车辆气动力实车测试计算方法技术

车辆气动力实车测试计算方法，包括：在列车车辆表面布置压力测点，每四个压力测点构成一矩形，通过一计算机采集各压力测点的压力测试数据；将所述矩形的四个压力测点作为一个单元，计算得到该单元的压力值；将每个单元的压力值进行矢量求和，得到包括气动升力、横向力和倾覆力矩的整个列车车辆气动力；选取不同路堤状况进行列车气动性能对比、不同列车速度和不同速度侧风作用下的列车性能分析，并进行流场数值计算，得到列车气动力与列车运行速度和横向风速的关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于强侧风条件下列车车体压力分布及测试技术，具体的涉及一种用于为列车在大风条件下列车运行的安全性和稳定性评价提供依据的。
技术介绍
强侧风对铁路列车行车安全、运行稳定性和旅客舒适性有严重影响，在强侧风作用下，列车受到的侧向气动力有可能使列车脱轨、甚至出现翻车和人员伤亡的事故。随着列车运行速度的提高，这一问题更为突出，特别是穿越风区的铁路，由大风引起的列车运行事故频频发生。我国西北部的铁路多穿过大风戈壁地区，自然条件十分恶劣，尤其是大风给列车运行安全造成的影响更为严重。为此，该地区铁路路局在大风区段全线修建了挡风墙，并对列车运行作出了限速规定。但是如何能够为列车在强侧风条件下的列车颠覆条件提供科学可靠的依据，实现在保证安全基础上的运输效能最大化，是实现列车最大运载量所迫切解决的问题。对大风作用下列车以不同速度通过不同类型挡风墙时车体表面压力分布测试，得到不同风速和风向环境风作用下，车辆在不同挡风墙地段运行时的气动性能，开展具有挡风墙线路的大风影响实车试验是实现上述要求的必要条件。试验结果对验证数值模拟计算模型的正确性和数值模拟计算结果的可靠性具有重要的科学价值，能为今后对所有风区铁路的大风问题开展研究奠定实践基础。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能为列车在大风条件下列车运行的安全性和稳定性评价提供准确数据依据的，其通过对实车试验的工况进行数值计算分析，进行具有挡风墙线路的大风影响实车试验，建立并验证了数值模拟计算方法的可靠性，以实现运用数值模拟计算方法对更多的风区铁路进行强侧风颠覆力提供普适性计算。 本专利技术所采用的技术方案如下 一种，用于列车以不同速度通过不同类型挡风墙时车体空气压力的测试和计算，其特征在于所述测试计算方法包括 在列车车辆表面布置压力测点，每四个压力测点构成一矩形，通过一计算机采集各压力测点的压力测试数据； 将所述矩形的四个压力测点作为一个单元，计算得到该单元的压力值； 将每个单元的压力值进行矢量求和，得到包括气动升力、横向力和倾覆力矩的整个列车车辆气动力； 选取不同路堤状况进行列车气动性能对比、不同列车速度和不同速度侧风作用下的列车性能分析，并进行流场数值计算，得到列车气动力与列车运行速度和横向风速的关系。 具体的讲，该测试计算方法进一步包括 在列车车辆的外表面的压力测点处设置拍式感压片，由计算机控制扫压力扫描阀进行压力数据采集；采用动态压力测试系统进行列车车辆玻璃窗的瞬态压力测试。 另一方面，测试计算方法进一步包括 在选取不同路堤状况进行列车气动性能对比、不同列车速度和不同速度侧风作用下的列车性能分析时，首先选用k-ε双方程模型进行列车周围空气流动的描述；然后简化列车结构得到一计算模型；在计算模型的区域边界上给定边界条件；最后进行包括流场压力分布计算、流场速度分布计算和气动力计算在内的流场数值计算。 所述不同路堤包括路基为零和路基为中等高度的两种路堤；所述k-ε双方程模型的控制方程包括 连续性方程 X方向动量方程 Y方向动量方程 Z方向动量方程 湍流动能方程 湍流动能耗散率ε方程 其中， 为速度矢量，u、v、w为各坐标方向的速度分量，ρ为空气密度，μeff和Peff分别为有效粘性系数和有效压力，其值与湍流动能k和湍流动能耗散率ε有关。 所述简化列车结构得到一计算模型的方法包括对列车结构特别是车体底部进行简化，包括去除转向架和车底的细小设备；列车计算模型取机车加三节硬座客车车厢共四车编组，客车车厢之间以风挡连接。 所述在计算模型的区域边界上给定边界条件包括采用动网格方法进行数值模拟，计算时对于列车车身表面，给定的运动边界条件为X方向为列车运行速度，Y、Z向速度分量为0；强侧风入口给定Y向速度分布，X、Z向速度分量均为零；出口截面上静压为零；其他边界均为无滑移壁面条件。 所述方法进一步包括以流场数值计算结果中的不同车速时的倾覆力矩作为列车在大风条件下列车运行的安全性和稳定性评价依据。 该通过对大风作用下列车以不同速度通过不同类型挡风墙时车体表面空气压力分布实车测试；以及对大风作用下列车以不同速度通过不同类型挡风墙时车窗玻璃承受的风压测试。积分得到横风作用下车辆的气动力。该测量物体表面空气压力科采用传统的方法，如在物体表面测压部位的法线方向开测压孔，孔内安装测压管，测压管外端与物体表面平齐，内端通过塑料管与测压仪表相连。