CN110001686A - 阵列式高速列车尾部涡流控制装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，涉及列车涡流控制技术领域，该尾部涡流控制装置固定于高速列车的头车和/或尾车的表面，该尾部涡流控制装置固定于鼻锥的表面，包括：阵列排布的多个尾涡控制器，多个尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于鼻锥的两侧；两两对称设置的尾涡控制器形成多个控制器组，控制器组沿对称轴的延伸方向依次排布，控制器组至少包括第一控制器组和第二控制器组，第一控制器组位于第二控制器组靠近鼻尖的一侧，第一控制器组中两两对称设置的尾涡控制器之间的最大直线距离为D1，第二控制器组中两两对称设置的尾涡控制器之间的最小直线距离为D2，D1＜D2。如此有利于减小高速列车的尾车升力。

Description

阵列式高速列车尾部涡流控制装置

技术领域

本申请涉及列车涡流控制技术领域，具体地说，涉及一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置。

背景技术

高速列车技术的发展是一个国家高新技术发展水平的重要标志。近些年，中国高速列车技术取得了重大进展，京沪高铁运行速度达到了350km/h。高速列车贴近地面或轨道运行，长径比远大于其他交通工具，在高速运行的情况下，其空气动力特性变得更为复杂。在无横风条件下，尾车的气动升力是影响列车乘坐舒适性和运行安全性的关键气动载荷，大的气动升力会显著减小轮轨接触力，对尾车的运行平稳性和乘坐舒适性有不利影响，甚至过大的气动升力容易导致列车脱轨，对运行安全性十分不利。

高速列车的气动外形设计所需考虑的因素众多，结构复杂。目前，高速列车流线型的头部和尾部主要是以减小列车气动阻力为目的而设计的，然而，这也在一定程度上增大了列车尾车的气动升力。此外，研究发现，列车尾涡的生成与脱落是影响尾车气动升力及其振荡的关键因素。为了综合考虑高速列车的气动特性，本发明希望更加有效地降低尾车的气动升力。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，在高速列车的头车和/或尾车的鼻锥位置引入了阵列排布的尾涡控制器，尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于鼻锥上表面的两侧，如此设计有利于实现对尾涡结构的干扰控制，减小尾涡带来的负面影响，有利于减小高速列车的尾车升力，从而有利于提升高速列车的运行安全性。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

本申请提供一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，所述高速列车尾部涡流控制装置固定于高速列车的头车和/或尾车的表面，所述高速列车包括所述头车和所述尾车以及位于所述头车和所述尾车之间的中间车，所述头车和所述尾车分别包括远离所述中间车设置的鼻锥，所述鼻锥包括远离所述中间车设置的鼻尖，所述高速列车尾部涡流控制装置固定于所述鼻锥的表面；

所述阵列式高速列车尾部涡流控制装置，包括：阵列排布的多个尾涡控制器，多个所述尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于所述鼻锥的两侧，位于所述对称轴同一侧的所述尾涡控制器朝向所述对称轴的正投影至少部分不交叠，所述对称轴的延伸方向与所述车头或车尾的延伸方向相同；

两两对称设置的所述尾涡控制器形成多个控制器组，所述控制器组沿所述对称轴的延伸方向依次排布，所述控制器组至少包括第一控制器组和第二控制器组，所述第一控制器组位于所述第二控制器组靠近所述鼻尖的一侧，所述第一控制器组中两两对称设置的所述尾涡控制器之间的最大直线距离为D1，所述第二控制器组中两两对称设置的所述尾涡控制器之间的最小直线距离为D2，D1＜D2。

可选地，其中：

所述尾涡控制器呈直角梯形结构，包括与直角梯形的顶边对应的第一表面、与直角梯形的底边对应的第二表面、与直角梯形的直角腰对应的第三表面、以及与直角梯形的斜腰对应的第四表面；所述第一表面和所述第二表面分别与所述第三表面垂直，所述第四表面分别与所述第一表面和所述第二表面相交；

