CN110795795A - 一种机车头型优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与传统的风洞试验方法辅助头型设计相比，设计效率高、设计周期短、设计成本低、简单直观的机车头型优化设计方法。该机车头型优化设计方法包括：机车设定步骤、流场设定步骤、计算步骤以及初解头型生成步骤，根据机车的头型几何参数、流场的计算域的几何参数及流场计算参数，调整机车的头型几何参数，根据调整后的头型几何参数来生成初解机车头型；从而能够提高设计机车头型的效率，缩短设计周期，降低设计成本，并且设计方法简单，减少了设计人员的工作量。

Description

一种机车头型优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种机车头型的优化设计方法。

背景技术

轨道机车作为牵引轨道车辆的动力车，在高速行驶时，其头型对机车运行时的空气动力学特性均有很大的影响。随着现代轨道机车朝着高速化方向的发展，需要尽可能改善机车的空气动力学特性。因此，人们期望设计出一种最佳的机车头型，使得机车运行过程中遇到的空气阻力尽可能小，从而降低机车能耗；机车运行时产生的升力为零，以防止发生爬轨和跳轨等情况；交会压力波小，避免交会时掀翻被交会货物列车篷布、吸下货品等影响行车安全的事情发生等。

但是，传统的机车头型的设计方法往往无法预判机车空气动力学性能是否符合要求，而通过风洞试验来辅助头型设计的方法也存在设计周期长、试验成本高、模拟设备复杂的弊端，无法大规模应用。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述问题而提出，其目的在于，提供一种与传统的风洞试验方法辅助头型设计相比，设计效率高、设计周期短、设计成本低、简单直观的机车头型优化设计方法。

根据本发明的第一实施方式的机车头型优化设计方法，包括：机车设定步骤，获取机车的头型几何参数和运行速度；流场设定步骤，获取所述机车所处的流场的计算域的几何参数及流场计算参数；计算步骤，根据所述机车的所述头型几何参数、所述流场的计算域的几何参数及所述流场计算参数，建立流体力学动量方程和流体力学连续性方程，将从所述流体力学动量方程和所述流体力学连续性方程离散得到的代数方程组联立求解，从而计算出所述机车的表面在所述流场中运行时受到的表面压力，监测所述表面压力，直到所述表面压力不再发生变化时结束计算；初解头型生成步骤，将所述计算步骤中最终计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较，在所述表面压力达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力低于对应的阈值；在所述表面压力低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成初解机车头型。

采用本实施方式，至少能产生如下有益效果，即，能够提高设计机车头型的效率，缩短设计周期，降低设计成本，并且设计方法简单，减少了设计人员的工作量。进一步地，由于在设计机车头型的同时还得到了与机车头型相关的完整的空气动力学性能数据，所以在设计初期就能够对各种头型设计方案的优劣进行直观对比，获得在明线稳态运行情况下机车头型的最优设计方案。

根据本发明的第二实施方式的机车头型优化设计方法，在所述初解头型生成步骤之后还包括：交会设定步骤，获取两个所述机车在平行交会时的相对运行速度以及两个所述机车在平行交会时的交会间距、交会开始距离、交会结束距离，所述交会间距是两个所述机车在与所述运行方向垂直的方向上的距离，所述交会开始距离是两个所述机车在交会前的在所述运行方向上的距离，所述交会结束距离是两个所述机车在交会后的在所述运行方向上的距离；交会计算步骤，根据所述初解机车头型、所述流场的计算域的几何参数及所述流场计算参数、所述相对运行速度、所述交会间距、所述交会开始距离和所述交会结束距离，计算在两个所述机车从交会开始状态起相向运行到交会结束状态的过程中，两个所述机车中的任一者的表面所受到的所述表面压力，所述交会开始状态是两个所述机车沿着运行方向相距所述交会开始距离并相互接近运行的状态，所述交会结束状态是两个所述机车沿着所述运行方向相距所述交会开始距离并相互离开运行的状态；终解头型生成步骤，将计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较，在所述表面压力达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤、所述初解头型生成步骤、所述交会计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力低于对应的阈值；在所述表面压力低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成终解机车头型。

