CN112768868A - 一种轨道车辆及其天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆及其天线，所述天线包括位于轨道车辆流线型造型顶部的头车天线(1)和尾车天线(2)；所述头车天线(1)和/或尾车天线(2)的两侧分别设有多个平行分布的涡流发生器(3)，所述涡流发生器(3)的长度方向与轨道车辆的长度方向相一致；所述头车天线(1)和尾车天线(2)分别呈前后两端对称的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩；所述涡流发生器(3)呈前后两端对称且长度、宽度和高度均小于所述头车天线(1)和/或尾车天线的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。该天线能延迟尾流分离，减小尾车和尾流声源强度，减弱气流冲击天线导致的噪声。

Description

一种轨道车辆及其天线

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其是轨道车辆的天线。本发明还涉及设有所述天线的轨道车辆。

背景技术

管道轨道车辆可以突破轮轨列车的速度限界，其设计速度在600km/h～800km/h以上。在明线条件以600km/h速度时，其远场标准接收点噪声水平约为103.9～109.9dB(A)，较强的声能量会影响列车内乘客的舒适度，因此，列车外形设计需要考虑的关键问题是列车的阻力和噪声水平大小。

高速轨道车辆的车头采用流线型设计，其表面凸出的天线大致位于头尾车流线型与车顶的过渡位置。磁悬浮列车在管道中高速运行时，由于壅塞效应会导致近壁面气动激扰增加，除了加剧了车体本体噪声源，其尾流区的空间四极子噪声也变得显著，边界层气流在列车尾部分离，使得尾车表面偶极子声源较为强烈；且列车尾部车顶突出的天线会对尾车顶部近壁面流动产生较强的扰动，增大尾车顶部流动分离和激扰，从而增大气动阻力和噪声。

以某磁悬浮样车为例，其流线型长度为16m，车头采取扁平化设计，对其流线型头型进行减阻降噪优化的空间较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天线。该天线能延迟尾流分离，减小尾车和尾流声源强度，减弱气流冲击天线导致的噪声。

本发明的另一目的在于提供一种设有所述天线的轨道车辆。

为实现上述目的，本发明提供一种天线，包括位于轨道车辆流线型造型顶部的头车天线和尾车天线所述头车天线和尾车天线分别呈前后两端对称的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。

优选地，所述头车天线和/或尾车天线的两侧分别设有多个平行分布的涡流发生器，所述涡流发生器呈整体向上凸起且前后两端对称的流线型，其长度方向与轨道车辆的长度方向相一致。

优选地，所述涡流发生器的长度、宽度和高度均小于所述头车天线和/或尾车天线，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。

优选地，所述头车天线和尾车天线的后端设有平滑的包裹外壳，以使其前后两端对称。

优选地，所述头车天线和尾车天线的高度为300mm～308mm，其底部椭球形部分的长度为1035mm～1055mm、宽度为180mm～200mm，其顶部的长度为300mm～310mm。

优选地，所述涡流发生器的高度为约45mm～55mm，其底部椭球形部分的长度为370mm～384mm、宽度为65mm～75mm，其顶部的长度为290mm～310mm。

优选地，在纵剖面上，所述头车天线和尾车天线从底部向上逐渐收缩的收缩角度为35°～45°，在纵剖面上，所述涡流发生器从底部向上逐渐收缩的收缩角度为30°～36°。

优选地，所述涡流发生器与所述头车天线之间以及所述涡流发生器之间的间距相等，和/或，所述涡流发生器与所述尾车天线之间以及所述涡流发生器之间的间距相等。

优选地，所述涡流发生器与所述头车天线之间以及所述涡流发生器之间的间距为150mm～170mm，和/或，所述涡流发生器与所述尾车天线之间以及所述涡流发生器之间的间距为150mm～170mm。

优选地，所述头车天线与涡流发生器的底部椭球形中心位于同一横截面；所述涡流发生器顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值大于所述头车天线顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值；

和/或，所述尾车天线与涡流发生器的底部椭球形中心位于同一横截面；所述涡流发生器顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值大于所述尾车天线顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值。

