CN112945516B - 管道高速列车气动热试验装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道高速列车气动热试验装置及其设计方法，该试验装置包括试验段及其两端连接的驱动机构、刹车机构，以及布设在所述试验段壁面上的传感器阵列；所述试验段为一段内设轨道的管道，试验模型由所述驱动机构驱动在试验段内沿轨道无动力行驶。该试验装置通过缩比试验设备、试验模型，模拟真实管道列车内流场结构和传热过程，可以在试验场条件下测量管道列车表面、管道内壁面压力、热流数据。

Description

管道高速列车气动热试验装置及其设计方法

技术领域

本发明属于气动热研究技术领域，具体涉及一种管道高速列车气动热试验装置及其设计方法。

背景技术

管道高速列车在管道内高速行驶时，对管道内的空气产生压缩作用，导致气体温度上升，由于热传导作用，管道壁温度随之上升，精准获得管道内壁、载具表面气动热流载荷数据，是管道内列车驱动设备等电器设备热控设计的重要输入条件，对管道内设备正常工作具有重要意义。

在真实运行的管道列车建成前，不能通过直接测量获得管道壁面内的热流载荷数据。目前高速流动流场热流载荷测量工作在风洞中实现，风洞中模型静止，气流相对模型运动，主要目的在于测量模型表面的热流载荷，不能模拟真空管道列车管道中的流场，不能用于测量管道列车系统中列车压缩空气作用下管道内壁面的热流载荷。

目前没有经过试验验证的计算方法可以精确获取设备表面热流载荷，也没有成熟的试验装置，满足试验状态下的热流载荷测量需求。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种管道高速列车气动热试验装置及其设计方法，在试验场内，通过缩比试验设备、试验模型，模拟真实管道列车内流场结构和传热过程，在试验场条件下测量管道列车表面、管道内壁面热流数据。

本发明实现上述目的采用的技术方案如下：

一种管道高速列车气动热试验装置，包括试验段及其两端连接的驱动机构、刹车机构，以及布设在所述试验段壁面上的传感器阵列；

所述试验段为一段内设轨道的管道，试验模型由所述驱动机构驱动在试验段内沿轨道无动力行驶；

所述试验段和驱动机构布置在真空环境中，所述刹车机构与试验段之间设置气密隔离闸门，或者所述试验装置整体布置在封闭的真空区域中。

进一步的，所述试验段包括无扰动波反射回波段、有扰动波反射回波段，所述无反射回波段均匀安装传感器，所述有扰动波反射回波段按温度梯度增加传感器数量。

进一步的，所述传感器至少为热流传感器、压力传感器、温度传感器中的一种。

进一步的，所述试验模型表面布设带存储芯片的无线热流传感器，且高热流区域密集布设若干个热流传感器，其它热流分布梯度较均匀的区域沿横向或纵向均匀布置若干个热流传感器。

进一步的，所述驱动机构为旋转加速机构或者直线加速机构；所述刹车机构为阻拦锁、弹簧或者液压减速筒；所述轨道为单轨或者多轨，所述轨道为设置在试验模型下方的支撑式轨道或者在试验模型上方的吊轨。

进一步的，所述驱动机构为水平放置的转动机构，所述转动机构包括竖直的转轴及穿过转轴的两段连杆，一段连杆端部通过锁定部件固定在试验模型上，连杆延长线穿过试验模型质心，另一段连杆端部连接配重。

一种管道高速列车气动热试验装置的设计方法，包括如下步骤：

S1、设计试验段、试验模型缩比系数

S2、设计试验装置内介质、介质温度、试验模型初始速度与真实管道一致，介质压力为真实管道内压力的

倍，以保证试验装置内雷诺数、试验模型马赫数与真实管道列车一致；

S3、设计试验模型质量及试验段长度，控制试验模型驶出试验段时的速度为初始速度的98％以上；

S4、设计刹车机构的刹车距离，保证压缩运动不受影响，且试验装置尽量短；

S5、计算试验段内无扰动波反射回波段、有扰动波反射回波段的长度，设计传感器阵列密度。

进一步的，所述步骤S1中设计缩比系数时，保持管道横截面形状、堵塞比不变。

进一步的，所述步骤S3中试验模型驶出试验段的速度为

其中，v₀为试验模型初始速度，m为试验模型质量，l为试验段长度，ρ为空气密度，S_mx为试验模型最大截面面积，C_fz为阻力系数，C_f为摩擦系数，g为重力加速度，v(t)为试验模型行驶过程中的实时速度。