采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够进一步获得在交会运行情况下机车头型的最优设计方案、提升设计的优化效果并提高设计效率的有益效果。

根据本发明的第三实施方式的机车头型优化设计方法，在调整所述机车的所述头型几何参数时，针对所述表面压力的变化速率达到预先设定的对应的阈值以上的部位的几何参数进行修改。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够进一步提高设计效率的有益效果。

根据本发明的第四实施方式的机车头型优化设计方法，在调整所述机车的所述头型几何参数时，针对产生涡流的部位的几何参数进行修改。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够进一步提高设计效率的有益效果。

根据本发明的第五实施方式的机车头型优化设计方法，从所述机车的表面的车头、侧窗、车身分别选取至少一个位置点作为监测点，仅将针对所述监测点最终计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够进一步提高运算速度并减小运算量、节约系统资源的有益效果。

根据本发明的第六实施方式的机车头型优化设计方法，在所述计算步骤中，根据最终计算出的所述表面压力来计算所述机车受到的气动阻力、阻力系数、升力；在所述初解头型生成步骤中，将所述计算步骤中计算出的所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力与各自对应的阈值分别进行比较，在所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力中的至少一者达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力均低于对应的阈值；在所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力均低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成初解头型。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度的有益效果。

根据本发明的第七实施方式的机车头型优化设计方法，在所述终解头型生成步骤中，根据所述表面压力来计算所述表面压力的压力波幅值，并将计算出的所述表面压力的压力波幅值与对应的阈值进行比较，在所述表面压力的压力波幅值达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力的压力波幅值低于对应的阈值；在所述表面压力的压力波幅值低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成终解机车头型。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度的有益效果。

根据本发明的第八实施方式的机车头型优化设计方法，所述头型几何参数包括：所述机车的沿所述运行方向的总长度、沿与所述运行方向垂直的方向的最大宽度、底面距轨面最大高度、车钩中心线距轨面高度、车头沿所述运行方向的最大长度。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度的有益效果。

根据本发明的第九实施方式的机车头型优化设计方法，所述流场的计算域是长方体形状的，所述流场的计算域的几何参数是根据所述机车的所述头型几何参数而决定的。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度的有益效果。

根据本发明的第十实施方式的机车头型优化设计方法，在所述交会计算步骤之前重新进行所述流场设定步骤。采用本实施方式，除了上述有益效果外，还具有能够更加合理地对两个机车的明线会车工况进行数值模拟计算，从而更加优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度的有益效果。

附图说明

图1是采用本发明的第一实施方式针对明线稳态运行状态下的机车头型进行优化设计的流程图。

图2是机车的明线稳态运行状态的示意图。

图3是采用本发明的第二实施方式针对明线会车运行状态下的机车头型进行优化设计的流程图。

图4是机车的明线会车运行状态的示意图。

图5是表面压力的变化曲线图。

具体实施方式

第一实施方式

图1是采用本发明的第一实施方式针对明线稳态运行状态下的机车头型进行优化设计的流程图。图2是机车的明线稳态运行状态的示意图。所谓的明线稳态运行状态是指，机车在平直道、明线、非交会工况、静止风环境、周围空旷等特定条件下单向匀速行驶。以下，参考图1和图2，对本发明的第一实施方式的机车头型优化设计方法进行说明。此处，为了方便说明，将附图中的部分元素的尺寸、形状、比例等进行了夸大的描写，这些附图均是示意图，并不构成对实际的尺寸、形状、比例等的限定，下文同理。

