述调压器用于根据压力测量器实时测量到的高速列车运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息控制激励电源发生器的输入电压；
所述激励电源发生器由数字延迟器进行触发，并由调压器调节输出电压的大小，其输出电压向等离子体发生装置供电，用于控制所述等离子体发生装置产生诱导气流的速度和方向；
所述等离子体发生装置分布于高速列车的车头、车尾以及各车厢的顶端，用于在高速列车流场边界层的分离点产生等离子体，从而对边界层进行主动流动控制。
再进一步地，所述等离子体发生装置包括绝缘介质、以及分布于所述绝缘介质两侧的高压电极和封装电极，且所述高压电极和封装电极与所述智能开关串联，其中，所述高压电极和封装电极平行设置或呈一定交角设置，且水平间距可调。
再进一步地，所述高压电极和封装电极的几何结构包括矩形电极、针板电极、梳状电极和三角形电极。
再进一步地，所述开关选择控制器为多路开关。
作为优选，所述压力测量器的型号为PST9116，所述数字延迟器的型号为DG645，所述调压器的型号为TDGC2-2，所述激励电源发生器的型号为CTP-2000K。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过压力测量器测量到的空气阻力由中央处理子系统判断边界层的分离情况及分离点位置，并由中央处理子系统依据反馈的空气阻力信息开启相应位置的等离子体发生装置和电极结构与位置，并调节激励电源发生装置的电压大小以控制诱导气流速度，能够显著减少列车高速运行时所受的空气阻力，有效地提高了列车的节能效率，并且在同等速度之下降低了高速列车的运行成本，提高了运营的安全性；
(2)本发明通过在高速列车的车头、车尾及车厢顶部产生等离子体对边界层施加主动流动控制，抑制边界层流动分离，解决了高速列车在运动过程中粘性阻力的问题，有效减小高速列车运行过程中的空气阻力，不仅获得了最佳减阻效果，还提高能源利用率与运营的安全性，并且等离子体发生装置具有无运动部件、体积小、功耗低以及响应快的优点；
(3)本发明中通过设置调节激励电源发生器，通过改变输入电压以控制等离子体发生装置产生诱导气流的速度和方向，根据压力测量器实时监测和反馈的高速列车空气阻力的大小从而选择不同的电极结构和电极间距，有效地提高了节能效率和减阻效果；
(4)本发明通过开关选择控制器控制高速列车不同位置的智能开关的通断，进一步提高了分离点位置的针对性与精确度，使整个高速列车的减阻装置更具自动化。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的装置结构示意图。
图3为本发明中等离子体装置的结构示意图。
图4为本发明中等离子体装置放置于高速列车上的示意图。
图5为本发明中等离子体装置放置于高速列车上的俯视图。
图6为本发明中的电极结构示意图。
其中，1-中央处理子系统，2-压力测量器，3-数字延迟器，4-开关选择控制器，5-智能开关，6-等离子体发生装置，7-激励电源发生器，8-调压器，601-高压电极，602-封装电极，603-绝缘介质。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供一种基于等离子体的高速列车的减阻方法，其具体步骤如下：
(S1)将压力测量器实时测量到的高速列车在运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息上传至中央处理子系统；
(S2)将中央处理子系统接受到的空气阻力信息与预设的阀值进行对比，并根据对比结果判断高速列车边界层是否分离，是则进入步骤(S3)，否则返回步骤(S1)，
所述(S2)中的预设阀值包括：车头空气阻力的预设阀值15％Fv＝200km/h、车尾空气阻力的预设阀值15％Fv＝200km/h以及各车厢空气阻力的预设阀值7％Fv＝200km/h，其中，Fv＝200km/h为速度为200km/h时的高速列车的空气阻力。
所述(S2)中的对比结果满足以下任意一种情况时，则进入步骤(S3)，否则返回步骤(S1)：
第一种情况：Ft≥15％Fv＝200km/h
第二种情况：Fw≥15％Fv＝200km/h
第三种情况：Fz≥7％Fv＝200km/h
其中，Ft为车头的空气阻力，Fw为车尾的空气阻力，Fz为各车厢的空气阻力，15％Fv＝200km/h为车头或车尾空气阻力的预设阀值，7％Fv＝200km/h为各车厢空气阻力的预设阀值；