进一步的，所述阻力系数为不超过10^-1，所述摩擦系数范围为0.05～0.1。

进一步的，所述刹车距离占试验段有扰动波反射回波段长度的10％以内。

进一步的，所述步骤S5中有扰动波反射回波段长度计算公式为：

无扰动波反射回波长度计算公式为：

l_wfs＝l-l_fshb

其中，v为列车速度，c为音速，l为试验段长度。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明提出了管道高速列车气动热试验装置及其设计方法，在试验场内试验条件下，依据相似准则模拟真实运行状态管道列车流动环境，确定试验装置布局，使得试验装置中流动结构与运行状态一致，测量热流载荷数据。该热流载荷数据，一方面可用于校准数值计算方法，获取数值计算方法不确定度，支撑通过数值计算准确获取运行条件下的热流数据；另一方面可用于研究不同堵塞比、不同模型外形等变量作用下的管道内气动加热变化规律，优化管道列车参数设计。

本发明提出的管道高速列车气动热试验装置所用瞬态热流传感器、密封安装方式、驱动机构、刹车机构均可采用现有技术，通过组合布局，依据流体力学原理，在较小的空间内，利用较小的代价模拟与真实运行管道列车管内流场高度相似的流场，从而测量管道内部热流载荷，成本低，结构简单。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的管道高速列车气动热试验装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例提供的驱动机构的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供的一种管道高速列车气动热试验装置，如图1所示，包括驱动机构、试验段、刹车机构，以及布设在试验段壁面上的传感器阵列。

试验段为一段真空管道，驱动机构、刹车机构分别设置在试验段两端，试验模型放置在试验段内轨道上，试验模型由驱动机构驱动加速，达到设计要求的速度后，进入试验段，在试验段上无动力行驶。试验模型采用无动力行驶，整体结构简单，速度损失小。轨道的作用在于提供垂直于模型运动方向的约束，可以是单轨、双轨或更多轨道，可以是设置在模型下方的支撑式轨道，也可以是设置在模型上方的吊轨。

试验段包括无扰动波反射回波段、有扰动波反射回波段，其中无反射回波段均匀安装传感器，有扰动波反射回波段管道内壁面温度变化的梯度更大，安装传感器应更加稠密，优选按照温度梯度进行增加。

传感器包括热流传感器、压力传感器等，也可以根据研究需要布置温度传感器，直接测量试验装置的温度变化情况。

试验模型表面也可布设带存储芯片的无线热流传感器，用于测量列车表面的热流。一般是高热流区域密集布设若干个热流传感器，其它热流分布梯度较均匀的区域沿横向或纵向均匀布置若干个热流传感器。

驱动机构可以选用旋转加速机构、直线加速机构等。刹车机构可以选用阻拦锁、弹簧、液压减速筒等。

试验段材质选择热导率较低、承压性能好的材料，如工具钢、不锈钢等。试验段外部合理开展结构设计，如设计加强筋、梁等结构，以增加试验段结构的刚度、强度及稳定性。

上述试验装置整体布置在封闭的真空区域中。在其他实施例中，试验段、驱动机构保持真空环境是必要条件，试验段保持真空是为了模拟列车运行环境，驱动机构保持真空是为了减小试验模型加速过程中的空气阻力，从而达到减小驱动功率、降低驱动结构强度、减小建设费用的目的；刹车机构可以不是真空，这样就需要在刹车机构与试验段之间设置气密隔离闸门，在列车模型运行到刹车机构闸门前的一刹那打开隔离闸门，增加隔离闸门及触发机构比保持刹车机构真空的系统更复杂、代价更高，因此保持刹车段真空更有优势。