本发明的第一实施方式的机车头型优化设计方法包括：机车设定步骤S101、流场设定步骤S102、计算步骤S103、初解头型生成步骤S104。

首先，在机车设定步骤S101中，获取机车1的头型几何参数和运行速度。机车1的头型几何参数包括：机车1的沿运行方向的总长度、沿与所述运行方向垂直的方向的最大宽度、底面距轨面最大高度、车钩中心线距轨面高度、车头沿所述运行方向的最大长度、头部侧壁在与所述运行方向垂直的平面上向内倾斜的角度。以下，将机车1的沿运行方向的总长度简称为“车长”，将沿与所述运行方向垂直的方向的最大宽度简称为“车宽”，将车头沿所述运行方向的最大长度简称为“车头长度”。以机车1的上述头型几何参数作为约束条件，在该约束条件下，可以根据以往头型设计中积累的经验，对头部纵剖面形状、头部俯视形状等进行调整，从而建立比较合理的头型模型。一般地，头部纵剖面采用外凸型、头部俯视形状采用较尖的形状比较有利于改善机车头型的空气动力学特征。机车1的运行速度可以根据机车设计要求或者客户需求来设定。

另外，在本实施方式的一个实施例中，可以在将上述头型结合参数和运行速度中的若干个参数设定为一定值的基础上，同时建立多种不同的头型模型。比如，建立三种机车头型模型，将这三种机车头型模型的车头沿所述运行方向的最大长度均设定为2500mm，沿与所述运行方向垂直的方向的最大宽度均设定为3100mm，头部侧壁在与所述运行方向垂直的平面上向内倾斜的角度均设定为1.5度，在此基础上使三种机车头型模型的头部纵剖面形状和/或头部俯视形状各不相同。如此，针对不同头型模型进行后续的计算处理，比较不同头型模型的空气动力学特性的计算结果的优劣，从而便于总结经验，提高设计效率。

接着，在流场设定步骤S102中，获取机车1所处的流场的计算域2的几何参数及流场计算参数。在本实施方式中，由于是针对机车1的明线稳态运行状态进行优化设计，所以优选计算域2是长方体形状，但是并不限于此。比如，计算域2也可以是圆柱体形状或者半圆柱体形状的。计算域2的几何参数是根据机车1的头型几何参数而决定的。将明线稳态运行视为计算域2中的空气进行非压缩流动，所以按照定常场进行处理。计算域2的流场计算参数包括：湍流模型、壁面边界条件、空气密度。

另外，在本实施方式的一个实施例中，可以将计算域2的几何参数设定为：沿所述运行方向的长度是所述机车的车长的20倍，所述流场的计算域的沿与所述运行方向垂直的方向的宽度是所述机车的车宽的20倍，所述流场的计算域的沿铅直方向的高度是所述机车的沿铅直方向的高度的20倍。在将机车1的头型模型放置于流场的计算域2中时，计算域2的纵向中心线与机车1的头型模型的纵向中心线重合，机车1的车尾距离计算域2的后方不小于200米，但是并不限于此，也可以根据设计需求而进行其他合理的设定。通过这样，能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度。

另外，在本实施方式的其他实施例中，关于计算域2的流场计算参数，可以选用标准k-e湍流模型，将空气密度ρ设定为1.225kg/m3，将速度进口的壁面边界条件设定为反方向的运行速度，将压力出口的壁面边界条件设定为标准大气压，其余的壁面边界条件均设定为标准壁面边界条件，但是并不限于此，也可以根据设计需求而进行其他合理的设定。

另外，在本实施方式的其他实施例中，可以采用三维建模软件CATIA来对机车1及其所处的流场的计算域2进行几何建模处理，但是并不限于此，也可以采用其他方式进行建模处理。

接着，在计算步骤S103中，根据机车1的所述头型几何参数、流场的计算域2的几何参数及所述流场计算参数，建立流体力学动量方程和流体力学连续性方程，将从所述流体力学动量方程和所述流体力学连续性方程离散得到的代数方程组联立求解，得到各速度分量和相应的压力值，从而计算出机车1的表面在流场中运行时受到的表面压力，监测所述表面压力，当所述表面压力不再发生变化时结束计算。

在本实施方式的一个实施例中，根据最终计算出的表面压力来计算机车1受到的气动阻力、阻力系数、升力，并监测机车1受到的气动阻力、阻力系数、升力，当将所述流体力学动量方程和所述流体力学连续性方程离散得到的代数方程组联立求解而得到的表面压力不再发生变化，即机车1受到的气动阻力、阻力系数、升力不再发生变化时结束计算。通过这样，能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度。