所述第四表面与所述第一表面相交的位置与所述第三表面之间的垂直距离为h，所述第四表面与所述第二表面相交的位置与所述第三表面之间的垂直距离为H，所述第一表面与所述第二表面之间的距离为L，其中，h＜H，L≥H。

可选地，其中：

所述鼻锥上设置有与所述尾涡控制器数量对应的第一凹槽，所述尾涡控制器的所述第三表面固定于所述第一凹槽中；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器的长度方向与所述高速列车运行过程中的当地气流流向相同；其中，所述尾涡控制器的长度方向为所述直角梯形的直角腰的延伸方向。

可选地，其中：

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器的所述第一表面位于其第二表面靠近所述鼻尖的一侧。

可选地，其中：

所述尾涡控制器还包括相对设置且相互平行的第一梯形表面和第二梯形表面，所述第一梯形表面和所述第二梯形表面分别与所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面和所述第四表面相邻；

所述第一梯形表面和所述第二梯形表面之间的距离相同且均为W，W＜h。

可选地，其中：

在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与所述车头的延伸方向相同，所述鼻锥的表面呈弧形结构，在初始状态下，所述尾涡控制器的所述第二表面的延伸方向与所述弧形结构的至少一半径的延伸方向相同；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器可以y轴作为转轴朝向所述对称轴旋转一角度α或远离所述对称轴旋转一角度α，其中，α≤30°。

可选地，其中：

在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与所述车头的延伸方向相同；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器可以z轴作为转轴朝向所述对称轴旋转一角度β或远离所述对称轴旋转一角度β，其中，β≤30°。

可选地，其中：

在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与所述车头的延伸方向相同；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器可以x轴作为转轴朝向所述高速列车底部旋转一角度θ或远离所述高速列车底部旋转一角度θ，其中，θ≤45°。

可选地，其中：

所述控制器组数量为n，2≤n≤5。

与现有技术相比，本申请所述的阵列式高速列车尾部涡流控制装置，达到了如下效果：

本申请提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置中，在高速列车的头车和/或尾车的鼻锥位置引入了阵列排布的尾涡控制器，尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于鼻锥上表面的两侧，通常，在高速列车运行过程中会在尾车鼻锥对应区域形成涡结构，其与底部排障器及转向架附近发展出的涡结构汇合，相互作用下产生主涡结构。本申请高速列车上引入尾涡控制器后，高速列车鼻锥区域发展出的涡结构将受到尾涡控制器的干扰而提前脱落和分离，进而发展出比加装尾涡控制器前涡结构的强度和尺寸均较小的涡结构，从而影响或减弱了主涡的形成，因而有利于实现对尾涡结构的干扰控制，减小尾涡带来的负面影响，有利于减小高速列车的尾车升力，进而有利于提升高速列车的运行安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1所示为本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制器在高速列车的鼻锥位置的一种排布示意图；

图2所示为本申请实施例所提供的高速列车的一种结构示意图；

图3所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器的一种结构图；

图4所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器的一种侧视图；

图5所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器的一种正视图；

图6所示为本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置中尾涡控制器与鼻锥的一种相对位置关系图；

图7所示为对称设置的两个尾涡控制器以y轴为转轴进行旋转后完成固定的一种正视图；

图8所示为对称设置的两个尾涡控制器以y轴为转轴进行旋转后完成固定的另一种正视图；

图9所示为尾涡控制器以z轴为转轴进行旋转后完成固定的一种俯视图；

图10所示为尾涡控制器以z轴为转轴进行旋转后完成固定的另一种俯视图；

图11所示为尾涡控制器以x轴为转轴进行旋转后完成固定的一种侧视图；

图12所示为尾涡控制器以x轴为转轴进行旋转后完成固定的另一种侧视图；

图13所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器的一种排布示意图；

图14所示为加装尾涡控制装置前的一种Q等值面图(Q＝200)；

图15所示为加装尾涡控制装置之后的一种Q等值面图(Q＝200)。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