优选地，所述头车天线和/或尾车天线的两侧分别设有四个平行分布的涡流发生器。

为实现上述另一目的，本发明提供一种轨道车辆，包括呈流线型造型的车体，所述车体顶部设有凸出的天线，所述天线为上述任一项方案中所述的天线。

本发明所提供的天线设有头车天线和尾车天线，并且在头车天线和/或尾车天线的两侧设有多个平行分布的涡流发生器，头车天线和尾车天线分别呈前后对称且从椭球形底部向上逐渐收缩的流线型，涡流发生器呈前后对称且长度、宽度和高度均小于头车天线和/或尾车天线的流线型，其底部也呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。通过对头车天线和尾车天线的造型进行优化，能够减弱气流冲击天线导致的噪声，在头车天线和/或尾车天线两侧布置具有独特造型的涡流发生器，能延迟尾流分离，减小尾车和尾流声源强度，减弱气流冲击天线导致的噪声。

本发明所提供的轨道车辆设有所述天线，由于所述天线具有上述技术效果，则设有该天线的轨道车辆也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种低流阻低噪声天线的俯视图；

图2为头车天线和尾车天线的纵剖面尺寸图；

图3为涡流发生器的纵剖面尺寸图；

图4为尾车天线两侧设有涡流发生器的示意图；

图5为涡流发生器在尾车天线两侧的分布示意图；

图6为本发明在添加涡流发生器后的尾流分离示意图；

图7为设有本发明所提供低流阻低噪声天线的磁悬浮列车表面声功率占比图；

图8为设有本发明所提供低流阻低噪声天线的磁悬浮列车尾车表面声功率云图；

图9为设有本发明所提供低流阻低噪声天线的磁悬浮列车尾车部分涡量云图。

图中：

1.头车天线 2.尾车天线 3.涡流发生器

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、左、右”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，说明书文字有对方向定义的部分，优先采用文字定义的方向，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图1，图1为本发明实施例公开的一种低流阻低噪声天线的俯视图。

如图所示，在一种具体实施例中，本发明针对高速轨道车辆尾部气流分离引发的较大气动噪声与阻力，在列车尾部提供了一套涡流发生器阵列设计方案，旨在推迟列车尾部气流分离，从而降低整车气动噪声与气动阻力。

磁悬浮列车头车和尾车流线型顶部均设置有天线，头车天线1和尾车天线2均采取流线型优化，涡流发生器3在尾车天线2两侧平行布置。

头车天线1和尾车天线2分别呈前后两端对称的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩，尾车天线2的两侧分别设有四个平行分布的涡流发生器3，每一个涡流发生器3的长度方向与轨道车辆的长度方向相一致，涡流发生器3也呈前后两端对称的流线型，其长度、宽度和高度均小于尾车天线2，其底部也呈椭球形并从底部向上逐渐收缩，而且，涡流发生器3的顶部向上微微凸起。

全新设计的头车天线1和尾车天线2的流线型造型可以显著减小流阻和噪音，在此基础上，通过加装涡流发生器3，可以进一步减小列车运行时，在天线处所产生的阻力和噪音，从而获得更佳的低流阻低噪音效果。

当然，根据车体形状的不同，尾车天线2两侧的涡流发生器3也可以是三个、五个或更多个，视实际需要而定，其中，每一侧分别设有四个涡流发生器3是较为优选的方案。

具体地，头车天线1和尾车天线2的后端设有平滑的包裹外壳，以使其前后两端对称，也就是说，在头车天线1和尾车天线2的后端通过包裹外壳来形成额外的造型，使原本并非前后对称的头车天线1和尾车天线2呈现前后两端对称的结构。当然，也可以一开始就为头车天线1和尾车天线2制作前后两端对称的外壳，如此，便不用再增设包裹外壳。

本发明中的涡流发生器3是一种控制边界层气流分离的流动控制装置，其工作原理是将本体形成的高能流向涡结构注入下游边界层，增强边界层上层高速气流与底层低速气流的掺混，提高下游边界层气流的抗逆压能力，从而延缓甚至消除下游边界层气流分离。

这里需要说明的是，在已公开的文献中，微型涡发生器通常在风力机叶片气动性能改善、潜艇和飞行器降噪领域取得一定效果，但未曾用于高速轨道车辆降噪。本发明的技术方案与之有明显的区别，在设计过程中亦未从以上领域获得过相关技术启示。

