CN112429024A - 一种减少高速列车表面空气阻力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减少高速列车表面空气阻力的方法，利用高速列车所正穿过的外界空气对自列车内部流出车厢外表面的流体的“涂抹”作用，在高速列车的车厢外表面形成一层流体膜，使得高速列车的车厢外表面与外界空气隔离开来，从而减少高速列车表面的空气阻力。本发明还提供了一种减少高速列车表面空气阻力的装置。通过在高速列车车厢外表面形成一层流体膜，使得车厢与外界空气隔离开来，极大地降低了外界空气对车厢外表面的粘滞阻力。

Description

一种减少高速列车表面空气阻力的方法及装置

技术领域

本发明属于高速铁路交通领域，具体是一种减少高速列车表面空气阻力的方法及装置。

背景技术

高速列车运行的阻力，包括车轮与轨道摩擦的机械阻力和车辆受到的空气阻力。有资料显示，高速下制约列车速度的主要因素是空气阻力，当列车以每小时200公里行驶的时候，空气阻力占总阻力的70%左右，和谐号CRH380A在京沪高铁跑出时速486.1公里时，气动阻力超过了总阻力的92%。空气阻力和列车运行速度的平方成近似正比关系，速度提高2倍，空气阻力将增至4倍。这个平方关系极大地制约了高速列车在高速时的经济性能，让工程技术人员绞尽脑汁，想了很多办法来减少空气阻力。

对于列车来说，其长度与高或宽之比一般为40～100，甚至更大，因此列车与空气的接触面积与其横截面之比也具有上述这样大的数值。高速列车表面摩擦阻力在总空气阻力中占有较大的比例，是列车阻力的主要组成部分之一。有关的研究表明，由于列车长度、表面光洁度、车底转向架和悬挂件等被屏蔽和列车头部、尾部流线化程度的不同，高速列车的表面摩擦阻力约占总空气阻力的26%～55%。

现有技术中，减少空气阻力的方法一般是增加列车表面上的光滑程度，使得车厢与空气之间的摩擦系数降低，从而使得摩擦阻力变小；另外是把车头和车尾设计成流线型子弹头，减少车头和车尾的压差阻力；再有就是尽量让外露装置例如空调、手柄、门窗、转向架及其上的悬挂物件、车辆之间的连接风挡和车顶受电弓和其他装备等流线化，减少这些外露装置引起的阻力。

也有技术人员设想采用真空管道技术来降低甚至消除高速列车的空气阻力，但是这种技术目前只停留在设计或者小型试验阶段，由于真空管道的建设、维持和维护非常困难，大规模运行的成本非常高昂，目前还不具有实用性。

本发明人认为现有技术中利用光滑表面减少空气阻力的方法已经近乎极境，要再次提高其作用已经很难；而采用真空管道技术来消除空气阻力的方法还未达到实用条件。

经过长时间的研究，本发明人发现一种能够减少高速列车表面空气阻力的新思路，就是在高速列车运行过程中，可以人为制造出一种动态的隔绝环境，能够减少甚至完全隔绝列车车厢与外界空气的接触，从而减少甚至消除外界空气对高速列车车厢的粘滞阻力，实现降低高速列车表面空气阻力的目的。根据此思路，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种减少高速列车表面空气阻力的方法，能够减少甚至消除外界空气对高速列车车厢的粘滞阻力。

本发明的技术方案为：一种减少高速列车表面空气阻力的方法，利用高速列车所正穿过的外界空气对自列车内部流出车厢外表面的流体的“涂抹”作用，在高速列车的车厢外表面形成一层流体膜，使得高速列车的车厢外表面与外界空气隔离开来，从而减少高速列车表面的空气阻力。所谓外界空气对流体的“涂抹”作用，是一种拟人化的说法，这里实际要表达的意思是：静止的外界空气遇到高速穿过来的列车表面上的流体时，外界空气会阻滞这些流体继续原来的速度，使之速度下降，但列车速度没降，因此这些流体相对于列车车厢外表面而言，是从喷口“涂抹”到喷口后面的车厢外表面了。

进一步地，在高速列车运动方向的车厢前部外表面设置有喷射流体的喷口，所述流体与车厢外表面成一定角度喷出，在外界空气作用下这些流体覆盖在喷口后面一定距离内的车厢外表面，形成流体膜。

