JP2016080375A - 鉄道車両の空気力係数推定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)変動する風速の統計的性質を変動風速モデルとして表し、
(b)変動する空気力の統計的性質を変動空気力モデルとして表し、
(c)前記変動空気力モデルから得られる平均空気力を、前記変動風速モデルから得られる平均風速の動圧と代表面積で除した値を平均空気力係数とし、
(d)乱れのある風況における空気力係数と乱れのない風況における平均空気力係数比を数値計算により算出し、
(e)前記乱れのない風況における風洞実験から得られる空気力係数に、前記平均空気力係数比を積算させて、前記乱れのある風況における空気力係数を推定することを特徴とする。
〔2〕上記〔1〕記載の鉄道車両の空気力推定方法において、
(a1)地面に対して水平な主流方向の風速を風速uと、地面に水平で主流方向に対し直角な方向の風速を風速vとを表し、前記風速uは平均風速〈u〉と変動風速u′の和で表され、前記風速vは変動風速v′で表し、前記変動風速u′、v′は、エルゴード(ergodic)性を満たし、正規分布に従う標本で表され、前記変動風速u′は平均0、分散σu 2 の正規分布N(0,σu 2 )に従い、前記変動風速v′は平均0、分散σv 2 の正規分布N(0,σv 2 )に従い、変動風速u′と変動風速v′は無相関であり、
(a2)上記の条件を満たす変動する風速の大きさur を表す前記変動風速モデルは次式
ur =√〔(〈u〉+u′)2 +v′2 〕 ……(i)
で表されることを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の鉄道車両の空気力係数推定方法において、
(b1)変動風速u′と変動風速v′が横力に影響を与えないと仮定した変動横力モデルは、CS (α,σu ,σv )を、風向角α、主流方向変動風速の標準偏差σu 、主流直角方向変動風速の標準偏差σv のときの横力係数であるとすると次式
FS =(1/2)ρACS (90,0,0)〈u〉2 sin2 (〈α〉+arctan〔v′/(〈u〉+u′)〕) ……(ii)
で与えられることを特徴とする。
〔4〕上記〔1〕乃至〔3〕のいずれか1項に記載の鉄道車両の空気力係数推定方法において、
(c1)前記変動横力モデルから得られる平均横力を前記変動風速モデルから得られる平均風速の動圧と代表面積で除した平均横力係数* CS (〈α〉,σu ,σv )は次式
* CS (〈α〉,σu ,σv )=〈FS 〉/(1/2)ρ〈ur 〉2 A ……(iii)
で与えられることを特徴とする。
〔5〕上記〔1〕乃至〔4〕のいずれか1項に記載の鉄道車両の空気力係数推定方法において、
(d1)前記平均横力係数* CS (〈α〉,σu ,σv )を変動風速u′と変動風速v′がない一様流における風向角90°に対して測定される横力係数CS (90,0,0)で除した平均横力係数比* rは次式
* r=* CS (〈α〉,σu ,σv )/CS (90,0,0)
=(〈u〉2 /〈ur 〉2 )〈sin2 α〉 ……(iv)
で与えられることを特徴とする。
u:地面に対して水平な主流方向の風速成分、主流方向成分〔=〈u〉+u′〕
v:地面に水平で主流に対して直角な方向の風速成分、主流直角方向成分(=v′)
〈u〉:主流方向の平均風速
u′:主流方向の風速の変動成分
v′:主流直角方向の風速の変動成分
σu :主流方向の風速の変動成分の標準偏差
σv :主流直角方向の風速の変動成分の標準偏差
ur :風速の大きさ〔=|# u|=√(u2 +v2 )=√〔(〈u〉+u′)2 +v′2 〕
wN :車両側面に対して垂直な風速の大きさ
α:線路と風のなす風向角〔=〈α〉+α′〕
〈α〉:平均風向角
α′:風向角の変動成分
FS :横力
ρ:空気密度
A:車両側面積
CS (α,σu ,σv ):風向角α、主流方向の風速の変動成分の標準偏差σu 、主流直角方向の風速の変動成分の標準偏差σv における横力係数〔=FS /(1/2)・ρur 2 A〕
CS (90,0,0):風向角90°、主流方向の風速の変動成分の標準偏差0、主流直角方向の風速の変動成分の標準偏差0における横力係数。すなわち、一様流で得られる風向角90°に対する横力係数
* CS (〈α〉,σu ,σv ):平均横力〈FS 〉を平均風速〈ur 〉の動圧で除した平均横力係数〔=〈FS 〉/(1/2)ρ〈ur 〉2 A、≠〈CS (α,σu ,σv )〉〕
r:横力係数比〔=CS (α,σu ,σv )/CS (90,0,0)〕
* r:平均横力係数比〔=* CS (〈α〉,σu ,σv )/CS (90,0,0)〕、≠〈CS (α,σu ,σv )〉/CS (90,0,0)
〈〉:期待値
本発明では変動風速と変動横力を簡単なモデルを用いて検討するため、変動風速モデルと変動横力モデルを導入する。それぞれのモデルについて以下に示す。
・風速ベクトル# uは、地面に対して水平な主流方向の風速u(以下、主流方向とする)、地面に水平で主流に対し直角な方向の風速v(以下、主流直角方向とする)、鉛直方向の風速wで表される。
・風速は、平均値と変動分に分解することができる。主流方向を例に取ると、主流方向の風速uはu=〈u〉+u′のように、平均風速〈u〉と変動風速u′の和で表される。
・平均的に主流方向のみに風が吹くため、主流直角方向の平均風速はゼロである。すなわち、〈v〉=0である。
・鉛直方向の空間スケールが、車両の高さより十分大きいため、鉛直方向の風速変動は車両に働く空気力に対して影響しない。すなわち、〈w〉=0、w′=0とする。
・変動風速u′、v′は、エルゴード(ergodic)性を満たし、正規分布に従う標本で表される。
