一种高速运行车辆所受环境风监测方法技术

本发明专利技术属于车载风速监测领域，公开了一种高速运行车辆所受环境风监测方法，包括以下步骤：在车辆上布置差压风速仪；通过差压风速仪获取风速和风向；根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。本发明专利技术可以得到高速运行车辆行驶时的环境风速和风向，还可以得到横风风速，对研究横风对列车气动性能影响至关重要。同时记录的车辆运行速度和运行里程，对分析铁路沿线大风极值点与防风设施之间的关系具有重要意义。

Wind monitoring method for vehicles running at high speed

The invention belongs to the field of vehicle wind speed monitoring, and discloses an environmental wind monitoring method for a high-speed vehicle, including the following steps: arranging a differential pressure anemometer on a vehicle, obtaining wind speed and wind direction through a differential pressure anemometer, and calculating the actual wind speed and the speed of the vehicle in accordance with the velocity and direction obtained by the differential pressure anemometer. The direction of the wind. The invention can get the wind speed and wind direction of the vehicle running at high speed, and the wind speed can be obtained. It is very important to study the influence of the cross wind on the aerodynamic performance of the train. At the same time, the recorded vehicle speed and mileage are of great significance for analyzing the relationship between the extreme wind point along the railway and the wind protection facilities.

【技术实现步骤摘要】
一种高速运行车辆所受环境风监测方法
本专利技术涉及车载风速监测领域，尤其涉及一种高速运行车辆所受环境风监测方法。
技术介绍
伴随着兰新第二客运专线的开通，我国内陆地区与新疆地区的联系大大加深了，但是兰新第二客运专线新疆境内途径四大风区，风期长、风速大是该段线路的特点。研究表明，列车高速运行时，在大风作用下，列车气动性能急剧恶化，造成列车大幅度晃动，极易引起翻车。为保证列车安全运行，新疆乌鲁木齐铁路局在铁路沿线布置多个大风监测站，实时监控风速变化以及进行预报和预警。由于兰新铁路穿越戈壁滩，大风监测站布置位置多为人烟稀少、环境恶劣的无人区。对大风监测站的维护和设备更换带来巨大挑战。而且大风监测站之间距离较远，由于施工难度的影响，监测站的位置分布并没有完全根据最恶劣风环境的分布情况设置。增设新的大风监测站，则会造成巨大的人力物力资源浪费。因此现有大风监测站并不能完全反映铁路全线环境风速风向的真实情况。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种高速运行车辆所受环境风监测方法，以解决现有技术存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提供了一种高速运行车辆所受环境风监测方法，包括以下步骤：S1：在车辆上布置差压风速仪；S2：通过差压风速仪获取风速和风向；S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。优选地，差压风速仪为圆柱状差压风速仪，同一圆周上每30°设置有差压传感器。优选地，根据实测风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向的公式为：式中，V为差压风速仪获取的风速，Vt为车辆运行速度，Vl为V在车辆行驶方向上的分量，为实际风速在列车运行方向上的分量，Ve为实际风速，Vc为横风风速，θ为实际风向。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术通过差压传感器获取风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向，克服了高速形式车辆仅通过差压传感器获取风速和风向与实际风速不符的问题。2、本专利技术在获取实际风速和风向的同时获取了横风风速，对研究横风对列车气动性能影响至关重要。3、本专利技术在获取实际风速和风向的同时记录了录列车运行速度和运行里程，对分析车速对差压传感器造成的误差以及对分析铁路沿线大风极值点与防风设施之间的关系具有重要意义。