高速列车的气动外形设计所需考虑的因素众多，结构复杂。目前，高速列车流线型的头部和尾部主要是以减小列车气动阻力为目的而设计的，然而，这也在一定程度上增大了列车尾车的气动升力。此外，研究发现，列车尾涡的生成与脱落是影响尾车气动升力及其振荡的关键因素。为了综合考虑高速列车的气动特性，本发明希望更加有效地降低尾车的气动升力。

有鉴于此，本申请提供了一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，在高速列车的头车和/或尾车的鼻锥位置引入了阵列排布的尾涡控制器，尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于鼻锥上表面的两侧，如此设计有利于实现对尾涡结构的干扰控制，减小尾涡带来的负面影响，有利于减小高速列车的尾车升力，从而有利于提升高速列车的运行安全性。

以下结合附图和具体实施例进行详细说明。

图1所示为本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制器在高速列车的鼻锥位置的一种排布示意图，图2所示为本申请实施例所提供的高速列车的一种结构示意图，请参见图1和图2，本申请实施例提供一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置100，该高速列车尾部涡流控制装置100固定于高速列车200的头车50和/或尾车40的表面，其中，高速列车200包括头车50和尾车40以及位于头车50和尾车40之间的中间车60，头车50和尾车40分别包括远离中间车60设置的鼻锥20，鼻锥20包括远离中间车60设置的鼻尖21，高速列车尾部涡流控制装置100固定于鼻锥20的上表面；

阵列式高速列车尾部涡流控制装置100，包括：阵列排布的多个尾涡控制器10，多个尾涡控制器10沿同一对称轴30两两对称设置于鼻锥20上表面的两侧，位于对称轴30同一侧的尾涡控制器10朝向对称轴30的正投影至少部分不交叠，对称轴30的延伸方向与车头或车尾的延伸方向相同；

两两对称设置的尾涡控制器10形成多个控制器组31，控制器组31沿对称轴30的延伸方向依次排布，控制器组31至少包括第一控制器组和第二控制器组，第一控制器组位于第二控制器组靠近鼻尖21的一侧，第一控制器组中两两对称设置的尾涡控制器10之间的最大直线距离为D1，第二控制器组中两两对称设置的尾涡控制器10之间的最小直线距离为D2，D1＜D2。

需要说明的是，高速列车通常是双向行驶的，因此，位于高速列车两端的两个车厢，均可充当头车或尾车，因此，本申请实施例所提供的列车尾部涡流控制装置100既可安装在头车也可安装在尾车，当然，对于单向行驶的高速列车而言，仅安装在尾车即可，本申请对此不进行具体限定。另外，图1仅示出了各尾涡控制器10在鼻锥20上的一种排布关系，并不代表实际的尺寸。本申请实施例中提及的尾涡指的是高速列车尾流区的涡旋结构，在高速列车行驶的过程中，从尾车鼻锥20上方发展出的涡结构与列车底部排障器及转向架附近发展出的涡结构在鼻锥20前端汇合，共同作用下形成主涡结构，主涡结构的强度及尺寸直接影响尾车的气动升力，主涡结构的强度及尺寸越大，反映了尾车的气动升力越大。

本申请在高速列车的尾车的鼻锥20位置引入了尾部涡流控制装置100，请参见图1，该实施例中，尾部涡流控制装置100包括6个尾涡控制器10，6个尾涡控制器10沿同一对称轴30两两对称设置于鼻锥20上表面的两侧，整体排布呈现类似于等腰三角形的结构。6个尾涡控制器10形成三个控制器组31，越靠近鼻尖21位置，控制器组31中两两对称设置的尾涡控制器10之间的距离越小，即D1＜D2＜D3。鼻锥20从靠近中间车的位置到鼻尖21位置，尺寸呈减小的趋势，尾涡控制器10的此种排布形式与鼻锥20的此种流线型的结构相匹配。在尾车鼻锥20上引入图1所示的两两对称设置的所述尾涡控制器10后，高速列车的尾车鼻锥20区域发展出的涡结构将受到尾涡控制器10的干扰而提前脱落和分离，进而发展出比加装尾涡控制器10前涡结构的强度和尺寸均较小的涡结构，从而影响或减弱了主涡的形成，因而有利于实现对尾涡结构的干扰控制，减小尾涡带来的负面影响，有利于减小高速列车的尾车升力，进而有利于提升高速列车的运行安全性。