进一步地，所述喷口为围绕车厢周向设置的环形喷口，以跟车厢外表面成0^°~90^°的角度向着车厢尾部方向喷射流体，以在车厢外表面形成流体膜。

进一步地，每节车厢上的所述环形喷口为两个或者多个，前面的环形喷口喷出的流体形成的流体膜覆盖住后面环形喷口的外表面。

进一步地，所述环形喷口为周向封闭的，或者为周向半封闭的。周向封闭的环形喷口把车厢底架部分也包围进去，周向半封闭的环形喷口不包围车厢底架。

进一步地，所述环形喷口凸出于车厢外表面，其背对车头的部分为流线型，其面对车尾的部分设置有跟车厢外表面成0^°~90^°角度的喷头。

可选地，所述流体为水或者压缩气体。

优选地，当流体为水时，水是以水雾的形式从喷口喷出。

进一步地，压缩气体来源为压缩空气罐或者列车头部的空气进口。

本发明的另一个目的是提供一种减少高速列车表面空气阻力的装置，包括设置在车厢前部外表面上用于喷射流体的喷口，设置在列车头部的空气进口或者设置在车厢内部的压缩空气罐或者水箱，所述空气进口或者压缩空气罐通过气体管路与喷口相连，喷口喷出的气体在车厢外表面形成一层气体膜；所述水箱通过水泵和水管与喷口相连，喷口喷出的水在车厢外表面形成一层水膜；气体膜或者水膜使得高速列车的车厢外表面与外界空气隔离开来。

进一步地，当流体为水时，水箱里面的水经过水泵加速进入到水管中，然后经过雾化喷头或者雾化器转化为水雾，最后以水雾的形式从喷口喷出。

本发明的有益效果：

1、通过在高速列车车厢外表面形成一层流体膜，使得车厢与外界空气隔离开来，极大地降低了外界空气对车厢外表面的粘滞阻力。

2、流体喷出方向与高速列车运动方向相反，在隔绝外界空气的同时，能够为高速列车提供反冲力，为高速列车提速。

3、喷口为环形，其喷出的流体膜可以将整个车厢甚至连底架都包围进去，从而大量地减少空气对列车的粘滞阻力。

4、采用水箱或压缩空气罐作为流体源，既可以快速补充流体，又可以降低车头设计的复杂程度。

附图说明

图1是本发明在车厢外部形成流体膜的示意图。

图2是本发明的周向半封闭环形喷口在车厢外部形成流体膜的示意图。

图3是本发明的周向封闭环形喷口在车厢外部形成流体膜的示意图。

图4是本发明的环形喷口的喷头在车厢外部喷射流体的示意图。

具体实施方式

以下结合附图1-4，对本发明一种减少高速列车表面空气阻力的方法及装置作进一步地说明。需要强调的是，以下所举出的实施例只是对本申请权利要求的说明，而不是对它们的限制。

如图1所示，本发明一种减少高速列车表面空气阻力的方法，其核心思路是在高速列车运行时，在车厢的周围形成一层动态的流体膜，该流体膜可以是水膜，也可以是空气膜，甚至是二氧化碳气膜，流体膜可以由设置在列车车厢外表面的喷口喷出的流体形成，也可以由列车车头处吸入的空气经过变换方向后再经由车厢外表面喷出而形成，由于车厢的表面积很大，由列车车头吸入的空气不足以形成包围全部车厢外表面的流体膜，因此优选由车厢内部的流体源提供流体，也可以考虑二者相结合的形式提供流体，既采用车厢内部的流体源，又采用车头吸入的空气来形成流体膜。

列车车厢外表面的喷口喷出的流体，会与列车车厢周围的空气发生相互作用，这些空气会对喷出的流体进行挤压、涂抹，阻止喷出的流体向车厢表面的外周扩散，同时由于列车的高速运动，使得车厢周围的空气对喷口喷出的流体有一种类似“涂抹”作用，从而在喷口的下风面形成一层由厚到薄的流体膜。这层流体膜的厚度跟喷出的流体量及离喷口的距离有关，通常是流体喷出量越大，流体膜的厚度越大；距离喷口的距离越短，流体膜的厚度越大。当距离喷口足够远的时候，流体膜不能维持，这时需要增加喷流量或者喷口数量，通常的做法是增加喷口数量，使得流体膜能够一直维持下去。