(S3)根据对比结果得到分离点位置，并通过开关选择控制器开启位于分离点位置的等离子体发生装置，其中，还包括位于分离点之前且距离分离点最近的等离子体发生装置；
本实施例中，由于边界流场不一定就在每节车厢的等离子体发生装置的位置分离，其分为两种情况：如果分离点在等离子体发生装置的位置，则开启分离点位置的等离子体发生装置；如果分离点不在等离子体发生装置的位置，则开启分离点之前且距离最近的等离子体发生装置。
(S4)根据空气阻力信息由调压器调节激励电源发生器的电压大小，其中，所述电压大小的幅度范围为0-30KV；
(S5)根据电压大小由等离子体发生装置产生不同的气流速度的等离子体，从而减小高速列车运行过程中的空气阻力。
如图2所示，本发明还公开了一种基于等离子体的高速列车的减阻装置，包括中央处理子系统1、分别与所述中央处理子系统1连接的压力测量器2、数字延迟器3、开关选择控制器4以及调压器8，与所述开关选择控制器4连接的智能开关5，与所述智能开关5连接的等离子体发生装置6，以及与所述调压器8连接的激励电源发生器7，所述激励电源发生器7与所述等离子体发生装置6连接，其中，
所述压力测量器2用于实时测量高速列车运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息，并上传至中央处理子系统1；
所述中央处理子系统1用于接收所述压力测量器2测量到的空气阻力信息，并判断高速列车流场边界层是否分离以及分离点位置，以及通过开关选择控制器4控制高速列车不同位置的智能开关5的通断；
所述调压器8用于根据压力测量器2实时测量到的高速列车运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息控制激励电源发生器7的输入电压；
所述激励电源发生器7由数字延迟器3进行触发，并由调压器8调节输出电压的大小，其输出电压向等离子体发生装置6供电，用于控制所述等离子体发生装置6产生诱导气流的速度和方向；
所述等离子体发生装置6分布于高速列车的车头、车尾以及各车厢的顶端，用于在高速列车流场边界层的分离点及其附近产生等离子体，从而对边界层进行主动流动控制。
如图3-图5所示，所述等离子体发生装置6包括绝缘介质603、以及分布于所述绝缘介质两侧的高压电极601和封装电极602，且所述高压电极601和封装电极602与所述智能开关5串联，其中，所述高压电极601和封装电极602平行设置或呈一定交角设置，且水平间距可调。
如图6所示，所述高压电极601和封装电极602的几何结构包括矩形电极、针板电极、梳状电极和三角形电极。
本实施例中，所述开关选择控制器4为多路开关，可为4选择1开关，也可为8选择1开关。
本实施例中，所述压力测量器2的型号为PST9116，所述数字延迟器3的型号为DG645，所述调压器8的型号为TDGC2-2，所述激励电源发生器7的型号为CTP-2000K，其中，其电路结构属于现有技术，本领域技术人员基本电子电路的基本常识和本实施例所阐述的内容可自行配置，此处不再赘述。
本实施例中，随着高速列车运行速度的增大，空气阻力随之迅速增大，压力测量器2通过实时监测高速列车各个部分的空气阻力并快速反馈至中央处理子系统1，中央处理子系统1将所监测的空气阻力信息与本地数据库的预设阀值进行对比分析，从而判断高速列车边界层是否分离以及分离点位置，最终以边界层不发生分离为控制目标，从而达到最佳减阻效果。若中央处理子系统1判断结果确定边界层分离，快速确定分离点位置，则通过开关选择控制器4控制高速列车不同位置的智能开关5，并发出快速选择开启边界层离分离点位置最近的等离子体发生装置6，调压器8根据压力测量器2反馈的所受空气阻力的大小调节激励电源发生器7输入电压，以及选择电极位置和电极结构，从而控制等离子体发生装置7产生诱导气流的速度、大小和方向，使其节能效率和减阻效果达到最高。
根据高速列车表面空气阻力的分布特性，本发明通过上述设计，能够显著地减少列车高速运行时所受的空气阻力，不仅提高高速列车的节能效率，而且在同等速度之下还降低了高速列车的运行成本，进而提高了运营的安全性。本发明不仅适用于高速列车行驶过程中的减阻，而且还能应用于其他类似行驶装置测试中，具有很强的实用性和推广价值。

Claims (9)

1.一种基于等离子体的高速列车的减阻方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)将压力测量器实时测量到的高速列车在运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息上传至中央处理子系统；