・変動風速u′は平均0、分散σu 2 の正規分布N(0,σu 2 )に従う。変動風速v′は平均0、分散σv 2 の正規分布N(0,σv 2 )に従う。
・変動風速u′と変動風速v′は無相関である。
次に、変動横力モデルについて説明する。
ここで、ρは空気密度、Aは車両側面積である。横力係数Cについては、後述する。
ただし、α′=arctan〔v′/(〈u〉+u′)〕……(4)
ただし、風の線路に対する風向角αは平均風向角〈α〉と変動風向角α′の和α=〈α〉+α′で表されるとする。
次に、横力係数Cについて検討する。
C=CS (90,0,0) ……(6)
と仮定する。ここで、CS (α,σu ,σv )は、風向角α、主流方向の風速の変動成分の標準偏差σu 、主流直角方向の風速の変動成分の標準偏差σv のときの横力係数である。
次に、横力係数と横力係数比について説明する。
1つの標本に対して式(8)で定義した横力係数の平均値を考える。横力係数は通常風洞実験で求められるが、風洞実験では式(8)の右辺の分母、分子それぞれの平均値を測定し、それらの比で平均横力係数を決定している〔非特許文献6参照〕。本発明でも同様の考え方を採用し、式(7)で定義した変動横力モデルの平均から得られる平均横力〈FS 〉を、式(1)で定義した変動風速モデルの平均から得られる平均風速〈ur 〉の動圧で除した値を平均横力係数* CS (〈α〉,σu ,σv )と定義する。具体的には次式で求める。
横力係数CS (α,σu ,σv )および平均横力係数* CS (〈α〉,σu ,σv )に式(1)の変動風速モデル、式(7)の変動横力モデルを代入すると、それぞれ次式となる。
* CS (〈α〉,σu ,σv )=(〈u〉2 /〈ur 〉2 )CS (90,0,0)〈sin2 α〉 ……(11)
式(10)および式(11)に含まれる横力係数CS (90,0,0)は変動風速のない一様流における風向角90°に対して測定される横力係数である。
=(〈u〉2 /ur 2 )sin2 α ……(12)
* r=* CS (〈α〉,σu ,σv )/CS (90,0,0)
=(〈u〉2 /〈ur 〉2 )〈sin2 α〉 ……(13)
このようにして求められた* rを、風洞試験結果により得られた乱れのない風況における空気力係数に積算すれば、乱れのある風況における空気力係数を平均風向角毎に求めることができる。
モデル計算の有効性を確認するため、一様流および乱流境界層流における平均横力係数比に関して比較を行った結果を図4に示す。図4に示した風洞実験結果は、桁高2.0mの単線橋梁に対するものである。図4のシンボルが風洞実験結果、曲線がモデル計算結果を線で結んだものである。モデル計算結果の曲線は、一様流および乱流境界層の条件で数値計算を実施し、その計算結果を直線で結んだものである。
1A 先頭車両
1B 中間車両
2 高架橋
3 風
4 乱流境界層生成要素
11 車体
12 車輪
13 線路
Claims (5)
- (a)変動する風速の統計的性質を変動風速モデルとして表し、
(b)変動する空気力の統計的性質を変動空気力モデルとして表し、
(c)前記変動空気力モデルから得られる平均空気力を、前記変動風速モデルから得られる平均風速の動圧と代表面積で除した値を平均空気力係数とし、
(d)乱れのある風況における空気力係数と乱れのない風況における平均空気力係数比を数値計算により算出し、
(e)前記乱れのない風況における風洞実験から得られる空気力係数に、前記平均空気力係数比を積算させて、前記乱れのある風況における空気力係数を推定することを特徴とする鉄道車両の空気力推定方法。 - 請求項1記載の鉄道車両の空気力推定方法において、
(a1)地面に対して水平な主流方向の風速を風速uと、地面に水平で主流方向に対し直角な方向の風速を風速vとを表し、前記風速uは平均風速〈u〉と変動風速u′の和で表され、前記風速vは変動風速v′で表し、前記変動風速u′、v′は、エルゴード(ergodic)性を満たし、正規分布に従う標本で表され、前記変動風速u′は平均0、分散σu 2 の正規分布N(0,σu 2 )に従い、前記変動風速v′は平均0、分散σv 2 の正規分布N(0,σv 2 )に従い、変動風速u′と変動風速v′は無相関であり、
(a2)上記の条件を満たす変動する風速の大きさur を表す前記変動風速モデルは次式
ur =√〔(〈u〉+u′)2 +v′2 〕 ……(i)
で表されることを特徴とする鉄道車両の空気力係数推定方法。 - 請求項1又は2記載の鉄道車両の空気力係数推定方法において、
(b1)変動風速u′と変動風速v′が横力に影響を与えないと仮定した変動横力モデルは、CS (α,σu ,σv )を、風向角α、主流方向変動風速の標準偏差σu 、主流直角方向変動風速の標準偏差σv のときの横力係数であるとすると次式
FS =(1/2)ρACS (90,0,0)〈u〉2 sin2 (〈α〉+arctan〔v′/(〈u〉+u′)〕) ……(ii)
で与えられることを特徴とする鉄道車両の空気力係数推定方法。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の鉄道車両の空気力係数推定方法において、
(c1)前記変動横力モデルから得られる平均横力を前記変動風速モデルから得られる平均風速の動圧と代表面積で除した平均横力係数* CS (〈α〉,σu ,σv )は次式
* CS (〈α〉,σu ,σv )=〈FS 〉/(1/2)ρ〈ur 〉2 A ……(iii)
で与えられることを特徴とする鉄道車両の空気力係数推定方法。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の鉄道車両の空気力係数推定方法において、
