CN111175011A - 模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置，包括风机、连接管道和内腔有气流流通的风洞，所述风洞的壁面上开设有进风孔和出风孔，所述风机的进风口通过所述进风孔与风洞的内腔连通，所述风机的出风口与所述连接管道的一端相连，所述连接管道的另一端通过所述出风孔与风洞的内腔连通，所述连接管道上设有用于检测通过连接管道的气体流量的测量计。本发明还公开了采用上述装置测量风机风量的方法，通过调节风洞气流流速模拟出列车行驶时的环境，然后通过测量计测量出风量。本发明能在风洞实验中模拟列车行驶环境并准确测量风机在该环境下工作时的风量，无需在风机出口、入口及内部安装大量探针，不会干扰风机内部流场。

Description

模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置及方法
技术领域
本发明属于风洞实验技术领域，尤其涉及一种模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置及方法。
背景技术
高速列车的舒适性一直是国内外列车空气动力学的前沿问题之一，而空调系统能否正常工作，是关系到高速列车安全特别是舒适的核心问题。空调系统能否正常工作，最重要的一环是冷凝风机风量是否满足要求，如果不满足要求冷凝器无法正常工作，空调将停止运行，这将严重影响列车的安全性和舒适性，要保障列车空调冷凝风机风量，需要对列车空调冷凝风机风量进行测量。
目前，测量的方法主要有两种：一是静态测量，列车不运行或者空调在地面进行测试，该方法在空调冷凝风机的进风口或出风口加装一定长度的直通道流量罩，按照国家标准测量冷凝风机风量；二是动态实车测量，该方法是在列车运行时进行冷凝风机风量的测量。静态测量的优点是可以外加长直流量罩，罩内风速的方向与罩的方向一致，测量精度较高；缺点是无法考虑列车实际运行带来的影响，列车在高速行驶时，空调进风口处的横向格栅会引起负压区域，同时自由来流和出风口排出的冷凝风相互作用会产生位于出风口上方的正压区域，这两方面因素同时作用，导致风机两侧压力差增加，而冷凝风机作为轴流风机，对压力变化相对比较敏感，受到增大的压力差作用后风机风量会出现较大幅度的变化。方法二动态实车测量的优点是考虑了运行环境的影响，但无法安装流量罩，只能在入口、出口和内部进行风速测量，但是实际运行中任何位置的风向都是未知的，尤其是出口和入口之间内部流场存在漩涡，即使采用七孔探针也很难准确测量其风速和风向，并且大量布置七孔探针还会干扰所测量的流场，带来较大误差。
综上所述，目前没有很好的办法来准确测量和评估列车正常运行时冷凝风机的风量，特别是对于350km/h及以上速度的高速列车，只能加大风机的设计功率，以确保空调的正常运行，但增加多少目前缺乏实验依据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种能在风洞实验中模拟列车行驶环境并准确测量风机在该环境下工作时的风量的装置及方法，该装置和方法无需在风机出口、入口及内部安装大量七孔探针，不会干扰风机内部流场，能实现风机风量的准确测量。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置，包括风机、连接管道和内腔有气流流通的风洞，所述风洞的壁面上开设有进风孔和出风孔，所述风机的进风口通过所述进风孔与风洞的内腔连通，所述风机的出风口与所述连接管道的一端相连，所述连接管道的另一端通过所述出风孔与风洞的内腔连通，所述连接管道上设有用于检测通过连接管道的气体流量的测量计。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述进风孔处流出气流的流动方向与所述风洞内腔中气流流通的方向垂直，所述出风孔处流入气流的流动方向与所述风洞内腔中气流流通的方向垂直。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述风洞内腔中气流的流速可以根据实际列车运行的速度来确定，优选为0～50m/s，即既可以模拟列车静止的情况，也可以模拟列车行驶的情况，此外还可以通过逐渐加大风洞内腔中气流的流速来模拟列车由静止开始加速的情况，此外在风洞负载允许的情况下，还可以增加风洞内腔中的气流流速，并不局限于50m/s，以模拟出更高速度列车的行驶环境；进一步优选的，风洞内腔中气流的流速30～50m/s，该流速下能够模拟出列车正常行驶的风机工作环境并准确测量风机风量。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述风机进风口的端面与所述风洞进风孔处的内壁面处于同一平面上。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述连接管道和所述出风孔连接端的端面与所述风洞出风孔处的内壁面处于同一平面上。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述进风孔的中心轴线与出风孔的中心轴线位于所述风洞的同一纵截面上。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述连接管道为圆形管道，所述连接管道的一端与所述风机的出风口的连接处设有接头，所述接头的一端为方形端面，另一端为圆形端面，接头的方形端面与风机的出风口相连，接头的圆形端面与连接管道的一端相连。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述连接管道包括四段依次相连通的直管段，相邻直管段之间设有转向弯头，相邻直管段相互垂直设置，四段直管段相连通组成呈矩形布置的连接管道。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述测量计设于四段所述直管段中水平设置且长度最长的一个直管段上。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述测量计为皮托管。
