CN114633770B - 使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法，所述列车包括：设置在列车各节车辆的车体表面，用于在大风环境下沿车体表面向外喷射气流，以提升各节车辆的抗风气动性能的吹气单元，所述吹气单元的位置根据各节车辆的车型及其所处的风环境特征确定。本发明中的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法，通过设置在列车表面的法向吹气槽改变风环境下列车近体区流场结构，提升列车气动性能，从而实现对列车安全的有效主动控制。
Description
技术领域
本发明涉及列车气动控制领域，尤其涉及使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法。
背景技术
大风环境下运行列车的气动性能会明显恶化，列车运行稳定性和安全性将受到严重威胁。因此，为解决大风环境下列车运行安全这一关键科学工程难题，国内外提出并采用了一系列列车运行安全控制措施，其中常见的措施包括：优化铁路线路设计方案、设计适应大风环境的列车气动外形、建立大风监测预警系统并制定列车限速规定、修建风区铁路防风设施等。
上述四种常见风区列车运行安全控制措施虽然对大风环境下列车运行安全性起到了一定程度的提升控制作用，但是这些措施目前仍存在明显的不足之处。其中修建防风设施和风区运营列车气动外形优化设计不仅会很大程度提高铁路线路和列车的设计制造难度和成本，而且由于风区环境的复杂多变，这两种控制措施对环境适应性较差，列车安全控制效果受到影响；这些措施虽然能根据线路环境的实时监测，对列车运行速度进行指导和限定，能够有效保证风区环境下列车运行安全性，但是采用这些措施，列车运营过程中会经常出现较低速运行甚至停轮，极大影响了风区铁路的正常运营状态，降低了风区铁路的运营效率；这些防护措施是目前为解决风区铁路列车运行安全问题所广泛采用的有效控制措施，但是当风区线路较长且地形复杂时，挡风墙的修建将耗费巨大，并且随着风区环境和列车运行速度的改变，防风设施的防风效果将显著变差。
综上所述，目前对大风环境下运行列车所采用的控制措施，均属于被动控制措施，很难满足风区环境以及列车运行速度多样性的需求，且成本巨大。因此，如何设计出一种应用在列车上的控制技术，使其实现根据运营列车所处的风环境特征、列车速度以及气动载荷等特征灵活调控列车周围流场结构，实现对大风环境下列车安全性的主动控制，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法，用于解决现有大风环境下列车运行安全控制措施无法满足风区环境以及列车运行速度多样性的需求，且成本巨大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车，包括：设置在列车各节车辆的车体表面，用于在大风环境下从车体表面向外喷射气流，以提升各节车辆的抗风性能的吹气单元，所述吹气单元的位置根据各节车辆的车型及其所处的风环境特征确定。
优选的，所述吹气单元的位置包括：迎风侧中部、迎风侧下部、背风侧顶部拐角、背风侧中部以及背风侧下部中一种或任意几种的组合。
优选的，所述列车的头车和尾车均采用流线型鼻部结构时，所述头车的吹气单元设置在背风侧中部，所述列车的中间车辆以及尾车的吹气单元设置在迎风侧下部。
优选的，所述吹气单元包括大小一致、等距设置的多个吹气槽，所述吹气槽为沿列车车身周向延伸的长条形吹气槽，且单个长条形吹气槽基本结构单元的长度与中间车车体长度一致，且相邻吹气槽基本单元间的距离与吹气槽基本单元的宽度基本保持一致。
优选的，所述吹气槽喷射气流的大小根据风环境特征和列车运行速度大小确定。
一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车控制方法，包括以下步骤：
根据列车各节车辆的车型及其所处的风环境特征，确定使各节车辆获得抗风气动性能的吹气位置；