本发明还提供的一种管道高速列车气动热试验装置的设计方法，具体包括如下步骤：

S1、设计试验段、试验模型缩比系数

为了减小建设成本，在试验环境中实现对管道列车相似流场气动加热量的测量，试验装置对试验段、试验模型进行缩比，缩比系数为

缩比时保持管道横截面形状、堵塞比不变。堵塞比r是列车最大横截面积与管道内截面面积之比。

其中S_ch为列车截面积，S_gd为真空管道内截面面积。

S2、设计试验装置内介质、介质温度、试验模型初始速度与真实管道一致，介质压力为真实管道内压力的

倍，以保证试验装置内雷诺数、试验模型马赫数与真实管道列车一致。

列车实际运行时管道中是具有一定真空度的空间，管道中仍然有低压空气存在。为了在试验装置中模拟真实运行时的管道内流场变化过程，保持雷诺数相似、马赫数相似，试验装置内介质与真实管道一致，均为空气，介质温度一致，空气介质压力为真实运行时管道压力的

倍。

管道中空气满足如下5个方程：

ρ为空气密度，v为列车速度，d为管道内经，μ为空气动力粘性系数，γ为比热比，R为热力学常数，T为管道内温度，c为音速，P为管道内空气压力，V为管道内体积，n为物质的量，M为摩尔质量。

推导得出

因此，保持试验装置与真实列车管道中气体介质相同、气体温度相同、模型初始速度相同，则能够保证马赫数Ma相同。马赫数Ma相同，雷诺数Re相同时，管道中压力与管道内径尺寸成反比，即：

C＝P·d

其中，C是常数。

因此，管道列车试验装置中的空气压力为：

其中，P_kq'为试验装置中的压力，P_kq为真实运行管道中的压力。

S3、设计试验模型质量m及试验段长度l，控制试验模型驶出试验段时的速度仍为初始速度的98％以上。

试验模型在试验段中无动力运动，经过合理设计，试验模型驶出试验段时的速度仍为初始速度的98％以上，试验模型近似为匀速运动。

驱动机构将试验模型加速到初始速度v₀，与实际运行管道列车速度一致。在试验过程中，试验模型为无动力行驶，试验模型在试验段受到空气阻力f_kq、试验模型与轨道间摩擦阻力f_mz的作用，设管道长度l。根据能量守恒关系式，t时刻后，试验模型运动到试验段出口处，此时的速度为：

其中：空气阻力计算公式为：

管道中空气稀薄，空气密度ρ、试验模型最大截面面积S_mx均较小，阻力系数C_fz经过列车外形的良好设计，可达到10^-1量级。

摩擦阻力计算公式为：

f_mz＝C_f·mg

经过合理选材、工艺、润滑，摩擦系数C_f可达到0.05～0.1范围。

由上述3式可得：

式中，v(t)为试验模型行驶过程中的实时速度，由于模型行驶全程速度变化很小，在计算过程中用v₀代替，求得的v_t偏小，能够覆盖试验对模型真实速度的要求。

控制模型质量m及管道长度l，可以控制(v₀-v_t)/v₀≤2％，高速行驶时2％的速度差对压缩空气的程度几乎没有影响，模型在管道中仍旧为近似匀速行驶。

S4、设计刹车机构内刹车距离，保证压缩运动不受影响，且试验装置尽量短。

刹车机构可以采用阻拦锁，阻拦锁使试验模型在短距离内停止运动，优选的，刹车距离占试验段有扰动波反射回波段长度的10％以内，将刹车段对有扰动波反射回波段的可测量长度减小降到最低。由于真实管道列车停车前距离管道尽头端面仍有足够的安全距离，因此，刹车距离占试验段有扰动波反射回波段长度的10％以内是合理的。

S5、计算试验段内无扰动波反射回波段、有扰动波反射回波段的长度，设计传感器阵列密度。

列车在管道中以亚音速运动，列车前流动受到干扰，扰动波波振面向前传播速度等于声速，当扰动波波振面碰到管道尽头端面时发生反射，向反方向传播，与列车车头相撞后再次反射，最终在列车车头与管道尽头端面间不断反射。在这一过程中，管道中的低压空气不断受到压缩、温度升高。