可选地，图3所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器10的一种结构图，图4所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器10的一种侧视图，图5所示为本申请实施例所提供尾涡控制器10的一种正视图。本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置100中，请参见图3-图5，尾涡控制器10呈直角梯形结构，包括与直角梯形的顶边对应的第一表面11、与直角梯形的底边对应的第二表面12、与直角梯形的直角腰对应的第三表面13、以及与直角梯形的斜腰对应的第四表面14；第一表面11和第二表面12分别与第三表面13垂直，第四表面14分别与第一表面11和第二表面12相交；

第四表面14与第一表面11相交的位置与第三表面13之间的垂直距离为h，第四表面14与第二表面12相交的位置与第三表面13之间的垂直距离为H，第一表面11与第二表面12之间的距离为L，其中，h＜H，L≥H。

具体地，请继续参见图3-图5，由于h＜H，L≥H，使得尾涡控制器10整体呈现长条状的直角梯形结构，此种结构的尾涡控制器10结构简单，易于制作，其具体尺寸可根据高速列车不同的鼻锥20尺寸来灵活设定，本申请对此不进行具体限定。例如，在本申请的一个实施例中，尾涡控制器10可采用如下尺寸进行设置：H＝200mm，h＝50mm，L＝450mm。需要说明的是，从图3可看出，尾涡控制器10是立体结构，在实际制作过程中，该尾涡控制器10可体现为实心结构，亦可体现为空心结构，本申请对此不进行具体限定。

可选地，请参见图6，图6所示为本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置100中尾涡控制器10与鼻锥20的一种相对位置关系图，鼻锥20上设置有与尾涡控制器10数量对应的第一凹槽(即尾涡控制器10下半部分所在的区域)，尾涡控制器10的第三表面13固定于第一凹槽中；

当将尾涡控制器10固定于第一凹槽中时，尾涡控制器10的长度方向与高速列车运行过程中的当地气流流向相同；其中，尾涡控制器10的长度方向为直角梯形的直角腰的延伸方向。

具体地，本申请实施例所提供的尾涡控制器10可采用嵌入式的方式安装在尾车的鼻锥20位置，在生产尾车鼻锥20时可在尾车鼻锥20的对应位置预留第一凹槽，当在尾车的鼻锥20上引入尾涡控制器10时，将尾涡控制器10插入该第一凹槽中，此时尾涡控制器10中的一部分隐藏在车体内部，另一部分暴露在鼻锥20的表面之上。尾涡控制器10与第一凹槽可采用机械连接的方式固定，例如采用螺钉连接等，本申请对此不进行具体限定。当尾涡控制器10的长度方向与高速列车运行过程中的当地气流流向相同时，几乎不会影响高速列车行驶过程中的气动阻力。

可选地，请结合图1、图5和图6，当将尾涡控制器10固定于第一凹槽中时，尾涡控制器10的第一表面11位于其第二表面12靠近鼻尖21的一侧。在尾涡控制器10中，第一表面11是几个表面中面积最小的表面，当将尾涡控制器10的第一表面11朝向鼻尖21设置时，在从鼻尖21朝向中间车的方向上，使得与直角梯形的斜腰对应的第四表面14与第三表面13之间的距离呈现递增的趋势，此种趋势与从鼻尖21位置朝向中间车的方向整个鼻锥20表面的变化趋势相符，对尾部主涡结构的形成能够起到一定的干扰作用，从而有利于减小列车尾部的涡结构的尺寸和强度，有利于减小高速列车的尾车升力。