请一并参考图2、图3，图2为头车天线和尾车天线的纵剖面尺寸图；图3为涡流发生器的纵剖面尺寸图。

如图所示，头车天线1和尾车天线2分别呈前后两端对称的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。

本实施例中，头车天线1和尾车天线2的高度为304mm，其底部椭球形部分的长度为1045、宽度为190mm，，其顶部的长度为304mm，在纵剖面上，头车天线和尾车天线从底部向上逐渐收缩的收缩角度为40°。

涡流发生器3呈前后两端对称且长度、宽度和高度均小于尾车天线2的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。

涡流发生器3在尾车天线2两侧平行布置，涡流发生器3高50mm，底部椭球形部分的长度为377mm，宽70mm，顶部长约300mm，每隔160mm布置一个，左右两侧一共布置八个涡流发生器3，在纵剖面上，涡流发生器3从底部向上逐渐收缩的收缩角度为33°，且顶部微微凸起。

以上优选参数，可以进一步降低列车运行时，在天线处产生的流阻和噪音，从而获得更好的低流阻低噪音效果。

请继续参考图4、图5，图4为尾车天线两侧设有涡流发生器的示意图；图5为涡流发生器在尾车天线两侧的分布示意图。

如图所示，涡流发生器3与尾车天线2之间以及涡流发生器3之间的间距相等，图中所示涡流发生器3与尾车天线2之间以及涡流发生器3之间的间距为160mm。

尾车天线2和涡流发生器3横向排列，其底部椭球形中心位于同一横截面，涡流发生器3顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值大于尾车天线2顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值，换句话说，尾车天线2的长高比更大，视觉效果更为陡峭，涡流发生器3的长高比更小，视觉效果更为扁平，涡流发生器3和尾车天线2的底部虽然都呈椭球形，而且都从底部上相逐渐收缩，但是，涡流发生器3并非同比例缩小的尾车天线2，其具有与尾车天线3看起来相似，实则不同的形状，以在尾车天线2两侧起到特定的流体力学作用。

在另一实施例中，头车天线1和尾车天线2的高度为300mm，其底部椭球形部分的长度为1035mm、宽度为180mm，其顶部的长度为300mm，在纵剖面上，头车天线1和尾车天线2从底部向上逐渐收缩的收缩角度为35°。

涡流发生器3的高度为约45mm，其底部椭球形部分的长度为370mm、宽度为65mm，其顶部的长度为290mm，在纵剖面上，涡流发生器3从底部向上逐渐收缩的收缩角度为30°。

在又一实施例中，头车天线1和尾车天线2的高度为308mm，其底部椭球形部分的长度为1055mm、宽度为200mm，其顶部的长度为310mm，在纵剖面上，头车天线1和尾车天线2从底部向上逐渐收缩的收缩角度为45°。

涡流发生器3的高度为约55mm，其底部椭球形部分的长度为384mm、宽度为75mm，其顶部的长度为310mm，在纵剖面上，涡流发生器3从底部向上逐渐收缩的收缩角度为36°。

并且，在以上实施例中，涡流发生器3与尾车天线2之间以及涡流发生器3之间的间距可以在150mm～170mm之间进行选择，例如，具体可以是150mm或170mm。

以上优选参数，可以进一步削弱列车运行时，在天线处产生的流阻和噪音，从而获得更好的低流阻低噪音效果。请参考图6至图9，图6为本发明在添加涡流发生器后的尾流分离示意图；图7为设有本发明所提供低流阻低噪声天线的磁悬浮列车表面声功率占比图；图8为设有本发明所提供低流阻低噪声天线的磁悬浮列车尾车表面声功率云图；图9为设有本发明所提供低流阻低噪声天线的磁悬浮列车尾车部分涡量云图。

如图所示，可通过计算流体力学的方法Computational Fluid Dynamics(CFD)，验证涡流发生器的流动控制效果。

CFD是通过数值迭代手段，对流场中的控制方程，如连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行直接求解过程，最终得到声学参数。