上述的测量风机风量的装置，优选的，所述风机为轴流风机。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种采用上述的装置测量风机风量的方法，包括以下步骤，
S1、向风洞内腔中通入流通气流并调节气流风速，使风机的进风口和出风口外侧流场特性与列车运行时一致，模拟出列车行驶时的环境；
S2、使风机在S1中模拟出的环境下工作，并通过测量计测量出风量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的测量风机风量的装置在风洞中通入气流，通过调节风洞中气流的流速来模拟出列车行驶时风机的工作环境，使风机进风口和出风口的压力以及周围的流场与高速列车正常运行时一致，进而在这样的条件下让风机工作并测量风机风量，相比于静态测量，本发明考虑了列车运行行驶带来的影响，相比于动态实车测量，本发明无需安装大量的七孔探针，避免探针干扰流场而导致测量结果不准确，通过风洞模拟出列车行驶时的环境，然后设置连接管道并在连接管道上安装测量气体流量的流量计，能够在不扰乱流场的条件下最真实地反应出列车运行的环境，实现列车空调冷凝风机风量的准确测量。
附图说明
图1是本实施例的模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置的结构示意图。
图2是本实施例的在各气流流速下风机风量的测量结果。
图3是风洞内气流风速为0m/s时的压力与速度云图。
图4是风洞内气流风速为30m/s时的压力与速度云图。
图5是风洞内气流风速为30m/s时的带有流线的速度云图。
图例说明：
1、风洞；11、进风孔；12、出风孔；2、风机；3、连接管道；31、直管段；32、转向弯头；4、测量计；5、接头。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
如图1所示，本实施例的模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置，包括风机2、连接管道3和内腔有气流流通的风洞1，风洞1的壁面上开设有进风孔11和出风孔12，风机2的进风口通过进风孔11与风洞1的内腔连通，风机2的出风口与连接管道3的一端相连，连接管道3的另一端通过出风孔12与风洞1的内腔连通，连接管道3上设有用于检测通过连接管道3的气体流量的测量计4。具体的，风洞1为长方形管状结构，风洞1的内腔中通入气流吹风且风速可调，其中风洞1的侧壁壁面上开设有进风孔11，风洞1的顶壁壁面上开设有出风孔12。调节风洞1内腔中的吹风风速可以模拟出列车行驶时的高速移动状态，将风机2置于此环境下工作更能够反映风机2实际工作时的状态，且可以通过在连接管道3中设置测量计4来测量风机风量，无需安装大量七孔探针而干扰流场，测量结果更加真实准确。
本实施例中，进风孔11处流出气流的流动方向与风洞1内腔中气流流通的方向垂直，出风孔12处流入气流的流动方向与风洞1内腔中气流流通的方向垂直。风洞1内腔中气流流通模拟列车高速行驶时的气流流动，进风孔11和出风孔12处的气流模拟空调冷凝风机的气流流动，这样设置保障该结构与实际的几何相似，进而保证流场相似，进一步提高测量结果的精度，更加精准地模拟出实际情况。
本实施例中，风洞1内腔中气流的流速为30～50m/s。风洞1中气流流动的流速相当于模拟出列车的运行速度，选择这一流速范围值能测量出列车在该速度下行驶时的风机风量。
本实施例中，风机2进风口的端面与风洞1进风孔11处的内壁面处于同一平面上。具体的，风机2进风口的格栅外平面与风洞1侧壁进风孔11的内壁平齐。平齐设置是为了模拟风机和列车的位置关系，风洞1壁面相当于列车车顶表面，保证平齐以保障该结构与实际的几何相似，以保证流场相似，降低测量结果的误差，以更加精准地模拟实际的情况。
本实施例中，连接管道3和出风孔12连接端的端面与风洞1出风孔12处的内壁面处于同一平面上。具体的，连接管道3的末端与风洞1顶壁出风孔12处的内壁平齐。同样的，此处平齐设置也是为了模拟风机和列车的位置关系，风洞1壁面相当于列车车顶表面，保证平齐以保障该结构与实际的几何相似，进而保证流场相似，进一步提高测量结果的精度，更加精准地模拟出实际情况。
本实施例中，进风孔11的中心轴线与出风孔12的中心轴线位于风洞1的同一纵截面上。即进风孔11的中心轴线和出风孔12的中心轴线相交于同一纵向截面，该纵向截面为垂直于风洞1长度方向即气流流通方向的截面。也就是说进风孔11、风机2、连接管道3和出风孔12均处于同一纵截面上，以保障几何相似，进而保障流场模拟的精确性。
本实施例中，连接管道3为圆形管道，连接管道3的一端与风机2的出风口的连接处设有接头5，接头5的一端为方形端面，另一端为圆形端面，接头5的方形端面与风机2的出风口相连，接头5的圆形端面与连接管道3的一端相连。具体的，接头5为方变圆接头。圆形管道便于加工，而设置方变圆接头便于将圆形管道和风机2的出风口连接起来。
