CN112590835B - 一种高速列车横风效应控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车横风效应控制装置，包括安装在高速列车头车顶部的条带结构组，所述条带结构组包括多个沿第一方向延伸、第二方向排列的条带结构，沿所述第二方向上相邻的两个所述条带结构之间具有第一间隔，所述第一方向与所述高速列车的轴线方向相同，在平行于所述头车顶部所在平面的方向上，所述第二方向与所述第一方向垂直相交。本申请通过在高速列车的头车顶部外表面局部添加条带结构，形成高速列车新型微结构表面，可控制横风条件下的高速列车边界层流动，实现对大尺度分离涡的干扰控制，能够有效抑制列车迎风侧与顶部过渡区发生的流动分离现象，从而使得侧向力与倾覆力矩减小，进一步提升列车运行安全性与稳定性。

Description

一种高速列车横风效应控制装置
技术领域
本发明涉及高速列车技术领域，更具体地，涉及一种高速列车横风效应控制装置。
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300km/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，其空气动力性能变得更加重要。在横风条件下，侧向力与倾覆力矩是影响列车运行安全性的关键气动载荷，二者绝对值偏大会增加列车发生倾覆的几率。因此，减小横风下列车所受侧向力与倾覆力矩成为高速列车设计中的重要气动问题之一。头车外形是影响列车气动性能的重要因素之一，通过头车合理的非光滑表面设计，可以有效减小列车在横风作用下受到的侧向力和倾覆力矩，保证其运行安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高速列车横风效应控制装置，用以减小高速列车的侧向力与倾覆力矩。
本发明提供的一种高速列车横风效应控制装置，包括安装在高速列车头车顶部的条带结构组，所述条带结构组包括多个沿第一方向延伸、第二方向排列的条带结构，沿所述第二方向上相邻的两个所述条带结构之间具有第一间隔，所述第一方向与所述高速列车的轴线方向相同，在平行于所述头车顶部所在平面的方向上，所述第二方向与所述第一方向垂直相交。
可选的，还包括安装在除所述头车以外的其它车厢顶部的条带结构组，安装在除所述头车以外的其它车厢顶部的条带结构组与安装在所述头车顶部的条带结构组的结构相同。
可选的，所述条带结构组的数量为至少两个，沿所述第一方向上，相邻的所述条带结构组之间具有第二间隔。
可选的，所述条带结构为立方体形状。
可选的，在垂直于所述头车顶部所在平面的方向上，所述条带结构具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面为所述条带结构远离所述头车顶部的表面，所述第一表面和所述第二表面之间的距离等于所述第一表面与所述头车顶部之间的距离。
可选的，所述第一间隔在17.5-150mm之间。
可选的，所述条带结构的材质为金属、陶瓷、或合金中的一种。
可选的，所述条带结构与所述头车顶部为固定连接或一体成型。
与现有技术相比，本发明提供的高速列车横风效应控制装置，至少实现了如下的有益效果：
本申请通过在高速列车的头车顶部外表面局部添加条带结构，形成高速列车新型微结构表面，可控制横风条件下的高速列车边界层流动，实现对大尺度分离涡的干扰控制，能够有效抑制列车迎风侧与顶部过渡区发生的流动分离现象，从而使得侧向力与倾覆力矩减小，进一步提升列车运行安全性与稳定性。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明提供的一种高速列车头车俯视图；
图2是本发明提供的一种条带结构示意图；
图3和图4是现有技术光滑模型和本发明的粗糙模型压力系数分布云图对比图；
其中，100-高速列车，10-头车，101-头车顶部，1-条带结构组，2-条带结构，X-第一方向，Y-第二方向，21-第一表面，22-第二表面。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参照图1和图2，图1是本发明提供的一种高速列车100横风效应控制装置结构示意图；图2是本发明提供的一种条带结构2示意图.