具体地，选择1:8缩比的磁悬浮列车模型进行数值仿真模拟。将未安装微型涡流发生器的模型命名为原始模型，而安装微型涡流发生器的模型命名为优化模型，模型由头车流线型、头车、尾车和尾车流向型构成。计算结果如图7、图8和图9所示。

图7给出了各节车声能量占原始模型各节车声能量的百分比，可知优化模型主要降低了尾车的声源能量，降幅达49.2％，进而降低整车声源能量19.5％。

图8给出了尾车流线型部分的车体声源能量云图，可知优化模型尾车流线型声能量明显降低。

图9给出了尾车流线型周围的涡量云图，可知优化后天线下游涡量强度大的区域明显减小，且尾车流线型气流分离得到一定程度的抑制。

以上结果可以看到微型涡流发生器和优化天线对减小列车表面声能量，尤其是尾车流线型声能量有明显作用。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，涡流发生器3之间的间距从中央向两侧逐渐增大；或者，涡流发生器3的数量进一步增加或减少；又或者，在头车天线1和尾车天线2的两侧均设有涡流发生器3，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

本发明对磁悬浮列车天线结构进行优化，减弱了气流冲击天线导致的噪声，同时，通过在磁悬浮列车天线两侧布置微型涡流发生器3，能延迟尾流分离，减小尾车和尾流声源强度，具有结构简单、实施方便、技术难度低、可行性较好等技术效果。

除了上述低流阻低噪声天线，本发明还提供一种轨道车辆，可以是磁浮列车、动车组或高铁列车，其包括呈流线型造型的车体，所述车体顶部设有凸出的天线，其中所述天线为上文所描述的低流阻低噪声天线，有关轨道车辆的其余结构，请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的轨道车辆及其天线进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种天线，包括位于轨道车辆流线型造型顶部的头车天线(1)和尾车天线(2)；其特征在于，所述头车天线(1)和尾车天线(2)分别呈前后两端对称的流线型，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述头车天线(1)和/或尾车天线(2)的两侧分别设有多个平行分布的涡流发生器(3)，所述涡流发生器(3)呈整体向上凸起且前后两端对称的流线型，其长度方向与轨道车辆的长度方向相一致。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述涡流发生器(3)的长度、宽度和高度均小于所述头车天线(1)和/或尾车天线(2)，其底部呈椭球形并从底部向上逐渐收缩。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述头车天线(1)和尾车天线(2)的后端设有平滑的包裹外壳，以使其前后两端对称。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述头车天线(1)和尾车天线(2)的高度为300mm～308mm，其底部椭球形部分的长度为1035mm～1055mm、宽度为180mm～200mm，其顶部的长度为300mm～310mm。

6.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述涡流发生器(3)的高度为约45mm～55mm，其底部椭球形部分的长度为370mm～384mm、宽度为65mm～75mm，其顶部的长度为290mm～310mm。

7.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，在纵剖面上，所述头车天线(1)和尾车天线(2)从底部向上逐渐收缩的收缩角度为35°～45°，在纵剖面上，所述涡流发生器(3)从底部向上逐渐收缩的收缩角度为30°～36°。

8.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述涡流发生器(3)与所述头车天线(1)之间以及所述涡流发生器(3)之间的间距相等，和/或，所述涡流发生器(3)与所述尾车天线(2)之间以及所述涡流发生器(3)之间的间距相等。

9.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述涡流发生器(3)与所述头车天线(1)之间以及所述涡流发生器(3)之间的间距为150mm～170mm，和/或，所述涡流发生器(3)与所述尾车天线(2)之间以及所述涡流发生器(3)之间的间距为150mm～170mm。

10.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述头车天线(1)与涡流发生器(3)的底部椭球形中心位于同一横截面；所述涡流发生器(3)顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值大于所述头车天线(2)顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值；

和/或，所述尾车天线(2)与涡流发生器(3)的底部椭球形中心位于同一横截面；所述涡流发生器(3)顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值大于所述尾车天线(2)顶部的长度与底部椭球形部分的长度之间的比值。

11.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述头车天线(1)和/或尾车天线(2)的两侧分别设有四个平行分布的涡流发生器(3)。

12.一种轨道车辆，包括呈流线型造型的车体，所述车体顶部设有凸出的天线，其特征在于，所述天线为上述权利要求1至11中任一项所述的天线。

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