在本实施方式中，可以根据下面的式(1)计算机车1的阻力系数。

其中，C_D代表阻力系数，D代表气动阻力，ρ代表流体密度，A代表列车迎风面积。

接着，在初解头型生成步骤S104中，将计算步骤S103中最终计算出的表面压力与对应的阈值进行比较，在表面压力达到对应的阈值以上的情况下，调整机车1的头型几何参数并重新进行计算步骤S103，以使基于调整后的机车1的头型几何参数所最终计算出的表面压力低于对应的阈值。具体而言，在调整机车1的头型几何参数时，主要是通过调整头部纵剖面形状、头部俯视形状的相应部分进行修正。另一方面，在表面压力低于对应的阈值的情况下，根据头型几何参数来生成初解机车头型。

另外，在本实施方式的一个实施例中，可以在计算步骤S103中获取机车1的表面压力分布云图和流线图，在初解头型生成步骤S104中调整机车1的头型几何参数时，根据该表面压力分布云图和流线图，针对所述表面压力的变化速率达到预先设定的对应的阈值以上的部位的几何参数进行修改，或者，针对产生涡流的部位的几何参数进行修改。通过这样，能够进一步提高设计效率。

另外，在本实施方式的其他实施例中，可以从机车1的表面的车头、侧窗、车身分别选取至少一个位置点作为监测点，仅将针对监测点最终计算出的表面压力与对应的阈值进行比较。通过这样，能够进一步提高运算速度并减小运算量、节约系统资源。

另外，在本实施方式的其他实施例中，可以在初解头型生成步骤S104中，将计算步骤S103中计算出的气动阻力、阻力系数、升力与各自对应的阈值分别进行比较，在气动阻力、阻力系数、升力中的至少一者达到对应的阈值以上的情况下，调整机车1的头型几何参数并重新进行计算步骤S103，以使基于调整后的机车1的头型几何参数所最终计算出的气动阻力、阻力系数、升力均低于对应的阈值；在气动阻力、阻力系数、升力均低于对应的阈值的情况下，根据头型几何参数来生成初解头型。通过这样，能够更加合理优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度。

在上述实施例中，关于与机车1的阻力系数对应的阈值，当机车1的运行速度为200km/h时，可以将该阈值设定为0.65，即，此时计算出的阻力系数不应超过0.65。

另外，在本实施方式的其他实施例中，在同时建立有多种不同的头型模型的情况下，可以在计算步骤S103中分别对多种不同的头型模型计算机车受到的表面压力或气动阻力、阻力系数、升力等。然后，在初解头型生成步骤S104中，不仅将基于多种不同的头型模型的表面压力或气动阻力、阻力系数、升力分别与它们对应的阈值进行比较，而且还在不同的头型模型之间比较表面压力或气动阻力、阻力系数、升力等，最终在满足表面压力或气动阻力、阻力系数、升力等低于对应的阈值的条件的头型模型中，选择表面压力或气动阻力、阻力系数最小且升力最接近于零的头型模型，并根据选择出的头型模型的头型几何参数来生成初解机车头型。

根据以上说明的第一实施方式，至少能产生如下有益效果，即，能够提高设计机车头型的效率，缩短设计周期，降低设计成本，并且设计方法简单，减少了设计人员的工作量。进一步地，由于在设计机车头型的同时还得到了与机车头型相关的完整的空气动力学性能数据，所以在设计初期就能够对各种头型设计方案的优劣进行直观对比，获得在明线稳态运行情况下机车头型的最优设计方案。

第二实施方式

本发明的第二实施方式的机车头型优化设计方法包括与第一实施方式的机车头型优化设计方法同样的步骤，但是存在如下不同点，即，在生成初解机车头型之后，还针对初解机车头型在明线会车运行状态下的空气动力学表现进行数值模拟计算，从而进一步优化机车头型的设计方案。所谓的明线会车运行状态是指，至少两个机车在平直道、明线、交会工况、静止风环境、周围空旷等特定条件下相向匀速行驶。