本发明提供了一种高速列车横风效应控制装置，安装在高速列车100的头车顶部101的条带结构组1，条带结构组1位于头车顶部101远离地面的一侧，条带结构组1包括多个沿第一方向X延伸、第二方向Y排列的条带结构2，沿第二方向Y上相邻的两个条带结构2之间具有第一间隔(图中未示出)，第一方向X与高速列车100的轴线方向相同，在平行于头车顶部101所在平面的方向上第二方向Y与第一方向X垂直相交。
需要说明的是，本发明中的高速列车100是指运行速度在200km/h以上的列车。
可以理解的是，因为高速列车的头车对侧向力最敏感，所以优选的将高速列车横风效应控制装置设置在头车。
在一些优选的实施例中，还包括安装在除所述头车以外的其它车厢顶部的条带结构组，安装在除所述头车以外的其它车厢顶部的条带结构组与安装在所述头车顶部的条带结构组的结构相同。
当然，需要说明的是，高速列车的头车对侧向力最敏感，但是其它车厢对侧向力也会有影响，所以将除所述头车以外的其它车厢顶部也设置条带结构组，能够进一步使得侧向力与倾覆力矩减小，进一步提升列车运行安全性与稳定性。
在一些可选的实施例中，条带结构组1的数量为至少两个，沿第一方向X上，相邻的条带结构组1之间具有第二间隔。
需要说明的是，高速列车车型不同，设置条带结构组1的数量可以不同，根据车型不同来设置不同数量的条带结构组1能够根据车型来减小侧向力与倾覆力，进一步提升列车运行安全性与稳定性。
条带结构2在列车轴线所在平面左右对称布置，任意两相邻条带间的距离相等。间距具体值及条带数目可根据不同列车模型自行设计。图1给出了用来做验证的具有非光滑表面的列车模型，包括一节头车10。多个条带结构2构成为一个条带结构组1，分别布置在头车顶部101。
本发明提供的另一个实施例中，车型与图1中的车型不同，条带结构组1的数量为两个，其中一组位于头车顶部流线型区域，另一组位于头车顶部直线段区域，第一块区域内条带长度在1.5-3m之间，另一块区域内条带长度在3-6m之间。
在一些可选的实施例中，条带结构2为立方体形状。
单个条带结构2的几何形状可参照图2，将等截面矩形条带沿列车轴线方向固定于头车顶部，条带宽w为50mm、高h为25mm，长度l视头车10几何外形而定。经过试验证明，当条带结构2为立方体形状时，更有利于减小侧向力与倾覆力，进一步提升列车运行安全性与稳定性。
在一些可选的实施例中，在垂直于头车顶部101所在平面的方向上，条带结构2具有相对的第一表面21和第二表面22，第一表面21和第二表面22之间的距离等于第一表面21与头车顶部101之间的距离。
可以理解的是，本实施例中将条带结构2的第二表面22直接固定在头车顶部101上，即条带结构2与头车顶部101之间没有距离，这样条带结构2更贴近头车顶部101，更有利于减小侧向力与倾覆力。
在一些可选的实施例中，第一间隔在17.5-150mm之间。
需要说明的是，沿所述第二方向上相邻的两个所述条带结构之间具有第一间隔，该第一间隔不能过小也不能过大，过小和过大都不能够消散了车顶的涡流结构，不利于减小侧向力与倾覆力，本实施例中，第一间隔在17.5-150mm之间，利于消散车顶的涡流结构，减小侧向力与倾覆力。
在一些可选的实施例中，条带结构2的材质为金属、陶瓷、或合金中的一种。
需要说明的是，由于高速列车在行驶过程中受到的侧向力较大，所以条带结构2需要具有一定的强度，金属、陶瓷、和合金这些材质能够符合应力要求。
在一些可选的实施例中，条带结构2与头车顶部101为固定连接或一体成型结构。
当然在一些可选的实施例中，条带结构2与头车顶部101的固定连接可以为焊接、粘接等连接方式，当然也可以与头车顶部101为一体成型的结构，只要能够实现将条带机构2固定在头车顶部101即可，这里不对固定方式做具体限定。
发明人对本申请的结构进行了气动力\力矩系数评估，具体如下：
根据空气动力学的基本理论，侧向力系数与倾覆力矩系数分别定义为：
Figure BDA0002872807160000051
式中，Cs为倾向力系数，Cmz为倾覆力矩系数，Sz为参考面积，即高速列车100轴线方向的横截面面积；H为参考长度，即高速列车100车厢高度；Fs为侧向力，Mz为倾覆力矩，ρ为空气来流密度，U为来流速度。
采用基于SST k-ω的IDDES方法，对90°偏航角下光滑和非光滑列车模型分别进行非定常计算，得到条带安装前后侧向力和倾覆力矩系数结果，见表1：
表1头车气动力\力矩系数