在列车的各节车辆对应的吹气位置设置吹气单元，并在大风环境下控制各节车辆上的吹气单元自车体表面向外喷射气流。
优选的，所述吹气位置包括：迎风侧中部、迎风侧下部、背风侧顶部拐角、背风侧中部以及背风侧下部中一种或任意几种的组合。
优选的，当所述列车的头车和尾车均采用流线型鼻部结构时，所述头车的吹气单元设置在背风侧中部，所述列车的中间车辆以及尾车的吹气单元设置在迎风侧下部。
优选的，所述吹气单元包括大小一致、等距设置的多个吹气槽；所述吹气槽为沿列车车身周向延伸的长条形吹气槽，且单个长条形吹气槽基本结构单元的长度与中间车车体长度一致，且相邻吹气槽基本单元间的距离与吹气槽基本单元的宽度基本保持一致。
优选的，所述吹气槽喷射气流的大小根据风环境特征和列车运行速度大小确定。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法，通过设置在列车表面的法向吹气槽改变风环境下列车近体区流场结构，提升列车气动性能，从而实现对列车安全的有效主动控制。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明优选实施例中的中间车表面吹气槽单元组布置示意图(方案6)，1表示单个长条形吹气槽基本单元结构，2表示由三个吹气槽基本单元构成的有效吹气槽工作单元组，3表示中间车。
图2为本发明优选实施例中的中间车表面喷气槽单元组沿车身周向布置位置方案示意图，图中4表示中间车车体横截面轮廓线，5表示不同位置方案编号，6表示车体表面单个吹气槽基本单元横断面。头车和尾车表面的吹气槽单元组布置方案与此相同。
图3为本发明优选实施例中的车体表面喷气槽单元组工作示意图(方案6)，图中7表示一个有效吹气槽工作单元组横断面。
图4为本发明优选实施例中的流线型头车表面吹气槽单元组示意图(方案6)，图中8表示头车，9表示头车的流线型鼻部区域，10表示头车的非流线型车体部分。尾车表面吹气槽单元组与此结构相同。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
本实施中公开了一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车，包括：设置在列车各节车辆的车体表面，用于在大风环境下沿车体表面向外喷射气流，以提升各节车辆的抗风气动性能的吹气单元，所述吹气单元的位置根据各节车辆的车型及其所处的风环境特征确定。
此外，在本实施例中，还公开了一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车控制方法，包括以下步骤：
根据列车各节车辆的车型及其所处的风环境特征，确定使各节车辆获得抗风性能的吹气位置；
在列车的各节车辆对应的吹气位置设置吹气单元，并在大风环境下控制各节车辆上的吹气单元自车体表面向外喷射气流。
本发明中的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车及其控制方法，通过设置在列车表面的法向吹气槽改变风环境下列车近体区流场结构，提升列车气动性能，从而实现对列车安全的有效主动控制。
实施例二：
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处，对使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车控制方法的具体步骤进行了介绍：
目前，针对风环境下运行列车安全所采用的控制措施，均为传统的被动控制措施，这些措施在设计完成之后，结构参数保持不变，无法随着列车运行状态及所处工况环境及时调整相应控制措施参数。而实际的列车运行状态及周围的环境条件瞬息万变，当列车运行工况条件偏离设计工况状态时，这些传统被动防护控制措施就无法达到最佳设计防护状态，从而导致大风环境下行车稳定性和安全性问题反复出现。