图3是采用本发明的第二实施方式针对明线会车运行状态下的机车头型进行优化设计的流程图。图4是机车的明线会车运行状态的示意图。以下，参考图3和图4，对本发明的第二实施方式的机车头型优化设计方法中与第一实施方式的不同点进行说明。

本发明的第二实施方式的机车头型优化设计方法是对在第一实施方式中生成的初解机车头型进一步地进行明线会车工况的数值模拟计算，因此除了机车设定步骤S101、流场设定步骤S102、计算步骤S103、初解头型生成步骤S104以外，还包括交会设定步骤S201、交会计算步骤S202、终解头型生成步骤S203。

首先，在交会设定步骤S201中，获取两个机车1在平行交会时的相对运行速度以及两个机车1在平行交会时的交会间距、交会开始距离、交会结束距离。交会间距是指，两个机车1在与运行方向垂直的方向上的距离。交会开始距离是指，在交会前某一时刻，彼此相向接近行驶的两个机车1在运行方向上的距离。交会结束距离是指，在交会后某一时刻，彼此背对离开行驶的两个机车1在运行方向上的距离。更具体而言，两个机车1的交会间距可以是两车的车纵向中心线之间的距离，也可以是两车相互靠近的表面之间的距离，还可以是各机车1的车纵向中心线与两机车1各自的计算域2的交界之间的距离。两个机车1的交会开始距离可以是两车的横向中心线之间的距离，也可以是两车的车头最前端之间的距离。两个机车1的交会结束距离可以是两车的横向中心线之间的距离，也可以是两车的车尾最末端之间的距离。交会设定步骤S201可以与机车设定步骤S101、流场设定步骤S102同时进行，也可以在初解头型生成步骤S104之后进行。

另外，在本实施方式的一个实施例中，在交会设定步骤S201中，将交会间距设定为各机车1的车纵向中心线与两机车1各自的计算域2的交界之间的距离且数值为2米(即，线间距为4米)，将交会开始距离设定为两车的车头最前端之间的距离且数值为100米，将交会结束距离设定为两车的车尾最末端之间的距离且数值为40米。但是，本发明的技术方案并不限于此，交会间距、交会开始距离、交会结束距离是可以根据机车设计要求或者客户需求来设定的任何合理数值。

接着，在交会计算步骤S202中，根据所述相对运行速度、所述交会间距、所述交会开始距离和所述交会结束距离，计算在两个所述机车从交会开始状态起相向运行到交会结束状态的过程中，两个所述机车中的任一者的表面所受到的所述表面压力，所述交会开始状态是两个所述机车沿着运行方向相距所述交会开始距离并相互接近运行的状态，所述交会结束状态是两个所述机车沿着所述运行方向相距所述交会开始距离并相互离开运行的状态。

其中，需要说明的是，在本实施方式的一个实施例对初解机车头型进一步地进行明线会车工况的数值模拟计算时，可以利用初解机车头型，换言之，在交会计算步骤S202之前不必重新进行机车设定步骤S101，而是直接根据初解机车头型来获取机车1的头型几何参数并利用以前在机车设定步骤S101中获取的运行速度。但是，本发明并不限于此。例如，也可以在交会计算步骤S202之前重新进行机车设定步骤S101来重新获取机车1的头型几何参数和运行速度。

另外，在本实施方式的其他实施例中，可以在交会计算步骤S202之前重新进行流场设定步骤S102，来获取特别针对两个机车1明线交会运行时所处的流场而设定的计算域2的几何参数及流场计算参数。例如，通过重新进行流场设定步骤S102，将计算域2的几何参数设定为：沿所述运行方向的长度是所述机车的车长的20倍，所述流场的计算域的沿与所述运行方向垂直的方向的宽度是所述机车的车宽的10倍，所述流场的计算域的沿铅直方向的高度是所述机车的沿铅直方向的高度的20倍。关于明线交会运行时计算域2的流场计算参数，可以将明线交会运行视为非压缩流动，按照非定常场进行处理。具体地，将计算域2的流场计算参数设定为：选用标准k-e湍流模型、空气密度为1.225kg/m3、两个机车1的两个计算域2的相对滑移速度为机车的相对车速，其余的参数设置都与第一实施方式相同。通过这样，能够更加合理地对两个机车的明线会车工况进行数值模拟计算，从而更加优化机车头型设计、提高空气动力学性能数据的准确度