下面将参照附图，对本专利技术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专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的一种高速运行车辆所受环境风监测方法流程图；图2是本专利技术优选实施例的差压传感器的受力分析图；图3是本专利技术优选实施例的一种高速运行车辆所受环境风监测方法中关于角度的变量与角度的关系变化曲线；图4是本专利技术优选实施例的一种高速运行车辆所受环境风监测方法中关于风速的变量与角度的关系变化曲线；图5是车辆运行方向和环境风向相反时的受力分析图；图6是车辆运行方向和环境风向相同时的受力分析图；图7是流体绕过圆柱体的流动示意图；图8是本专利技术优选实施例的差压传感器的俯视图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。本专利技术提供了一种高速运行车辆所受环境风监测方法，参见图1，包括以下步骤：S1：在车辆上布置差压风速仪。S2：通过差压风速仪获取风速和风向；S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。参见图8，本专利技术实施例所使用的差压风速仪主体为圆柱状，并且在同一圆周上以30°为间隔布置了12个差压传感器，采用同一圆周上等距布置的方式可以消除分布不均造成的误差。在稳定的空气流中，圆柱体表面某一点的压力Pθ随着风向的角度变化而变化，如图2所述，以2号传感器为参考点，当风向改变时，三个压力传感器的值P1、P2、P3都会随之改变。以5°为步长，使风向在±30°之间改变，分别记录3个传感器的数值。当风速为v，流体密度为ρ时，流体压力为：定义：式中：i＝-30°,-25°,……,0°,5°,……,25°,30°。D2i为关于角度的变量，S2i为关于风速的变量，P1i是在不同的风向角时1号传感器的压力值。由式(1)、(2)和(3)可计算得到D2i与S2i不同风向时的数值。分别以不同的传感器为参考点时，一共获得12组D和S的数，将12组数值取平均值运算，得到D和S关于风向θ的曲线，结果如图3和图4所示。由图3可以看出，在±15°范围内，D是关于θ的单调函数，取该范围内的数据进行数据拟合可以得到f(θ,D)。f(θ,D)＝A*θ+B(5)由图4可知在±30°范围内，S是关于θ的二次函数，通过曲线拟合可以得到f(θ,S)的表达式。f(θ,S)＝C*θ2+D*θ+E(6)式(5)、式(6)中的系数根据实验数据的拟合曲线得到。在稳定空气流中，将差压传感器进行0-11号顺序编号，0号传感器正对北方，为初始0°。控制电路读取传感器数值并进行运算：对传感器数据只进行比较，得到压力值最大的传感器，并记录器编号；获得该传感器和与其相邻的两个传感器压力值，由式(5)计算得到θ值；然后将θ值代入式(6)中，可以得到S，由S和三个传感器压力值计算得到P，P和风速的平方成正比，因此可以得到风速。风向为θ与30*n的和，其中n为压力值最大传感器的编号，θ小于0时，θ＝θ+360°。通过上述方法，可以求得车辆在稳定的空气流中的环境风向和风速，参见图7(a)-(c)三种情况，而车辆在行驶过程中，气流的变化往往是不规律的，参见图7(d)。当车辆处于高速运动时，差压传感器主体圆柱后的“涡街”逐渐失去规则性和周期性，但分离点前圆柱表面附近仍为层流边界层，分离点后为层流尾流，分离点约为82°。本专利技术通过获取分离点前差压传感器测量的各点的压力结合列车的运行速度和方向，计算出真实的环境风向和风速。参见图5和图6，图5为车辆行驶方向与环境风向相同的情形，图6为车辆行驶方向与环境风向相反的情形。图中各变量之间的关系可以描述为：式中：V为传感器实测风速，Vt为列车运行速度，Vc为横风风速，Vl为V在列车运行方向上的分量，Ve为环境风速，为环境风速在列车运行方向上的分量，θ为环境风向。由式1和式2可以计算得出环境风速和风向，还可以得到横风风速，对研究横风对列车气动性能影响至关重要。同时记录列车运行速度和运行里程，对分析铁路沿线大风极值点与防风设施之间的关系具有重要意义。以车头方向为θ＝0°逆时针方向增大。列车与环境风方向相反时，差压传感器测得的风速V＝21.5m/s，车速Vl＝154km/时，通过公式(7)和公式(8)计算得到环境风速Ve＝22.4m/s，环境风向θ＝347°，则可知环境风为从车头左侧13°方向以22.4m/s的速度吹来的风。以上所述仅为本专利技术的优选实施例而已，并不用于限制本专利技术，对于本领域的技术人员来说，本专利技术可以有各种更改和变化。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速运行车辆所受环境风监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在车辆上布置差压风速仪；S2：通过差压风速仪获取风速和风向；S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。

【技术特征摘要】
1.一种高速运行车辆所受环境风监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在车辆上布置差压风速仪；S2：通过差压风速仪获取风速和风向；S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。2.根据权利要求1所述的一种高速运行车辆所受环境风监测方法，其特征在于，所述差压风速仪为圆柱状差压风速仪，同一圆周上每30...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁习锋，孙博，鲁寨军，周伟，刘堂红，熊小慧，周丹，
申请(专利权)人：中南大学，中国铁路总公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43