Figure BDA0002872807160000061
从表1可以看出，本申请设计的局部非光滑列车模型，能够有效降低列车的侧向力和倾覆力矩力矩系数，表明本发明的附加条带设计方案能够改善列车的气动性能，保障其运行安全性。
本发明设置条带结构2能够减阻的机理如下：
图3和图4是现有技术光滑模型和本发明的粗糙模型压力系数分布云图对比图，实际检测过程中，通过红色、黄色、绿色和蓝色来表示压力系数大小的不同区间，本实施例中未对代表红色、黄色、绿色的部分进行图案填充，仅对蓝色部分进行了图案填充，图案填充部分的压力系数大小在-2.0～-1.4的范围内。经试验认证列车迎风侧压力为正(实测中红色和黄色部分)，车顶和背风侧压力为负(实测中绿色和蓝色部分)。根据迎风侧与车顶过渡区内低压区面积大小(图3和图4中填充图案部分)的变化可以看出，粗糙模型能够降低该区域内的压力绝对值，说明增加条带结构2可以明显减弱流动分离现象。
本发明中光滑模型是指未安装高速列车横风效应控制装置的情况，粗糙模型是指安装了高速列车横风效应控制装置的情况，下同。
发明人还进行了光滑模型和粗糙模型在Q＝50000处的标准等值面试验。通过比较整车周围的旋涡结构分布可以发现，粗糙模型中列车背风侧的大尺度涡结构被分解成很多小尺度涡结构，涡的能量得到耗散，使得列车气动性能得到改善。此外，可以确定增加的条带结构2改变了列车顶部原有涡流结构的形态，增加了能量耗散，这从另一个角度解释了这里流动分离减小的原因。
综上所述，本发明设计的附加条带结构2方案，能够有效抑制列车迎风侧与顶部过渡区发生的流动分离现象，减小列车所受侧向力与倾覆力矩，改善背风侧气动性能，使得列车运行安全性与稳定性得到提升。
通过上述实施例可知，本发明提供的高速列车横风效应控制装置，至少实现了如下的有益效果：
本申请通过在高速列车的头车顶部外表面局部添加条带结构，形成高速列车新型微结构表面，可控制横风条件下的高速列车边界层流动，实现对大尺度分离涡的干扰控制，能够有效抑制列车迎风侧与顶部过渡区发生的流动分离现象，从而使得侧向力与倾覆力矩减小，进一步提升列车运行安全性与稳定性。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高速列车横风效应控制装置，其特征在于，包括安装在高速列车头车顶部的条带结构组，所述条带结构组包括多个沿第一方向延伸、第二方向排列的条带结构，所述条带结构为立方体形状，沿所述第二方向上相邻的两个所述条带结构之间具有第一间隔，所述第一方向与所述高速列车的轴线方向相同，在平行于所述头车顶部所在平面的方向上，所述第二方向与所述第一方向垂直相交；
所述高速列车的侧向力系数为-1.998，所述高速列车的倾覆力矩系数为-0.02，其中侧向力系数与倾覆力矩系数分别为：
Figure FDA0003525670170000011
式中，Cs为侧向力系数，Cmz为倾覆力矩系数，Sz为参考面积，即所述高速列车轴线方向的横截面面积；H为参考长度，即所述高速列车的车厢高度；Fs为侧向力，Mz为倾覆力矩，ρ为空气来流密度，U为来流速度。
2.根据权利要求1所述的高速列车横风效应控制装置，其特征在于，还包括安装在除所述头车以外的其它车厢顶部的条带结构组，安装在除所述头车以外的其它车厢顶部的条带结构组与安装在所述头车顶部的条带结构组的结构相同。
3.根据权利要求1所述的高速列车横风效应控制装置，其特征在于，所述条带结构组的数量为至少两个，沿所述第一方向上，相邻的所述条带结构组之间具有第二间隔。
4.根据权利要求1所述的高速列车横风效应控制装置，其特征在于，在垂直于所述头车顶部所在平面的方向上，所述条带结构具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面为所述条带结构远离所述头车顶部的表面，所述第一表面和所述第二表面之间的距离等于所述第一表面与所述头车顶部之间的距离。
5.根据权利要求1所述的高速列车横风效应控制装置，其特征在于，所述第一间隔在17.5-150mm之间。
6.根据权利要求1所述的高速列车横风效应控制装置，其特征在于，所述条带结构的材质为金属、陶瓷、或合金中的一种。
7.根据权利要求1所述的高速列车横风效应控制装置，其特征在于，所述条带结构与所述头车顶部为固定连接或一体成型。
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