(S2)将中央处理子系统接受到的空气阻力信息与预设的阀值进行对比，并根据对比结果判断高速列车边界层是否分离，是则进入步骤(S3)，否则返回步骤(S1)；
(S3)根据对比结果得到分离点位置，并通过开关选择控制器开启位于分离点位置的等离子体发生装置；
(S4)根据空气阻力信息由调压器调节激励电源发生器的电压大小；
(S5)根据电压大小由等离子体发生装置产生不同的气流速度的等离子体，从而减小高速列车运行过程中的空气阻力。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体的高速列车的减阻方法，其特征在于，所述(S2)中的预设阀值包括：车头空气阻力的预设阀值15％Fv＝200km/h、车尾空气阻力的预设阀值15％Fv＝200km/h以及各车厢空气阻力的预设阀值7％Fv＝200km/h，其中，Fv＝200km/h为速度为200km/h时的高速列车的空气阻力。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体的高速列车的减阻方法，其特征在于，所述(S2)中的对比结果满足以下任意一种情况时，则进入步骤(S3)，否则返回步骤(S1)：
第一种情况：Ft≥15％Fv＝200km/h
第二种情况：Fw≥15％Fv＝200km/h
第三种情况：Fz≥7％Fv＝200km/h
其中，Ft为车头的空气阻力，Fw为车尾的空气阻力，Fz为各车厢的空气阻力，15％Fv＝200km/h为车头或车尾空气阻力的预设阀值，7％Fv＝200km/h为各车厢空气阻力的预设阀值。
4.根据权利要求1所述的基于等离子体的高速列车的减阻方法，其特征在于，所述(S4)中电压大小的幅度范围为0-30KV。
5.一种基于等离子体的高速列车的减阻装置，其特征在于，包括中央处理子系统(1)、分别与所述中央处理子系统(1)连接的压力测量器(2)、数字延迟器(3)、开关选择控制器(4)以及调压器(8)，与所述开关选择控制器(4)连接的智能开关(5)，与所述智能开关(5)连接的等离子体发生装置(6)，以及与所述调压器(8)连接的激励电源发生器(7)，所述激励电源发生器(7)与所述等离子体发生装置(6)连接，其中，
所述压力测量器(2)用于实时测量高速列车运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息，并上传至中央处理子系统(1)；
所述中央处理子系统(1)用于接收所述压力测量器(2)测量到的空气阻力信息，并判断高速列车边界层是否分离以及分离点位置，以及通过开关选择控制器(4)控制高速列车不同位置的智能开关(5)的通断；
所述调压器(8)用于根据压力测量器(2)实时测量到的高速列车运行过程中车头、车尾以及各车厢的空气阻力信息控制激励电源发生器(7)的输入电压；
所述激励电源发生器(7)由数字延迟器(3)进行触发，并由调压器(8)调节输出电压的大小，其输出电压向等离子体发生装置(6)供电，用于控制所述等离子体发生装置(6)产生诱导气流的速度和方向；
所述等离子体发生装置(6)分布于高速列车的车头、车尾以及各车厢的顶端，用于在高速列车流场边界层的分离点产生等离子体，从而对边界层进行主动流动控制。
6.根据权利要求5所述的基于等离子体的高速列车的减阻装置，其特征在于，所述等离子体发生装置(6)包括绝缘介质(603)、以及分布于所述绝缘介质两侧的高压电极(601)和封装电极(602)，且所述高压电极(601)和封装电极(602)与所述智能开关(5)串联，其中，所述高压电极(601)和封装电极(602)平行设置或呈一定交角设置，且水平间距可调。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体的高速列车的减阻装置，其特征在于，所述高压电极(601)和封装电极(602)的几何结构包括矩形电极、针板电极、梳状电极和三角形电极。
8.根据权利要求5所述的基于等离子体的高速列车的减阻装置，其特征在于，所述开关选择控制器(4)为多路开关。
9.根据权利要求5所述的基于等离子体的高速列车的减阻装置，其特征在于，所述压力测量器(2)的型号为PST9116，所述数字延迟器(3)的型号为DG645，所述调压器(8)的型号为TDGC2-2，所述激励电源发生器(7)的型号为CTP-2000K。
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