本实施例中，连接管道3包括四段依次相连通的直管段31，相邻直管段31之间设有转向弯头32，相邻直管段31相互垂直设置，四段直管段31相连通组成呈矩形布置的连接管道3。具体的，直管段31包括第一直管段、第二直管段、第三直管段和第四直管段，转向弯头32包括第一转向弯头、第二转向弯头和第三转向弯头，第一直管段的一端与接头5的圆形端面相连，第一直管段的另一端依次连接有第一转向弯头、第二直管段、第二转向弯头、第三直管段、第三转向弯头和第四直管段，第四直管段的另一端与出风孔12相连。转向弯头32与直管段31连接平滑，且转向弯头32圆弧过渡处平滑无明显棱角。采用四段相互垂直的直管段31结构并配合转向弯头32，保证风机2吹风在连接管道3内的能量损失较小，同时便于加工制造，占地面积小。
本实施例中，测量计4为皮托管，皮托管设于四段直管段31中水平设置且长度最长的一个直管段31上。具体的，四根直管段31中的第三直管段水平设置在连接管道3的上方位置且长度最大，因此将皮托管安装设置于第三直管段的某个截面上。采用皮托管即可根据国家相应标准测量流量。由于皮托管测量要求风向和总压孔法向保持一致，直管道越长，气流方向越容易准确预测，选择该位置有利于皮托管的安装，以提高测量精度。
采用本实施例的装置模拟列车行驶时风机的工作环境，并在该环境下通过以下方法测量风机风量，包括以下步骤，
S1、向风洞1内腔中通入流通气流并调节气流风速，使风机2的进风口和出风口外侧压力、流速等流场特性与列车运行时一致，模拟出列车行驶时的环境；
S2、使风机2在S1中模拟出的环境下工作，并通过测量计4测量出风量。
具体的，调节风洞1内腔中气流风速，在风洞1的气流风速V为0m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s和50m/s的条件下进行了模拟和测量，如图2所示，图中给出了各气流流速下风机风量的测量结果。如图3和图4所示，图3示出了风洞1内气流风速为0m/s时的压力与速度云图，图4示出了风洞1内气流风速为30m/s时的压力与速度云图，图5示出了风洞1内气流风速为30m/s时的带有流线的速度云图。从图中可以看出，第三直管段内具有较好地流场品质，因此可以得到较好地测量结果。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种模拟列车行驶时风机工作环境并测量风机风量的装置，其特征在于：包括风机(2)、连接管道(3)和内腔有气流流通的风洞(1)，所述风洞(1)的壁面上开设有进风孔(11)和出风孔(12)，所述风机(2)的进风口通过所述进风孔(11)与风洞(1)的内腔连通，所述风机(2)的出风口与所述连接管道(3)的一端相连，所述连接管道(3)的另一端通过所述出风孔(12)与风洞(1)的内腔连通，所述连接管道(3)上设有用于检测通过连接管道(3)的气体流量的测量计(4)。
2.根据权利要求1所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述进风孔(11)处流出气流的流动方向与所述风洞(1)内腔中气流流通的方向垂直，所述出风孔(12)处流入气流的流动方向与所述风洞(1)内腔中气流流通的方向垂直。
3.根据权利要求1所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述风洞(1)内腔中气流的流速为30～50m/s。
4.根据权利要求1所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述风机(2)进风口的端面与所述风洞(1)进风孔(11)处的内壁面处于同一平面上。
5.根据权利要求1所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述连接管道(3)和所述出风孔(12)连接端的端面与所述风洞(1)出风孔(12)处的内壁面处于同一平面上。
6.根据权利要求1所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述进风孔(11)的中心轴线与出风孔(12)的中心轴线位于所述风洞(1)的同一纵截面上。
7.根据权利要求1至6任一项所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述连接管道(3)为圆形管道，所述连接管道(3)的一端与所述风机(2)的出风口的连接处设有接头(5)，所述接头(5)的一端为方形端面，另一端为圆形端面，接头(5)的方形端面与风机(2)的出风口相连，接头(5)的圆形端面与连接管道(3)的一端相连。
8.根据权利要求7所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述连接管道(3)包括四段依次相连通的直管段(31)，相邻直管段(31)之间设有转向弯头(32)，相邻直管段(31)相互垂直设置，四段直管段(31)相连通组成呈矩形布置的连接管道(3)。
9.根据权利要求8所述的测量风机风量的装置，其特征在于：所述测量计(4)设于四段所述直管段(31)中水平设置且长度最长的一个直管段(31)上。
10.一种采用权利要求1至9任一项所述的装置测量风机风量的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、向风洞(1)内腔中通入流通气流并调节气流风速，使风机(2)的进风口和出风口外侧流场特性与列车运行时一致，模拟出列车行驶时的环境；
S2、使风机(2)在S1中模拟出的环境下工作，并通过测量计(4)测量出风量。
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