试验装置管道内分为两段，一段是靠近驱动机构的无扰动波反射回波段，一段是靠近刹车机构的有扰动波反射回波段。在无反射回波段均匀安装传感器，有反射回波段温度变化的梯度更大，安装传感器应更加稠密。

在试验段管道壁面钻孔，采用密封结构安装瞬态热流传感器和压力传感器。在管道横截面上沿着周向均匀布置4个瞬态热流传感器，也可根据测量需求增加或减少传感器数量。沿着试验模型运动方向，根据测量需求布置传感器阵列，有扰动波反射回波试验段内传感器阵列应布置得更加稠密。

有扰动波反射回波段长度计算公式为：

无扰动波反射回波长度计算公式为：

l_wfs＝l-l_fshb

下面结合一个具体设计实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

1、某真实运行的管道列车设计指标如表1所示：

表1管道列车设计指标

在上述指标下，管道内空气密度0.008082752Kg/m³,雷诺数Re＝293459.69，音速347.19m/s，运行速度260m/s。

以缩比系数

进行缩比，则试验装置管道内径0.2m，管道内空气初始温度300K，管道压力7000Pa，音速347.19m/s，试验模型运行速度260m/s，马赫数0.75，模型与试验段管道堵塞比0.6,则试验装置模型来流雷诺数Re＝293459.69。

2、驱动机构可采用如下旋转加速方式，但不仅限于采用如下方式。

如图2所示，采用转动机构对模型加速，转动机构水平放置，包括竖直的转轴及穿过转轴的两段连杆，其中连杆_1连接试验模型与转轴，且连杆_1通过锁定部件固定试验模型，连杆_1延长线穿过试验模型质心，连杆_2连接配重与转轴。试验模型为实心钢结构，密度7900kg/m³，管道是内径0.2m的圆形截面，堵塞比0.6，则试验模型横截面积为0.01885m²，试验模型设计长度0.6m，则试验模型重量为89.35kg。连杆_1设计长度1m，当试验模型达到设计速度260.3925m/s时，转轴转速44.17转/s，角速度227.51rad/s。此时，保持转速匀速转动，当模型运动到模型轴线与管道轴线平行时，解锁模型与连杆_1，模型滑入管道轨道，进入管道中开始直线运动。

驱动机构通过控制回路控制解锁过程。控制回路由控制器、六轴陀螺仪、电源等构成。通过六轴陀螺仪，测量旋臂角度、角速度，测算出试验模型线速度，当线速度达到预定速度时，符合解锁要求，停止加速，保持匀速转动；通过六自由度陀螺仪测量相位，试验模型运动到解锁位置时进入解锁程序。

锁定部件可选用锁舌和锁扣实现锁定，通过舵机控制锁舌运动实现解锁。

3、试验段设计长度600m，根据公式

有扰动波反射回波到达试验模型头部的试验段长度为70.78m，无扰动波反射回波试验段长度529.22m，试验模型初始速度260.3925m/s，空气阻力系数0.5，摩擦阻力系数0.1，根据公式

到达试验段末端时模型速度258.06m/s(近似计算，取v(t)＝v₀)，速度减小0.896％，可认为是匀速运动。

4、热流载荷测量：采用瞬态热流传感器，测量2s时间内热流随时间变化曲线，无扰动反射回波干扰试验段每隔5m沿着管道壁圆周均布4个热流传感器，有扰动反射回波干扰试验段每1m沿着管道壁周围布置4个热流传感器；无扰动反射回波干扰试验段每隔5m在管道内壁布置1个压力传感器，有扰动反射回波干扰试验段每1m在管道壁布置1个压力传感器。