可选地，请结合图3和图4，尾涡控制器10还包括相对设置且相互平行的第一梯形表面15和第二梯形表面16，第一梯形表面15和第二梯形表面16分别与第一表面11、第二表面12、第三表面13和第四表面14相邻；

第一梯形表面15和第二梯形表面16之间的距离相同且均为W，W＜h。

具体地，请继续参见图3和图4，本申请将尾涡控制器10设置为厚度均一的片状结构，此处的厚度指的是第一梯形表面15和第二梯形表面16之间的距离，而且将该厚度W设置得较小，使其小于第四表面14与第三表面13之间的最小距离h，如此，通过控制尾涡控制器10的厚度，避免因为尾涡控制器10的凸起而带来的高速列车行驶过程中所受到的阻力，同时还能够对尾部主涡结构的形成起到一定的干扰作用。

本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置100中，尾涡控制器10的设置方向可有一定幅度的改变空间，通过合理设计装置的相对位置即角度，形成阵列结构，可有效实现对尾部主涡结构的形成的干扰作用。例如设置尾涡控制器沿其后端高度H方向垂直于列车上表面，或在此基础上绕y轴朝向或远离对称轴30旋转均不超过30°。设置尾涡控制器绕z轴旋转使其前端(即第一表面11)朝向鼻尖，或在此基础上绕z轴朝向或远离对称轴30旋转均不超过30°。此外，尾涡控制器可适当根据头尾车外形绕x轴做适当旋转，向上、向下均不超过45°。安装时采用内嵌式安装，以下将结合附图来进行详细说明。

可选地，请结合图6至图8，图7所示为对称设置的两个尾涡控制器10以y轴为转轴进行旋转后完成固定的一种正视图，图8所示为对称设置的两个尾涡控制器10以y轴为转轴进行旋转后完成固定的另一种正视图。在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与车头的延伸方向相同，鼻锥的表面呈弧形结构，在初始状态下，尾涡控制器10的第二表面的延伸方向与弧形结构的至少一半径的延伸方向相同，也就是使得尾涡控制器沿其后端高度H方向垂直于列车鼻锥的上表面；

当将尾涡控制器10固定于第一凹槽中时，尾涡控制器10可以以y轴作为转轴朝向对称轴30旋转一角度α或远离对称轴30旋转一角度α，其中，α≤30°。

具体地，假设尾涡控制器10沿其后端高度H方向垂直于列车上表面，尾涡控制器10可以y轴为转轴进行旋转，其可朝向对称轴30的方向进行旋转，形成如图7所示的排布方式，亦可向远离对称轴30的方向进行旋转，形成图8所示的排布方式。当然对于不同的控制器组31中的尾涡控制器10，其旋转的角度和方向可不完全相同，只要保证同一控制器组31中的尾涡控制器10沿对称轴30呈对称设置即可。当α≤30°，即将尾涡控制器10的旋转角度控制在30°以内(含30°)时，尾涡控制装置100的引入既能够对尾部主涡结构的形成起到一定的干扰作用，还能有效控制对列车行驶过程中造成的阻力。需要说明的是，在初始状态下，第一梯形表面15与z轴之间可能已经存在第一夹角，图7和图8中的夹角q是在上述第一夹角的基础上以y轴作为转轴朝向对称轴30旋转角度α得到的，或者以y轴作为转轴远离对称轴30旋转角度α得到的。

可选地，请结合图6、图9和图10，图9所示为尾涡控制器10以z轴为转轴进行旋转后完成固定的一种俯视图，图10所示为尾涡控制器10以z轴为转轴进行旋转后完成固定的另一种俯视图，其中在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与车头的延伸方向相同；