但是，本发明并不限于此。例如，也可以不重新进行流场设定步骤S102，而是直接利用以前在流场设定步骤S102中设定的计算域2的几何参数及流场计算参数，并通过将两个计算域2的模型简单并排设置来获得两个机车1明线交会运行时所处的流场的计算域2的模型。

接着，在终解头型生成步骤S203中，将计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较，在所述表面压力达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤S103、所述初解头型生成步骤S104、所述交会计算步骤S202，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力低于对应的阈值；在所述表面压力低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成终解机车头型。

在本实施方式的一个实施例中，可以在交会计算步骤S202中获取机车1的表面压力分布云图和流线图，在终解头型生成步骤S203中调整机车1的头型几何参数时，根据该表面压力分布云图和流线图，针对所述表面压力的变化速率达到预先设定的对应的阈值以上的部位的几何参数进行修改，或者，针对产生涡流的部位的几何参数进行修改。通过这样，能够进一步提高设计效率。

另外，在本实施方式的其他实施例中，可以从机车1的表面的车头、侧窗、车身分别选取至少一个位置点作为监测点，仅将针对监测点最终计算出的表面压力与对应的阈值进行比较。通过这样，能够进一步提高运算速度并减小运算量、节约系统资源。

在本实施方式的其他实施例中，在所述终解头型生成步骤S203中，可以根据所述表面压力绘制出如图5所示的表面压力的变化曲线，并根据该变化曲线得出所述表面压力的压力波幅值，并将计算出的所述表面压力的压力波幅值与对应的阈值进行比较，在所述表面压力的压力波幅值达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤S103，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力的压力波幅值低于对应的阈值；在所述表面压力的压力波幅值低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成终解机车头型。在本实施例中，关于与所述表面压力的压力波幅值对应的阈值，当机车1的运行速度为200km/h时，可以将该阈值设定为1350Pa，即此时计算出的表面压力的压力波幅值不应大于1350Pa。

另外，在本实施方式的其他实施例中，在同时建立有多种不同的头型模型的情况下，可以在交会计算步骤S202中分别对多组不同的头型模型计算机车交会时受到的表面压力或表面压力的压力波幅值等。然后，在终解头型生成步骤S203中，不仅将基于多种不同的头型模型的表面压力或表面压力的压力波幅值分别与它们对应的阈值进行比较，而且还在多组不同的头型模型之间比较表面压力或表面压力的压力波幅值等，最终在满足表面压力或表面压力的压力波幅值等低于对应的阈值的条件的头型模型中，选择表面压力或表面压力的压力波幅值最小的头型模型，并根据选择出的头型模型的头型几何参数来生成终解机车头型。

根据以上说明的第二实施方式，除了与第一实施方式同样的有益效果以外，还能产生至少如下有益效果，即，能够获得在明线会车运行情况下机车头型的最优设计方案，提升设计的优化效果并提高设计效率。

另外，在上述第一实施方式中的计算步骤以及第二实施方式中的交会计算步骤在具体实施例中，可以借助FLUENT软件来进行。具体地，根据明线稳态运行、明线稳态交会等工况，在FLUENT软件中选择适当的求解器，利用FLUENT软件自带的后处理器来对所述流体力学动量方程和流体力学连续性方程离散得到的代数方程组进行联立求解计算，以此提高产品的设计效率并且降低设计成本。

本发明的机车头型优化设计方法适用于各种机车头型和设计，尤其适用于时速200km/h及以下机车头型设计。

本发明并不仅限定于上述的各实施方式，而是在权利要求所表示的范围内能够进行各种变更，适当地组合不同的实施方式所分别披露的技术手段而得到的实施方式也包含于本发明的技术方案的范围中。