如图2和图3所示，在一个具体的实施例中，喷口的外形与车厢的外形相适应，呈周向环形，紧贴在车厢的外表面，既可以跟车厢一体制造，也可以是另外附加到车厢上面的独立部件。环形喷口可以是周向封闭式的，这时环形喷口就把车厢在周向上给围了起来，使得车厢的四面（包括底架）都能被包围在流体膜中，这种方式能够极大幅度地减少车厢外表面上的空气阻力。当底架部分结构复杂，不适合设置喷口时，环形喷口可以是周向半封闭的，除了车厢的底部外，车厢的两个侧面和一个顶面在周向上都被围在半封闭的环形喷口围成的框架内部，使得车厢的绝大部分能够被包围在流体膜中，这种方式也能够大幅度地减少车厢外表面上的空气阻力。

每节车厢上的环形喷口可以为两个或者多个，这样前面的环形喷口喷出的流体可以覆盖住后面环形喷口的外表面，使得整个车厢在长度方向上都能被包围在流体膜中。在一个实施例中，高铁车厢的总体长度为25米，其两个侧面都设置有8扇窗户，在第一个窗户前面设置一个周向半封闭的环形喷口，然后每隔两个窗户再设置一个周向半封闭的环形喷口，共四个半封闭的环形喷口，这四个半封闭的环形喷口喷出的流体，可以为这个25米长度的车厢外表面提供动态的流体膜，以减少甚至消除外界空气对车厢外表面的粘滞阻力。

喷口喷出的气体被高速列车所经过区域的外界空气持续带走，因此要维持车厢周围的流体膜存续，必须源源不断地喷出流体，这对流体源来说是一种考验，有必要采用经济性较好的方法来节省流体的输出，使得既可以维持车厢周围的流体膜，又能使得消耗的流体减少。

如图4所示，为本发明一种能够节约流体的实施例，将环形喷口凸出于车厢外表面，其背对车头的部分为流线型，其面对车尾的部分设置有跟车厢外表面成0^°~90^°角度的喷头，流体在从喷头喷出后，可以分解为两个方向的运动，其中一个方向平行于车厢外表面，另一个方向垂直于车厢外表面，垂直于车厢外表面的分运动会使得流体将车厢外的外界空气排开，从而在车厢外表面形成一段没有空气接触的真空区，这个真空区不需要流体在里面，因此可以节省一部分流体。

在一个可选的实施例中，环形喷口内喷出的高速流体的速度大于等于高速列车的运行速度。此时外界空气对车厢的粘滞阻力降低到最小。

在一个可选的实施例中，环形喷口由多段分支喷口组合而成，例如半封闭的环形喷口由左侧分支喷口、顶侧分支喷口和右侧分支喷口等3段分支喷口组成，又如封闭的环形喷口由左侧分支喷口、顶侧分支喷口、右侧分支喷口和底侧分支喷口等4段分支喷口组成，每段分支喷口可以单独控制或者几段分支喷口集中统一控制。单独控制是有利的，因为在有风的环境下，列车车厢的左侧和右侧的空气压力是不一样的，如果是单独控制每一段分支喷口，则可以在空气压力大的一侧使得流体膜的厚度大一些，空气压力小的一侧使得流体膜的厚度小一些，这样比起都采用较厚的流体膜的方式来，可以节省不少的流体。

进一步地，当左侧分支喷口、顶侧分支喷口、右侧分支喷口或底侧分支喷口可单独控制其流体喷出量时，可以考虑在列车车厢的左侧、顶侧、右侧和底侧分别设置与列车中控台相连的压力传感器，中控台内部设定相应的控制程序，当压力值达到设定的阈值时，开始喷出流体，并且可以根据压力值超出阈值的多少，来设定流体喷出的量，从而能够精准地控制车厢周围的流体膜厚度，使得列车在高速运行时既可以使得车厢隔绝外界空气，又不需要耗费太多的流体。

在一个优选的实施例中，喷口喷出的流体来自于压缩空气罐，压缩气体提前灌入到压缩空气罐内，压缩空气罐放置在车厢内部，压缩空气罐通过气体管路与车厢内的各个喷口连接。气体管路上设置有电磁阀，当需要给高速列车增加气体膜时，操作人员控制电磁阀打开，高压空气通过各个喷口喷出。也可以采用程序进行自动控制，在适当的时候对电磁阀进行启闭，从而控制各个喷口的开启或关闭。当压缩空气罐内气体耗尽时，可以采用新的压缩空气罐进行替换，以维持运行时的气体膜存在。