当将尾涡控制器10固定于第一凹槽中时，尾涡控制器10可以以z轴作为转轴朝向对称轴30旋转一角度β或远离对称轴30旋转一角度β，其中，β≤30°。

具体地，设置尾涡控制器10绕z轴旋转并使其前端(第一表面11)朝向鼻尖21，在此基础上，尾涡控制器10可以z轴为转轴进行旋转，其可朝向对称轴30的方向进行旋转，形成如图9所示的排布方式，亦可向远离对称轴30的方向进行旋转，形成图10所示的排布方式。当然对于不同的控制组中的尾涡控制器10，其旋转的角度和方向可不完全相同，只要保证同一控制组中的尾涡控制器10沿对称轴30呈对称设置即可。当β≤30°，即将尾涡控制器10的旋转角度控制在30°以内(含30°)时，尾涡控制装置100的引入既能够对尾部主涡结构的形成起到一定的干扰作用，还能有效控制对列车行驶过程中造成的阻力。需要说明的是，当尾涡控制器10前端(第一表面11)朝向鼻尖21设置时，在该状态下，第一梯形表面15与y轴之间可能已经存在一第二夹角，图9和图10中的夹角p是在上述第二夹角的基础上以z轴作为转轴朝向对称轴30旋转角度β得到的，或者以z轴作为转轴远离对称轴30旋转角度β得到的。

可选地，请结合图6、图11、图12，图11所示为尾涡控制器10以x轴为转轴进行旋转后完成固定的一种侧视图，图12所示为尾涡控制器10以x轴为转轴进行旋转后完成固定的另一种侧视图，在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与车头的延伸方向相同；

当将尾涡控制器10固定于第一凹槽中时，尾涡控制器10可以以x轴作为转轴朝向高速列车底部旋转一角度θ或远离高速列车底部旋转一角度θ，其中，θ≤45°。

也就是说，尾涡控制器10可适当根据尾车外形绕x轴做适当旋转，向上、向下旋转均不超过45°(含45°即可)，请参见图11和图12。对于不同的控制组中的尾涡控制器10，其旋转的角度和方向可不完全相同，只要保证同一控制组中的尾涡控制器10沿对称轴30呈对称设置即可。当θ≤45°，即将尾涡控制器10的旋转角度控制在45°以内(含45°)时，尾涡控制装置100的引入既能够对尾部主涡结构的形成起到一定的干扰作用，还能有效控制对列车行驶过程中造成的阻力。需要说明的是，当尾涡控制器尚未旋转时，第三表面13与y轴之间可能已存在一第三夹角，图10和图11中的夹角g是在上述第三夹角的基础上以x轴作为转轴朝向高速列车底部旋转一角度θ得到的，或者是在上述第三夹角的基础上以x轴作为转轴远离高速列车底部旋转一角度θ得到的。

可选地，本申请实施例所提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置100中，控制器组31数量为n，2≤n≤5，需要说明的是，图1中仅示出了尾部涡流控制装置100包括3个控制组的情形，在本申请的一些其他实施例中，可根据需求来灵活设置控制组的数量，本申请对此不进行具体限定；此外，尾涡控制器10的构成材料与鼻锥20的构成材料可选为相同，当然，尾涡控制器10可采用任何强度高、韧性好、抗冲击的材料制作，例如铝合金、玻璃钢、ABS等等，本申请对此不进行具体限定，其中ABS是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物。