(d1)前記平均横力係数* CS (〈α〉,σu ,σv )を変動風速u′と変動風速v′がない一様流における風向角90°に対して測定される横力係数CS (90,0,0)で除した平均横力係数比* rは次式
* r=* CS (〈α〉,σu ,σv )/CS (90,0,0)
=(〈u〉2 /〈ur 〉2 )〈sin2 α〉 ……(iv)
で与えられることを特徴とする鉄道車両の空気力係数推定方法。
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Cited By (5)
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---|---|---|---|---|
JP2018115887A (ja) * | 2017-01-17 | 2018-07-26 | 東日本旅客鉄道株式会社 | 車両転覆耐力評価方法 |
CN110967162A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-07 | 西南交通大学 | 一种测试桥塔尾流作用下车辆气动力的风洞试验装置 |
CN111829798A (zh) * | 2020-07-10 | 2020-10-27 | 中南大学 | 一种测量风环境下列车气动力的测点模型建立方法及应用 |
CN113092052A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-07-09 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | 一种应用于跨声速风洞试验段的孔壁开闭比连续可调装置 |
CN114417615A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-29 | 重庆大学 | 大攻角下典型钝体断面三维气动导纳的识别方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013086722A (ja) * | 2011-10-20 | 2013-05-13 | East Japan Railway Co | 車両転覆限界風速算出装置及び車両転覆限界風速算出方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013086722A (ja) * | 2011-10-20 | 2013-05-13 | East Japan Railway Co | 車両転覆限界風速算出装置及び車両転覆限界風速算出方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
HAN YAN ET AL.: "Wind tunnel measurements of aerodynamic force on vehicles and bridges under crosswinds", 7TH INTERNATIONAL COLLOQUIUM ON BLUFF BODY AERODYNAMICS AND APPLICATION(BBAA7), JPN6017014550, 2 September 2012 (2012-09-02), pages 1742 - 1753 * |
ORELLANO ALEXANDER ET AL.: "Aerodynamic Performance of a Typical High-Speed Train", PROCEEDINGS OF THE 4TH WSEAS INTERNATIONAL CONFERENCE ON FLUID MECHANICS AND AERODYNAMICS, JPN6017014553, 21 August 2006 (2006-08-21), pages 18 - 25 * |
三須 弥生 他: ""研究報告 走行速度を考慮した鉄道車両の空気力係数の推定"", 日本風工学会論文集, vol. 第37巻,第4号, JPN6017014549, October 2012 (2012-10-01) * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018115887A (ja) * | 2017-01-17 | 2018-07-26 | 東日本旅客鉄道株式会社 | 車両転覆耐力評価方法 |
CN110967162A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-07 | 西南交通大学 | 一种测试桥塔尾流作用下车辆气动力的风洞试验装置 |
CN110967162B (zh) * | 2019-12-27 | 2024-05-24 | 西南交通大学 | 一种测试桥塔尾流作用下车辆气动力的风洞试验装置 |
CN111829798A (zh) * | 2020-07-10 | 2020-10-27 | 中南大学 | 一种测量风环境下列车气动力的测点模型建立方法及应用 |
CN111829798B (zh) * | 2020-07-10 | 2021-11-09 | 中南大学 | 一种测量风环境下列车气动力的测点模型建立方法及应用 |
CN113092052A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-07-09 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | 一种应用于跨声速风洞试验段的孔壁开闭比连续可调装置 |
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