本发明利用设置在列车表面的法向吹气槽改变风环境下列车近体区流场结构，提升列车气动性能，从而实现对列车安全的有效主动控制。首先沿着列车车身周向设计了若干种不同位置的吹气槽方案，之后基于计算流体动力学方法对不同吹气槽位置方案的列车在风环境条件下的气动参数进行数值模拟，并与原始未安装吹气槽的列车的气动性能进行对比，最终获得了可明显提升风环境下不同编组位置车厢(头车、中间车和尾车)气动参数的最优表面吹气槽位置设计方案。该主动吹气式流场干预控制技术为风环境下列车运行安全控制措施的研究，提供了新的主动控制研究思路，弥补了本领域研究的空白，对复杂多变风环境下的列车运行安全具有重要指导意义。
风环境下为确保列车运行安全，需要采用合适的防风控制措施来保证列车在风环境下安全高效地运行。现有技术条件下针对列车所采用的防风控制措施主要是限速和在风区铁路沿线修建防风设施，限速会明显降低列车运营效能，而修建防风设施不仅工程量较大而且在环境风特性和列车运行速度发生变化时，其防风效果明显减弱，甚至需要重新修建或改造提升。总体而言，现有风区列车运行安全防护控制措施，适应性较差，无法灵活随环境风场和列车运行特性的变化做出相应控制参数调整，均属于被动控制措施。
基于对列车近体区流场进行主动干预的方法，本发明提出了一种对大风环境下列车运行安全进行主动控制的表面吹气控制技术，对传统风环境下列车运行安全被动控制措施是一次本质的革新。本发明设计了七种不同列车表面吹气槽配置方案，并基于各方案中列车气动参数的数值仿真结果，给出了吹气槽单元组的建议和不建议布置位置方案。本发明为未来风环境下列车运行安全新型主动控制技术的研究提供了重要的设计思路，同时为基于近体区流动干预的列车运行安全主动控制技术的进一步深入研究提供了设计方案和数据参考。
本专利发明包括以下几方面的内容：
(1)确定了中间车表面吹气槽布置方案
为保证高速运行列车具有优良的空气动力学性能，高速列车的头车和尾车均采用经过专业设计的流线型鼻部结构。因此为确保本列车表面吹气槽结构不给高速运行列车的流线型部分气动性能带来不利影响，本发明对具有流线型部分的头尾车和截面相对固定的中间车采用不同尺寸设计的吹气槽设计，此处先对车体截面形状相对固定的中间车表面的吹气槽布置位置方案进行研究。
如图1所示为中间车所设计的表面喷气槽结构，车体高度H＝3.70m,图中沿着车身长度方向的宽度为0.054H(0.20m)的单个褐色长条结构表示单个基本吹气槽结构单元，单个长条形吹气槽基本结构单元的长度与中间车车体长度一致，以保证单个吹气槽基本单元的作用效果。同时，考虑到风环境下列车近体区流场结构的复杂，单个吹气槽基本单元对风环境下列车近体区流场结构干预控制作用的有限性，所以在本发明中以三条吹气槽单元为一个有效工作单元组，在一个有效吹气槽工作单元组中，相邻吹气槽基本单元间的距离与吹气槽基本单元的宽度基本保持一致。
为确定有效吹气槽单元组沿车身周向最佳分布位置，以使列车获得最佳抗风气动性能，如图2所示本发明对比分析了吹气槽单元组沿车身周向的七种布置位置方案。图中每个褐色线段代表一个基本吹气槽结构单元，每个数字标号附近的椭圆形虚线圈内的三个基本吹气槽结构单元，构成一个有效吹气槽单元组。吹气槽单元组的七种布置方案分别为：顶部方案①、迎风侧顶部拐角方案②、迎风侧中部方案③、迎风侧下部方案④、背风侧顶部拐角方案⑤、背风侧中部方案⑥和背风侧下部方案⑦，且迎风侧和背风侧位置方案沿列车中轴线对称布置。图1中所示吹气槽单元组布置位置，对应图2中方案6。如图3所示，喷气槽单元组沿车体表面法向向外喷射10m/s的气流，此喷射气流的大小可依据风环境特征和列车运行速度大小进行主动控制，以实现对车体近体区流动进行主动干预，从而实现对风环境下列车运行安全性的主动控制。