以下将结合应用实例对本申请中的高速列车尾部涡流控制装置100的排布及模拟结果进行说明。

请参见图13，图13所示为本申请实施例所提供的尾涡控制器10的一种排布示意图，在实施例中引入了6个尾涡控制器，6个尾涡控制器两两在尾车鼻锥20上表面左右对称布置，其中，尾涡控制器S1与S1'之间的间隔A1为200mm，尾涡控制器S2与S2'之间的间隔A2为900mm，尾涡控制器S3与S3'之间的间隔A3为1390mm；尾涡控制器S1与S2沿x方向的间隔为B1＝350mm，尾涡控制器S2与S3沿x方向的间隔为B2＝245mm，设置控制装置100中的6个尾涡控制器均沿其后端高度H方向垂直于列车上表面，绕z轴旋转使其前端朝向鼻尖21。尾涡控制器S1-S1'以及S3-S3'沿x轴向上(z轴正方向)旋转10°，尾涡控制器S2-S2'沿x轴向下(z轴负方向)旋转10°，坐标系为右手系。其中，尾涡控制器10中，H＝200mm，L＝450mm，h＝50mm，W＝20mm。气动升力评估如下：

根据空气动力学的基本理论，气动升力系数定义为：

C_l＝2L/(ρV²A)

式中：L为尾车承受的气动升力；ρ为空气来流密度；A为列车迎风面积，即横截面面积。V为列车运行速度，评估时取为350km/h。流场计算方法采用基于格心格式有限体积法的三维定常可压缩雷诺平均N-S方程，空间离散格式采用Roe格式，时间离散采用LU-SGS离散方法。通常，气动升力的科学研究的方法有3种：理论分析，试验测试，数值模拟。本专利的方案验证采用了数值模拟的方法，通过相关软件，在公认合理的控制方程、计算网格、物理模型等条件下真实地模拟了高速列车在350km/h的运行速度下的空气动力学特性。通过数值模拟后，得到尾车的气动升力。本申请之所以将气动升力转换成升力系数，是因为升力系数是无量纲化的，也是大家广泛采用的对比方法。

经过计算，得到尾部涡流控制装置加装前和加装后的尾车气动升力系数对比表如下：

表1尾车气动升力对比表

从表1中可以看出，本申请设计的阵列式尾部涡流控制装置能够减小尾车受到的空气升力，加装该装置后，尾车升力系数减小4.15％，降幅明显。

图14所示为加装尾部涡流控制装置前的一种Q等值面图(Q＝200)，图15所示为加装尾部涡流控制装置之后的一种Q等值面图(Q＝200)，从图中可以看出，尾部主要存在两个主涡结构，图14中体现为主涡结构P1和P1’，图15中体现为主涡结构P2和P2’。加装涡控制装置前，请参见图14，从尾车鼻锥上方发展出的涡结构M与底部排障器及转向架附近发展出的涡结构N在鼻锥前端汇合，共同作用下形成主涡结构P1和P1’；加装尾部涡流控制装置后，请参见图15，鼻锥上方发展出的涡在阵列式控制装置的干扰下提前脱落和分离，发展出比加装前涡结构M的强度和尺寸均略小的涡结构M’，进而影响或减弱了主涡的生成。从图14和图15进行对比可以看到，涡结构M’明显比涡结构M的强度和尺寸小得多。因此，该装置主要通过破碎和干扰尾部涡结构的方式来实现减小尾车升力的目的。需要说明的是，流场计算完成后，用不变量Q的等值面来描述流场涡结构，能够对流场涡结构进行识别和显示。可采用以下公式获得：

其中，应变率张量：

涡量：

其中，u_i、u_j代表速度分量，x_i、x_j代表坐标分量，i,j＝1,2,3。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本申请提供的阵列式高速列车尾部涡流控制装置中，在高速列车的头车和/或尾车的鼻锥位置引入了阵列排布的尾涡控制器，尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于鼻锥上表面的两侧，通常，在高速列车运行过程中会在尾车鼻锥对应区域形成涡结构，其与底部排障器及转向架附近发展出的涡结构汇合，相互作用下产生主涡结构。本申请高速列车上引入尾涡控制器后，高速列车的尾车鼻锥区域发展出的涡结构将受到尾涡控制器的干扰而提前脱落和分离，进而发展出比加装尾涡控制器前涡结构的强度和尺寸均较小的涡结构，从而影响或减弱了主涡的形成，因而有利于实现对尾涡结构的干扰控制，减小尾涡带来的负面影响，有利于减小高速列车的尾车升力，进而有利于提升高速列车的运行安全性。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，所述高速列车尾部涡流控制装置固定于高速列车的头车和/或尾车的表面，所述高速列车包括所述头车和所述尾车以及位于所述头车和所述尾车之间的中间车，所述头车和所述尾车分别包括远离所述中间车设置的鼻锥，所述鼻锥包括远离所述中间车设置的鼻尖，所述高速列车尾部涡流控制装置固定于所述鼻锥的表面；