在试验模型头部布置1个无线热流传感器，试验模型一侧均布5个无线热流传感器。

5、刹车装置采用阻拦锁，试验模型底部布置挂钩，模型通过底部挂钩挂住阻拦锁进入减速阶段，在6m内速度降低为0m/s，此时试验结束。

6、试验装置中驱动机构、试验段、刹车机构处于一个整体封闭真空区域内，空气静压均为7000Pa。

上述试验装置能够模拟真实高速列车管道内流场变化特性，根据上述计算分析结果，试验时长共2.27s，前2s模型头部来流流场为无扰动反射回波干扰流场，最后0.27s为有扰动反射回波干扰流场，即模型头部扰动流动与管道尽头反射回的扰动回波相遇，使得流场压缩程度更强。热流传感器、压力传感器选用瞬态测量传感器，响应时间为毫秒级，能够满足试验时长内的热流、压力精确测量要求。一方面，试验装置能够模拟真实管道列车管道内的流场变化特征，另一方面，传感器能够捕捉到热流、压力数据。该系统能够反映真实的管道列车管道内压力、热流变化情况。

本发明提供的管道高速列车气动热试验装置及其设计方法，设计的试验装置中流动结构与运行状态一致，测得的气动热数据与真实环境相似度高、准确度高。一方面，利用试验装置测量的气动热数据，可用于获取数值计算方法不确定度，修正CFD等数值方法对运行状态的计算结果，获取运行状态的热流载荷数据；另一方面试验装置可用于研究不同堵塞比、不同模型外形等变量作用下的管道内气动加热变化规律，优化管道列车参数设计。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (12)

1.一种管道高速列车气动热试验装置的设计方法，其特征在于，所述管道高速列车气动热试验装置包括试验段及其两端连接的驱动机构、刹车机构，以及布设在所述试验段壁面上的传感器阵列，所述试验段为一段内设轨道的管道，试验模型由所述驱动机构驱动在试验段内沿轨道无动力行驶；

所述管道高速列车气动热试验装置的设计方法包括如下步骤：

S1、设计试验段、试验模型缩比系数θ；

S2、设计试验装置内介质、介质温度、试验模型初始速度与真实管道一致，介质压力为真实管道内压力的θ倍，以保证试验装置内雷诺数、试验模型马赫数与真实管道列车一致；

S3、设计试验模型质量及试验段长度，控制试验模型驶出试验段时的速度为初始速度的98％以上；

S4、设计刹车机构的刹车距离，保证压缩运动不受影响，且试验装置尽量短；

S5、计算试验段内无扰动波反射回波段、有扰动波反射回波段的长度，设计传感器阵列密度。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中设计缩比系数时，保持管道横截面形状、堵塞比不变。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中试验模型驶出试验段的速度为

其中，v₀为试验模型初始速度，m为试验模型质量，l为试验段长度，ρ为空气密度，S_mx为试验模型最大截面面积，C_fZ为阻力系数，C_f为摩擦系数，g为重力加速度，v(t)为试验模型行驶过程中的实时速度。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述阻力系数为不超过10^-1，所述摩擦系数范围为0.05～0.1。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述刹车距离占试验段有扰动波反射回波段长度的10％以内。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S5中有扰动波反射回波段长度计算公式为：

无扰动波反射回波长度计算公式为：

l_wfs＝l-l_fshbs

其中，v为列车速度，c为音速，l为试验段长度。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述试验段和驱动机构布置在真空环境中，所述刹车机构与试验段之间设置气密隔离闸门，或者所述试验装置整体布置在封闭的真空区域中。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述无扰动波反射回波段均匀安装传感器，所述有扰动波反射回波段按温度梯度增加传感器数量。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述传感器至少为热流传感器、压力传感器、温度传感器中的一种。

10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述试验模型表面布设带存储芯片的无线热流传感器，且高热流区域密集布设若干个热流传感器，其它热流分布梯度较均匀的区域沿横向或纵向均匀布置若干个热流传感器。

11.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述驱动机构为旋转加速机构或者直线加速机构；所述刹车机构为阻拦锁、弹簧或者液压减速筒；所述轨道为单轨或者多轨，所述轨道为设置在试验模型下方的支撑式轨道或者在试验模型上方的吊轨。

12.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述驱动机构为水平放置的转动机构，所述转动机构包括竖直的转轴及穿过转轴的两段连杆，一段连杆端部通过锁定部件固定在试验模型上，连杆延长线穿过模型质心，另一段连杆端部连接配重。

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