本发明在对比七种吹气槽布置方案时，采用风区高速列车常见的车速和风速条件作为研究条件，其中列车运行速度为200km/h，横风风速为25m/s。采用计算流体动力学方法获得采用七种不同吹气槽布置方案的列车模型的关键气动力参数，并将其与原始列车模型(未设置表面吹气槽单元结构的列车)的气动力参数进行比较。如方程(1)-(3)所示，风环境下决定列车安全性的关键气动参数包括侧向力系数Cy，升力系数Cz，倾覆力矩系数CMxlee，其中Fy为头车侧向力，Fz为升力，Mxlee为气动倾覆力矩。A为列车横截面面积，l为参考长度(这里取3m)。对于本发明中所采用的列车模型，在全尺寸情况下，其横截面积A为11.22m2。Us为列车速度(200km/h)与远场来流风速(25m/s)的合成速度。ρ为空气密度，为1.225kg/m3。
侧向力系数
升力系数
倾覆力矩系数
增量百分比表1所示为七种方案中的列车与原始列车的Cy，Cz和CMxlee的比较结果(增量百分比E)，E的定义如方程(4)所示，其中C表示各吹气槽设计方案的关键气动系数值，C0则表示与C所对应的气动系数在原始列车模型中的值。
表1中间车表面吹气槽单元组不同布置位置方案气动性能对比
表1数据表明，列车表面吹气槽单元组的设置可明显改变中间车的Cy和Cz，同时吹气槽单元组布置位置对中间车的Cy和Cz的影响效果不同，因此，以Cy和Cz的综合作用效果的反映指标CMxlee为判断依据来分析不同吹气槽位置方案对列车安全性的控制效果。可以看出，列车表面吹气槽单元组采用方案4的布置位置，即布置在迎风侧车体表面底部区域时能够使中间车CMxlee减小21.7％，实现对风环境下中间车安全性的有效控制。同时应该避免将表面吹气槽单元组布置在车体顶部和迎风侧顶部拐角处(方案1和方案2)，这两种布置方案会使中间车安全性恶化。
(2)确定了流线型头车表面吹气槽布置方案
由于高速列车流线型头部对列车气动性能和能耗等有着重要的影响，为避免表面吹气槽单元组结构对列车流线型头部结构产生负面影响，因此如图4所示，流线型头车的表面吹气槽单元组只布置在横截面形状相对固定的车体部分。头车表面的吹气槽单元组除沿车身长度与中间车不同外，其他参数与中间车保持一致，同样设计了如图3所示的吹气槽单元组沿车身周向的七种布置方案。
七种表面吹气槽单元组布置方案中的头车气动参数与原始列车头车的比较如表2所示。通过对比不同方案下头车的CMxlee指标，可以看出表面吹气槽单元组的布置方案6可实现对风环境下流线型头车安全性的最佳控制，可使CMxlee减小18.5％。同时，与中间车相同，应避免将表面吹气槽单元组布置在车体顶部和迎风侧顶部拐角处(方案1和方案2)，这两种布置方案会使头车安全性恶化。
表2流线型头车表面吹气槽单元组不同布置位置方案气动性能对比
(3)确定了流线型尾车表面吹气槽布置方案
列车流线型尾车表面吹气槽单元组布置方案设计与头车相同，由于尾车与头车所处流场环境特征有着较大差异，因此不同吹气槽布置方案对尾车气动安全指标的影响与头车有所不同。表3为车体表面不同吹气槽布置方案中尾车各项气动安全指标的对比结果。表3结果表明吹气槽布置方案4可实现对流线型尾车气动安全指标的最优控制，可使CMxlee减小30.8％。与头车和中间车相同，应避免将表面吹气槽单元组布置在车体顶部和迎风侧顶部拐角处(方案1和方案2)，这两种布置方案会使尾车安全性恶化。
表3流线型尾车表面吹气槽单元组不同布置位置方案气动性能对比
对于风环境下运行的整编组列车，当各节车厢车体表面吹气槽单元组布置位置需要保持一致时，考虑到风环境下运行列车的头车的安全性最容易受到横风威胁，此时方案6中的吹气槽布置方案可对运行列车安全性有最优的提升效果；当各节车厢表面吹气槽单元组布置方案可差异存在时，可使用头车采用方案6，中间车和尾车采用方案4的表面吹气槽布置方案组合，以最大程度改善风环境下列车整车运行安全性。此外，应该避免吹气槽布置方案1和方案2的使用。
基于此，本发明公开了一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车，包括：设置在列车各节车辆的车体表面，用于在大风环境下自车体表面向外喷射气流，以提升各节车辆的抗风性能的吹气单元，所述列车的头车和尾车均采用流线型鼻部结构，所述头车的吹气单元设置在背风侧中部，所述列车的中间车辆以及尾车的吹气单元设置在迎风侧下部。所述吹气单元包括大小一致、等距设置的多个吹气槽，所述吹气槽为沿列车车身周向延伸的长条形吹气槽，且单个长条形吹气槽基本结构单元的长度与中间车车体长度一致，且相邻吹气槽基本单元间的距离与吹气槽基本单元的宽度基本保持一致。所述吹气槽喷射气流的大小根据风环境特征和列车运行速度大小确定。