本专利技术采用拍式感压片来取代测压孔，为检验拍式感压片的测量精度，专利技术人在中国空气动力研究与发展中心低速所1.4m×1.4m风洞中对风洞壁面压力分布分别用传统的表面开孔测压方法和拍式感压片方法进行了测量，表明拍式感压片测压法与通常所采用的表面开孔测压方法所得结果吻合，证明拍式感压片测压法的测量精度非常高。该拍式感压片法尤其适合实车列车表面压力测量，相对实车表面而言，拍式感压片面积很小，它不仅适合平面部位的压力测量，还可对曲率变化较大的曲面处压力进行测量。 压力测点分布设置于列车的迎风面、背风面、车体顶部和车体底部，通过对一矩形内四个压力测点组成一单元的力和力矩进行计算，然后将每个单元的矢量相加后，就得到了整个列车的气动升力、横向力和倾覆力矩。 然后根据现场线路情况，可选择不同路堤情况进行列车车辆位于不同方向线路的气动性能对比；有无路堤情况下列车车辆气动性能；不同列车运行速度下列车车辆气动性能；以及不同速度侧风作用下列车车辆气动性能测试，可得出列车气动力(横向力、升力及倾覆力矩)与列车运行速度和横向风速的关系，为车辆倾覆的动力学计算提供依据。 本专利技术的有益效果在于，该能为列车在大风条件下列车运行的安全性和稳定性评价提供准确数据依据，其通过对实车试验的工况进行数值计算分析，进行具有挡风墙线路的大风影响实车试验，建立并验证了数值模拟计算方法的可靠性，以便运用数值模拟计算方法对更多的风区铁路进行强侧风颠覆力提供普适性计算。 下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的阐述。 附图说明 图1为本专利技术具体实施方式中表面压力测试系统方框图； 图2为本专利技术具体实施方式中动态压力测试系统方框图； 图3A至图3D为车辆不同端面的压力测点分布图，其中图3A为车辆迎风面和背风面的压力测点布置图；图3B为车辆顶面的压力测点布置图；图3D为车辆底面的压力测点布置图； 图4A和图4B为计算区域及计算坐标定义示意图，其中图4A为路堤高度H＝0m的计算区域及计算坐标定义示意图，图4B为路堤高度H＝7.26m的计算区域及计算坐标定义示意图； 图5A为路堤高度H＝0m时车体横截面压力分布，图5B为路堤高度H＝7.26m时车体横截面压力分布图。 具体实施例方式 该系采用在兰州至新疆的列车线路上进行逆光的实车实验，其采用拍式感压片作为压力测试元件，拍式感压片是由圆形金属薄片和紫铜管焊接加工而成，金属片直径为30mm，厚度为0.8～1mm的易焊接的紫铜片，金属圆片沿半径方向开一叉口以便与紫铜管焊接。紫铜管内径为0.8mm，长为50mm，一端压扁，另一端部封闭成盲端。将铜管压扁的一端插入金属圆片叉口中，焊接后打磨光洁，然后在圆片中心处紫铜管上钻一直径为0.6mm的小孔与铜管内孔连通，另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆气动力实车测试计算方法，用于列车以不同速度通过不同类型挡风墙时车体空气压力的测试和计算，其特征在于所述测试计算方法包括：　在列车车辆表面布置压力测点，每四个压力测点构成一矩形，通过一计算机采集各压力测点的压力测试数据；　 将所述矩形的四个压力测点作为一个单元，计算得到该单元的压力值；　将每个单元的压力值进行矢量求和，得到包括气动升力、横向力和倾覆力矩的整个列车车辆气动力；　选取不同路堤状况进行列车气动性能对比、不同列车速度和不同速度侧风作用下的列 车性能分析，并进行流场数值计算，得到列车气动力与列车运行速度和横向风速的关系。

【技术特征摘要】
1.一种车辆气动力实车测试计算方法，用于列车以不同速度通过不同类型挡风墙时车体空气压力的测试和计算，其特征在于所述测试计算方法包括在列车车辆表面布置压力测点，每四个压力测点构成一矩形，通过一计算机采集各压力测点的压力测试数据；将所述矩形的四个压力测点作为一个单元，计算得到该单元的压力值；将每个单元的压力值进行矢量求和，得到包括气动升力、横向力和倾覆力矩的整个列车车辆气动力；选取不同路堤状况进行列车气动性能对比、不同列车速度和不同速度侧风作用下的列车性能分析，并进行流场数值计算，得到列车气动力与列车运行速度和横向风速的关系。2.根据权利要求1所述的车辆气动力实车测试计算方法，其特征在于测试计算方法进一步包括在列车车辆的外表面的压力测点处设置拍式感压片，由计算机控制扫压力扫描阀进行压力数据采集；采用动态压力测试系统进行列车车辆玻璃窗的瞬态压力测试。3.根据权利要求1所述的车辆气动力实车测试计算方法，其特征在于测试计算方法进一步包括在选取不同路堤状况进行列车气动性能对比、不同列车速度和不同速度侧风作用下的列车性能分析时，首先选用k-ε双方程模型进行列车周围空气流动的描述；然后简化列车结构得到一计算模型；在计算模型的区域边界上给定边界条件；最后进行包括流场压力分布计算、流场速度分布计算和气动力计...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁习锋，刘堂红，高广军，刘国伟，鲁寨军，周伟，王前选，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[]