CN111824193B - 一种高速列车尾流被动控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速列车尾流被动控制方法，步骤如下：通过理论分析或数值模拟或风洞实验方法找出列车尾车表面发生流动分离的区域；在尾车的流动分离区域上设置阵列凹坑以形成非光滑表面；通过建立非光滑表面参数下的高速列车CAD模型，使用CFD方法模拟高速列车尾流区流场，最终确定上述凹坑的最优非光滑表面参数。本发明具有改善列车尾部涡旋结构，减缓尾流的涡旋运动，减小整车压差阻力，提升列车运行平稳性等特点，具有很深的理论指导意义和实用推广价值。

Description

一种高速列车尾流被动控制方法
技术领域
本发明涉及一种高速列车尾流的控制方法，具体地说，是涉及一种采用非光滑表面去减小高速列车尾流的运动强度、抑制尾车振动的方法。
背景技术
现代高速列车的运行速度不断提升，列车空气动力学问题越来越突出，高速列车尾流问题也是众多空气动力学问题中的一个关键问题。
目前已经有很多研究指出，随着高速列车运行速度的不断增加，高速列车尾流会带来很多问题：(1)高速列车尾流区的形成会增加车辆运行的气动阻力，使车辆的能耗增加；(2)高速列车的尾流区是列车风速最大的区域，会危及站台上候车乘客以及轨道旁工作人员的安全；(3)列车尾部剧烈的旋涡运动所激励形成脉动的气动力作用于尾车，会加剧尾车的振动，危及行车的安全性和平稳性。
流动控制技术是利用流体间的相互作用，通过改变局部流动达到控制流场的一种技术。流动控制技术广泛应用于航空、航天及汽车等领域，主要具有减阻节能、抑制振动和降低噪声等作用。非光滑表面属于被动流动控制方式中的一种，当前非光滑表面可以用于飞行器、轮船、汽车及其他地面车辆等的减阻节能上。研究中比较常见的非光滑表面结构包含凹坑、凸包、沟槽及其他新型的仿生非光滑表面结构。现有的非光滑表面技术主要用于高速列车的减阻设计，例如将非光滑表面安装在转向架端墙、风挡区域的端墙等，但是尚未将非光滑表面应用于高速列车尾流的控制上。
中国专利文献“阵列式高速列车尾部涡流控制装置”(CN201910428014.6)公开如下：
该装置固定于高速列车的头车和/或尾车的表面，装置包括：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，并形成多个控制器组，控制器组沿对称轴的延伸方向依次排布，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。该专利的主要目标是为了有效地减小高速列车的尾车气动升力，其提出的涡流控制器呈直角梯形结构，它存在涡流控制器制造复杂、安装要求高、对列车外观影响较大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速列车尾流被动控制方法，旨在将阵列凹坑布置在尾车上形成非光滑表面，并通过试验或模拟方法确定凹坑的最优参数，以最终减小列车尾流运动强度、抑制尾车振动，提升列车平稳性。
本发明的目的是这样实现的：一种高速列车尾流被动控制方法，步骤如下：
1)非光滑表面的高速列车尾流控制方法
将阵列凹坑布置于高速列车尾车表面上形成非光滑表面，高速列车表面的凹坑会诱导局部流动分离，触发分离点边界层的不稳定性，而使得层流边界层转变为湍流边界层；湍流边界层的形成使得壁面附近的流体重新获得较大的动量，这个动量大到足以克服表面的负压力梯度，而使得已经分离表面的流体重新附着到列车表面；这样，凹坑就能延缓主要的流动分离，进而减缓了列车尾涡的形成，实现高速列车尾流控制的目的；
2)非光滑表面在尾车的布置安装准则
首先采用理论分析或数值模拟或风洞试验方法找出高速列车尾车表面发生流动分离的区域；非光滑表面需要布置在列车尾车表面发生流动分离的区域内，以此增加边界层内流体的动量，抑制或推迟气体流动分离的发生，进而达到控制高速列车尾流旋涡结构及运动强度的目的；
3)非光滑表面参数的优化设计方法
采用优化设计的方法确定高速列车尾流控制的最优非光滑表面参数，进而更加有效地控制高速列车尾流运动；首先建立初始非光滑表面参数下的高速列车CAD模型，然后使用计算流体动力学CFD方法模拟高速列车的绕流流场；提取高速列车尾流区的速度，并计算出速度的标准差SDv，以此反映出高速列车尾流的脉动程度；将该速度标准差与优化目标值SDopt进行对比，如果SDv>SDopt，则更新非光滑表面参数即凹坑间的中心距离L，凹坑半径R和凹坑的深度S，进行新参数下的尾流特性的计算与评估；反之，如果SDv<SDopt，则将该组非光滑表面参数L，R，S作为最优设计参数，并结束整个优化设计过程；选取出的这组最优非光滑表面参数作为最终用于高速列车尾流控制的参数。
所述采用计算流体动力学流场模拟方法确定高速列车尾车表面发生流动分离的具体位置是基于分离点、分离线及分离泡来进行判别的。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了非光滑表面控制高速列车尾流的概念，控制后可以有效的减小高速列车尾流的运动强度、旋涡结构，进而减小作用于尾车的气动力，抑制尾车的振动，提升振动平稳性；
(2)本发明采用非光滑表面控制列车尾车流动分离，减小了近尾区的负压区面积，有效减小了高速列车的压差阻力，减小了能量消耗；
(3)本发明减小了高速列车尾流影响区域，降低尾流运动强度，进而保证了轨道旁工作人员及站台候车旅客的安全。
本发明采用非光滑表面的被动流动控制方式改善列车尾部涡旋结构，减缓尾流的涡旋运动。这对于高速列车的减阻降噪，保证轨道旁工作人员及站台旅客的安全，提升安全性、平稳性等方面都具有十分重要的工程意义。
附图说明
图1a为本发明的非光滑表面(阵列凹坑)结构的主视图。
图1b为图1a沿A-A线的剖面图。
图2为本发明的非光滑表面参数优化设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
本发明依据上述背景研制，在高速列车尾车合理安装非光滑表面，以达到抑制或推迟尾车表面形成的气体流动分离，抑制尾流的旋涡结构和减缓旋涡运动强度的目的。本发明中使用的非光滑表面结构为阵列凹坑，如图1所示。为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
(1)提出非光滑表面的高速列车尾流控制方法；
(2)非光滑表面在尾车的布置安装准则；
(3)非光滑表面参数的优化设计方法。
采用计算流体动力学(CFD)流场模拟的方法，确定出高速列车尾车表面发生流动分离的具体位置，流动分离发生的具体位置可以通过分离点、分离线及分离泡来进行判别。使用数值模拟方法可以分辨出高速列车表面气流分离发生的区域，也即为非光滑表面的布置安装区域。
在高速列车表面结构设计过程中，需要将上述分析出的分离点、分离线的区域合理的布置非光滑表面，并设置非光滑表面的初始参数，具体包含凹坑半径R，凹坑间的中心距离L以及凹坑的深度S。
建立非光滑表面初始参数下的高速列车CAD模型，使用计算流体动力学(CFD)方法模拟高速列车的绕流流场；然后提取高速列车尾流区关键测点的速度，并计算出速度的标准差SDv，以此反映出高速列车尾流脉动程度；将该速度标准差SDv与优化目标值SDopt进行对比，如果大于优化目标值，则更新非光滑表面参数L，R，S，然后进行新参数下的尾流计算与评估；如果速度标准差小于优化目标值，则将该组非光滑表面参数L，R，S作为最优设计参数，结束整个优化设计过程。选取出最优的一组非光滑表面参数作为最终用于高速列车尾流控制参数。
本发明具有很好的实用价值，当高速列车处于高速运行工况时，必定会在高速列车尾部产生复杂的尾流旋涡，高速列车剧烈变化的尾流会引发尾车振动、同时给轨道旁的工人及站台旁乘客带来安全隐患，并会给周围环境带来危害。使用本发明所设计的基于非光滑表面的高速列车尾流控制方法，可以减小高速列车尾流的运动强度，进而提升尾车的平稳性，保证轨道旁的工人及站台旅客的人员安全，同时减小对环境的危害。