综上所述，本发明从对运行列车近体区流场进行吹气扰动的主动干预思路出发，实现对大风环境下运行列车气动安全的主动控制。建立了列车表面吹气主动控制的七种吹气槽装置布置方案模型，并基于一系列数值仿真结果，评估了所设计的七种吹气槽布置方案模型对大风环境下列车运行安全的提升控制效果，最终给出了列车表面吹气槽的合理布置位置方案。本发明突破了风环境下运行列车安全的传统被动式控制措施研究思维，为列车运行安全的主动控制提供了新的研究思路，同时所给出的各类表面吹气槽布置方案对列车安全的控制效果，也为以后采用类似表面吹吸气流场控制方法的列车运行安全主动控制技术的研究提供了有价值的参考数据。
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。
Claims (6)
1.一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车，其特征在于，包括：设置在列车各节车辆的车体表面，用于在大风环境下从车体表面向外喷射气流，以提升各节车辆的抗风气动性能的吹气单元，所述吹气单元的位置根据各节车辆的车型及其所处的风环境特征确定；
所述列车的头车和尾车均采用流线型鼻部结构时，所述头车的吹气单元设置在背风侧中部，所述列车的中间车辆以及尾车的吹气单元设置在迎风侧下部。
2.根据权利要求1所述的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车，其特征在于，所述吹气单元包括大小一致、等距设置的多个吹气槽，所述吹气槽为沿列车车身周向延伸的长条形吹气槽，且单个长条形吹气槽基本结构单元的长度与中间车车体长度一致，且相邻吹气槽基本单元间的距离与吹气槽基本单元的宽度基本保持一致。
3.根据权利要求2所述的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车，其特征在于，所述吹气槽喷射气流大小的获取方法为：通过计算流体动力学数值模拟方法，计算不同风速、车速及喷射气流速度下的列车气动载荷，比较不同风速、车速及喷射气流速度下的列车气动载荷，并根据比较结果选取不同风环境特征和列车运行速度下的最优喷射气流速度。
4.一种使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据列车各节车辆的车型及其所处的风环境特征，确定使各节车辆获得抗风气动性能的吹气位置；
在列车的各节车辆对应的吹气位置设置吹气单元，并在大风环境下控制各节车辆上的吹气单元从车体表面向外喷射气流；
当所述列车的头车和尾车均采用流线型鼻部结构时，所述头车的吹气单元设置在背风侧中部，所述列车的中间车辆以及尾车的吹气单元设置在迎风侧下部。
5.根据权利要求4所述的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车控制方法，其特征在于，所述吹气单元包括大小一致、等距设置的多个吹气槽；所述吹气槽为沿列车车身周向延伸的长条形吹气槽，且单个长条形吹气槽基本结构单元的长度与中间车车体长度一致，且相邻吹气槽基本单元间的距离与吹气槽基本单元的宽度基本保持一致。
6.根据权利要求5所述的使用主动吹气提升大风环境运行安全的列车控制方法，其特征在于，所述吹气槽喷射气流的大小的获取，通过以下步骤实现：
通过计算流体动力学数值模拟方法，计算不同风速、车速及喷射气流速度下的列车气动载荷，通过比较不同风速、车速及喷射气流速度下的列车气动载荷，并根据比较结果选取不同风环境特征和列车运行速度下的最优喷射气流速度。
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