所述阵列式高速列车尾部涡流控制装置，包括：阵列排布的多个尾涡控制器，多个所述尾涡控制器沿同一对称轴两两对称设置于所述鼻锥的两侧，位于所述对称轴同一侧的所述尾涡控制器朝向所述对称轴的正投影至少部分不交叠，所述对称轴的延伸方向与所述车头或车尾的延伸方向相同；

两两对称设置的所述尾涡控制器形成多个控制器组，所述控制器组沿所述对称轴的延伸方向依次排布，所述控制器组至少包括第一控制器组和第二控制器组，所述第一控制器组位于所述第二控制器组靠近所述鼻尖的一侧，所述第一控制器组中两两对称设置的所述尾涡控制器之间的最大直线距离为D1，所述第二控制器组中两两对称设置的所述尾涡控制器之间的最小直线距离为D2，D1＜D2。

2.根据权利要求1所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，所述尾涡控制器呈直角梯形结构，包括与直角梯形的顶边对应的第一表面、与直角梯形的底边对应的第二表面、与直角梯形的直角腰对应的第三表面、以及与直角梯形的斜腰对应的第四表面；所述第一表面和所述第二表面分别与所述第三表面垂直，所述第四表面分别与所述第一表面和所述第二表面相交；

所述第四表面与所述第一表面相交的位置与所述第三表面之间的垂直距离为h，所述第四表面与所述第二表面相交的位置与所述第三表面之间的垂直距离为H，所述第一表面与所述第二表面之间的距离为L，其中，h＜H，L≥H。

3.根据权利要求2所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，所述鼻锥上设置有与所述尾涡控制器数量对应的第一凹槽，所述尾涡控制器的所述第三表面固定于所述第一凹槽中；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器的长度方向与所述高速列车运行过程中的当地气流流向相同；其中，所述尾涡控制器的长度方向为所述直角梯形的直角腰的延伸方向。

4.根据权利要求3所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器的所述第一表面位于其第二表面靠近所述鼻尖的一侧。

5.根据权利要求3所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，所述尾涡控制器还包括相对设置且相互平行的第一梯形表面和第二梯形表面，所述第一梯形表面和所述第二梯形表面分别与所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面和所述第四表面相邻；

所述第一梯形表面和所述第二梯形表面之间的距离相同且均为W，W＜h。

6.根据权利要求5所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与所述车头的延伸方向相同，所述鼻锥的表面呈弧形结构，在初始状态下，所述尾涡控制器的所述第二表面的延伸方向与所述弧形结构的至少一半径的延伸方向相同；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器可以y轴作为转轴朝向所述对称轴旋转一角度α或远离所述对称轴旋转一角度α，其中，α≤30°。

7.根据权利要求5所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与所述车头的延伸方向相同；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器可以z轴作为转轴朝向所述对称轴旋转一角度β或远离所述对称轴旋转一角度β，其中，β≤30°。

8.根据权利要求5所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，在三维坐标系内，假设y轴的延伸方向与所述车头的延伸方向相同；

当将所述尾涡控制器固定于所述第一凹槽中时，所述尾涡控制器可以x轴作为转轴朝向所述高速列车底部旋转一角度θ或远离所述高速列车底部旋转一角度θ，其中，θ≤45°。

9.根据权利要求1所述的一种阵列式高速列车尾部涡流控制装置，其特征在于，所述控制器组数量为n，2≤n≤5。