一种用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱及桥梁

1.本发明属于风洞实验技术领域，尤其涉及一种用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱及桥梁。


背景技术：

2.目前的高速铁路为减小征地面积，均采用以桥代路的方式，高速列车绝大多数时间运行在桥梁上，因此，桥梁上高速列车的气动特性研究是列车空气动力学研究的热点之一。风洞实验是重要的研究手段之一。
3.目前，风洞实验中桥梁梁柱的模拟方法有三种，方法一为单圆柱方案，如图1所示，依据实际圆柱形梁柱按列车模型比例缩小而成，安装在与列车运行方向垂直的桥梁梁体横向中心；方法二为双圆柱方案，如图2所示，依据实际双圆柱形梁柱按列车模型比例缩小而成，并排安装在与列车运行方向垂直的桥梁梁体横向两侧；方案三截面为两端半圆，中间为长方形，如图3所示，同样依据实际双圆柱形梁柱按列车模型比例缩小而成。
4.这三种方案中，方案一是高速列车桥梁风洞实验中最常用方案，其缺点是在圆柱尾流区会脱落非定常漩涡，严重影响高速列车气动噪声的测量。方案二也是高速列车桥梁风洞实验中较常用方案，其缺点除圆柱尾流区会脱落非定常漩涡，严重影响高速列车气动噪声的测量外，其外侧脱出的漩涡会影响到桥梁侧壁和高速列车的侧壁，进而影响桥梁和列车的气动性能，而高速列车实际运行中该影响是不存在的，将给实验带来较大误差。方案三的缺点和方案二基本相同，其体积更大，外侧脱出的漩涡影响也更大。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种可以大幅减小实验中高速列车轨道梁梁柱侧面和尾部的漩涡的影响，不会影响高速列车周围的流场，同时通过改变梁柱的截面，大幅延迟气流的分离，大幅减小尾涡的尺度，最终减小梁柱尾涡产生的气动噪声，减小其对高速列车气动噪声影响的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱及桥梁。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱，所述梁柱的横截面沿轴线对称，梁柱的横截面呈中部向外凸出、两端向内收缩的扁平水滴状，且中部与两端通过平滑的弧线连接形成流线型结构，梁柱的横截面的两端分别为第一端和第二端，所述第一端和第二端的端头均呈圆弧状，且第一端的端头圆弧半径大于第二端的端头圆弧半径。具体的，梁柱的横截面采用类似于飞机机翼截面的形状，由于其前缘(第一端)流线型设计，在两侧的气流只会在尾部(第二端)出现小尺度的分离，因此其尾部产生的漩涡尺度也比现有技术小，其影响区域也小，不会影响桥梁和高速列车的气动力特性，同时产生的气动噪声也比较小，减小了高速列车气动噪声的测量误差，提高了实验的测量精度。
8.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱，优选的，所述梁柱的轴线与轨道梁
本体的轴线重合，所述第一端正对迎风面设置。具体的，梁柱安装在桥梁的中部，由于第一端正对迎风面，通过其截面的流线型前缘，可有效延迟两侧气流的分离，减小尾涡的尺度，从而减少气动噪声导致的测量误差，提高了测量精度。
9.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱，优选的，所述梁柱等间距的设有多个，相邻梁柱的第一端与第一端相对，或相邻梁柱的第二端与第二端相对。相邻梁柱的相同端与相同端相对设置，即每组相邻梁柱之间要么第一端与第一端相对，要么第二端与第二端相对，这种设置方式能够减小长度较长的桥梁两侧气流分离和尾涡，进一步提高测量精度。
10.作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种用于风洞实验的桥梁，包括轨道梁本体和上述的梁柱，所述轨道梁本体设于所述梁柱上，所述轨道梁本体的内部设有沿长度方向延伸的导流腔，所述导流腔将所述轨道梁本体的两端连通并形成供气流流过的通道，所述轨道梁本体的迎风端为不具有突出部的平面结构。将轨道梁设计成空心结构从而形成导流腔，气流可以从导流腔中流过，解决了现有技术中因轨道梁截面大导致气流吹至轨道梁端部截面时产生较大的扰流，而对列车流场造成较大扰动导致实验结果误差大的问题，同时由于减小了扰动，列车头部距离轨道梁前沿的距离可大幅度缩小，进而大幅降低了附面层的厚度，提高实验的测量精度。该结构的轨道梁本体迎风端为平面，缩减了设置突出导流斜面的距离，因此有利于减小附面层的厚度，以及减小轨道梁本体悬臂的抖动，提高风洞实验结果的精度和准确性。