Claims (10)

1.一种机车头型优化设计方法，其特征在于，包括：

机车设定步骤，获取机车的头型几何参数和运行速度；

流场设定步骤，获取所述机车所处的流场的计算域的几何参数及流场计算参数；

计算步骤，根据所述机车的所述头型几何参数、所述流场的计算域的几何参数及所述流场计算参数，建立流体力学动量方程和流体力学连续性方程，将从所述流体力学动量方程和所述流体力学连续性方程离散得到的代数方程组联立求解，从而计算出所述机车的表面在所述流场中运行时受到的表面压力，监测所述表面压力，直到所述表面压力不再发生变化时结束计算；以及

初解头型生成步骤，将所述计算步骤中最终计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较，在所述表面压力达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力低于对应的阈值；在所述表面压力低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成初解机车头型。

2.如权利要求1所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

在所述初解头型生成步骤之后还包括：

交会设定步骤，获取两个所述机车在平行交会时的相对运行速度以及两个所述机车在平行交会时的交会间距、交会开始距离、交会结束距离，所述交会间距是两个所述机车在与所述运行方向垂直的方向上的距离，所述交会开始距离是两个所述机车在交会前的在所述运行方向上的距离，所述交会结束距离是两个所述机车在交会后的在所述运行方向上的距离；

交会计算步骤，根据所述初解机车头型、所述流场的计算域的几何参数及所述流场计算参数、所述相对运行速度、所述交会间距、所述交会开始距离和所述交会结束距离，计算在两个所述机车从交会开始状态起相向运行到交会结束状态的过程中，两个所述机车中的任一者的表面所受到的所述表面压力，所述交会开始状态是两个所述机车沿着运行方向相距所述交会开始距离并相互接近运行的状态，所述交会结束状态是两个所述机车沿着所述运行方向相距所述交会开始距离并相互离开运行的状态；以及

终解头型生成步骤，将计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较，在所述表面压力达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤、所述初解头型生成步骤、所述交会计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力低于对应的阈值；在所述表面压力低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成终解机车头型。

3.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

在调整所述机车的所述头型几何参数时，针对所述表面压力的变化速率达到预先设定的对应的阈值以上的部位的几何参数进行修改。

4.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

在调整所述机车的所述头型几何参数时，针对产生涡流的部位的几何参数进行修改。

5.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

从所述机车的表面的车头、侧窗、车身分别选取至少一个位置点作为监测点，仅将针对所述监测点最终计算出的所述表面压力与对应的阈值进行比较。

6.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

在所述计算步骤中，根据最终计算出的所述表面压力来计算所述机车受到的气动阻力、阻力系数、升力；

在所述初解头型生成步骤中，将所述计算步骤中计算出的所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力与各自对应的阈值分别进行比较，在所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力中的至少一者达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力均低于对应的阈值；在所述气动阻力、所述阻力系数、所述升力均低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成初解头型。

7.如权利要求2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

在所述终解头型生成步骤中，根据所述表面压力来计算所述表面压力的压力波幅值，并将计算出的所述表面压力的压力波幅值与对应的阈值进行比较，在所述表面压力的压力波幅值达到对应的阈值以上的情况下，调整所述机车的所述头型几何参数并重新进行所述计算步骤，以使基于调整后的所述机车的所述头型几何参数所最终计算出的所述表面压力的压力波幅值低于对应的阈值；在所述表面压力的压力波幅值低于对应的阈值的情况下，根据所述头型几何参数来生成终解机车头型。

8.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

所述头型几何参数包括：所述机车的沿所述运行方向的总长度、沿与所述运行方向垂直的方向的最大宽度、底面距轨面最大高度、车钩中心线距轨面高度、车头沿所述运行方向的最大长度。

9.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

所述流场的计算域是长方体形状的，所述流场的计算域的几何参数是根据所述机车的所述头型几何参数而决定的。

10.如权利要求1或2所述的机车头型优化设计方法，其特征在于，

在所述交会计算步骤之前重新进行所述流场设定步骤。

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