Claims (1)

1.一种高速列车尾流被动控制方法，其特征在于，步骤如下：
1)非光滑表面的高速列车尾流控制方法
将阵列凹坑布置于高速列车尾车表面上形成非光滑表面，高速列车表面的凹坑会诱导局部流动分离，触发分离点边界层的不稳定性，而使得层流边界层转变为湍流边界层；湍流边界层的形成使得壁面附近的流体重新获得较大的动量，这个动量大到足以克服表面的负压力梯度，而使得已经分离表面的流体重新附着到列车表面；这样，凹坑就能延缓主要的流动分离，进而减缓了列车尾涡的形成，实现高速列车尾流控制的目的；
2)非光滑表面在尾车的布置安装准则
首先采用理论分析或数值模拟或风洞试验方法找出高速列车尾车表面发生流动分离的区域；非光滑表面需要布置在列车尾车表面发生流动分离的区域内，以此增加边界层内流体的动量，抑制或推迟气体流动分离的发生，进而达到控制高速列车尾流旋涡结构及运动强度的目的；
3)非光滑表面参数的优化设计方法
采用优化设计的方法确定高速列车尾流控制的最优非光滑表面参数，进而更加有效地控制高速列车尾流运动；首先建立初始非光滑表面参数下的高速列车CAD模型，然后使用计算流体动力学CFD方法模拟高速列车的绕流流场和尾流区流场；提取高速列车尾流区的速度，并计算出速度的标准差SDv，以此反映出高速列车尾流脉动程度；将该速度标准差与优化目标值SDopt进行对比，如果SDv>SDopt，则更新非光滑表面参数即凹坑间的中心距离L，凹坑半径R和凹坑的深度S，并进行新参数下的尾流特性的计算与评估；反之，如果SDv<SDopt，则将该组非光滑表面参数L，R，S作为最优设计参数，并结束整个优化设计过程；选取出的这组最优非光滑表面参数作为最终用于高速列车尾流控制的参数；
所述采用计算流体动力学流场方法模拟绕流流场并通过分离点、分离线及分离泡来确定高速列车尾车表面发生流动分离的具体位置。
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