在一个可选的实施例中，喷口喷出的流体来源于车头处的空气入口，可以将车头制作出三涵道或者四涵道的进气口，三涵道车头的空气经过这些涵道后分别流向车厢顶部和两侧，四涵道车头的空气经过这些涵道后分别流向车厢顶部、两侧以及车厢底部，然后通过喷口喷出，形成气体膜。这种流体源的好处在于可以在高速列车运行时获得，但它的不足之处在于增大了车头处的空气阻力，另外新加入了吸入空气在涵道内的摩擦阻力，使得列车整体减少的空气阻力有限，而且这种流体源的作用距离有限，仅适用于长度不超过50米的高速列车。

在一个优选的实施例中，喷口喷出的流体来源于车厢内部的水箱，水箱连接水泵和控制阀，并通过水管与喷口相连，喷口喷出的水在车厢外表面形成一层水膜，水膜使得高速列车的车厢外表面与外界空气隔离开来。

在一个优选的实施例中，水箱里面的水经过水泵加速进入到水管中，然后经过雾化喷头或者雾化器转化为水雾，最后以水雾的形式从喷口喷出。雾化后的水滴比没有雾化的水的利用率更高，因此更加能够节省水的用量。

本发明采用流体膜来隔绝高速列车车厢与空气的接触，从而能够大幅度减少空气对车厢的粘滞阻力，这种列车运行方式，使得列车在同一高速例如350公里/小时下，比当前没有采用流体膜的运行方式能够节省更多的驱动能源。另外由于车厢表面的流体膜大大降低了空气粘滞阻力，使得采用流体膜的高速列车能够轻松地进行提速，未来在非真空情况下列车速度达到700公里/小时以上，不再是梦想。

本发明采用流体膜来隔绝高速列车车厢与空气接触的方法比起真空管道+磁悬浮技术所用的方法，更加实惠。相较于真空管道的昂贵造价和维护、使用费用，本发明仅仅需要在现有的高速列车上增加一些流体喷射装置及其控制装置即可，而且在使用过程中，本发明的技术只需要消耗一部分电能和廉价的水或者压缩空气，这使得本发明相对于采用真空管道运行的高速列车更加具有实用价值。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种减少高速列车表面空气阻力的方法，其特征在于，利用高速列车所正穿过的外界空气对自列车内部流出车厢外表面的流体的“涂抹”作用，在高速列车的车厢外表面形成一层流体膜，使得高速列车的车厢外表面与外界空气隔离开来，从而减少高速列车表面的空气阻力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在高速列车运动方向的车厢前部外表面设置有喷射流体的喷口，所述流体与车厢外表面成一定角度喷出，在外界空气作用下这些流体覆盖在喷口后面一定距离内的车厢外表面，形成流体膜。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述喷口为围绕车厢周向设置的环形喷口，以跟车厢外表面成0^°~90^°的角度向着车厢尾部方向喷射流体，以在车厢外表面形成流体膜。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，每节车厢上的所述环形喷口为两个或者多个，前面的环形喷口喷出的流体形成的流体膜覆盖住后面环形喷口的外表面。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述环形喷口为周向封闭的，或者为周向半封闭的。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述环形喷口凸出于车厢外表面，其背对车头的部分为流线型，其面对车尾的部分设置有跟车厢外表面成0^°~90^°角度的喷头。

7.如权利要求2-6任一所述的方法，其特征在于，所述流体为水或者压缩气体。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，压缩气体来源为压缩空气罐或者列车头部的空气进口。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当流体为水时，水是以水雾的形式从喷口喷出。

10.一种减少高速列车表面空气阻力的装置，其特征在于，包括设置在车厢前部外表面上用于喷射流体的喷口，设置在列车头部的空气进口或者设置在车厢内部的压缩空气罐或者水箱，所述空气进口或者压缩空气罐通过气体管路与喷口相连，喷口喷出的气体在车厢外表面形成一层气体膜；所述水箱通过水泵、水管与喷口相连，喷口喷出的水在车厢外表面形成一层水膜；气体膜或者水膜使得高速列车的车厢外表面与外界空气隔离开来。

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