11.上述的用于风洞实验的桥梁，优选的，所述轨道梁本体包括顶板、侧板和底板，所述顶板、侧板和底板围合构成具有所述导流腔的轨道梁本体，所述顶板、侧板和底板的端部沿厚度方向均设有流线型的导流结构，所述导流结构包括外导流面和内导流面，所述内导流面用于引导气流朝所述导流腔内流动，所述外导流面用于引导气流朝所述导流腔外流动。利用顶板、侧板和底板围合形成具有导流腔的轨道梁本体，以增大导流腔的面积，减少迎风端的造成的扰动。具体的，导流结构可为楔型结构或圆角结构，导流结构保证气流不会在轨道梁本体的内部和外部表面分离，气流不会在内部分流可以使气流直接从内部流过，不会产生阻塞，避免内部流场干扰外部流场，气流不会在外表面分离，可以避免气流对列车周围的干扰。
12.上述的用于风洞实验的桥梁，优选的，所述导流结构为设于所述顶板、侧板和底板端部的圆角结构，所述外导流面和内导流面对称布置。具体的，对顶板、侧板和底板端部倒圆角处理形成导流结构，内导流面为圆角结构靠导流腔一侧的表面，外导流面为圆角结构朝外一侧的表面，外导流面和内导流面平滑连续过渡，二者的分界点位于圆角圆弧的中点，从而形成对称布局的结构，即圆角结构的半径为板厚度的一半。圆角结构类似半圆柱体的侧面，该结构能够保证轨道梁前端横断面的导流效果，更好的避免气流在轨道梁本体的内部和外部表面分离，以防止分离后的气流影响导流腔内和轨道梁本体外的流场，进一步减少列车周围的气流干扰，从而提高实验精度。
13.上述的用于风洞实验的桥梁，优选的，所述顶板、侧板和底板的厚度为5～10mm。板面材料越薄越有利于缓解或者消除轨道梁前端的流动分离，保障气流平顺的流过轨道梁导流腔和轨道梁外部表面。
14.上述的用于风洞实验的桥梁，优选的，所述桥梁上设有用于停放磁浮列车模型的
测试区，所述测试区的起点距离所述轨道梁本体的迎风端端面的距离为m，40mm≤m≤50mm。由于轨道梁上的附面层的厚度随长度的增加而增厚，其厚度越厚对结果的影响越大，应该尽量消除或减小，特别对于磁浮列车的风洞实验，由于轨道梁和列车的底部和侧部的缝隙非常小，附面层很快将该缝隙淹没，严重干扰底部流场，给测量结果带来较大误差，因此合理控制距离m能够有效控制附面层厚度，进而提高实验测量精度。
15.上述的用于风洞实验的桥梁，优选的，所述梁柱与轨道梁本体的端部之间的距离为l。轨道梁本体的前部和后部均为悬臂支撑，悬臂长度越长，实验中抖动越剧烈，抖动将给桥面以上的气流产生垂向的速度，使列车底部流场发生变化，给测量带来较大误差，合理控制l值能有效减少抖动，进而降低实验测量的误差，提高测量精度。
16.与现有技术相比，本发明的优点在于：
17.本发明的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁梁柱，通过其特殊的外形结构设计，可以大幅减小实验中高速列车轨道梁梁柱侧面和尾部的漩涡的影响，不会影响高速列车周围的流场，通过大幅延迟气流的分离，大幅减小尾涡的尺度，最终减小梁柱尾涡产生的气动噪声，减小了高速列车气动噪声的测量误差，大幅提高了风洞实验的测量精度。
附图说明
18.图1是现有技术风洞实验中第一种桥梁梁柱的结构示意图。
19.图2是现有技术风洞实验中第二种桥梁梁柱的结构示意图。
20.图3是现有技术风洞实验中第三种桥梁梁柱的结构示意图。
21.图4是实施例1风洞实验中桥梁梁柱的结构示意图。
22.图5是实施例1中桥梁梁柱的横截面图。
23.图6是实施例2中用于风洞实验的桥梁的立体结构图。
24.图7是对比例1中用于风洞实验的桥梁的立体结构图。
25.图8是图6中a的局部放大图。
26.图9是实施例2的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁的横截面图。
27.图10是图9中b的局部放大图。
28.图11是实施例2的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁的纵截面图。
29.图12是图11中c的局部放大图。
30.图13是本发明的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁的导流效果示意图。
31.图14是实施例1中桥梁高度方向截面压力云图。
32.图15是实施例1中桥梁高度方向截面速度云图。
33.图16是实施例1中的涡量图。
34.图17是实施例1的涡量俯视图。
35.图18是对比例1中桥梁高度方向截面压力云图。
36.图19是对比例1中桥梁高度方向截面速度云图。
37.图20是对比例1中的涡量图。
38.图21是对比例1的涡量俯视图。
39.图22是对比例2中桥梁高度方向截面压力云图。
40.图23是对比例2中桥梁高度方向截面速度云图。
41.图24是对比例2中的涡量图。
42.图25是对比例2的涡量俯视图。
43.1、轨道梁本体；11、顶板；12、侧板；13、底板；14、导流结构；141、外导流面；142、内导流面；2、导流腔；3、梁柱；a、第一端；b、第二端。
具体实施方式
44.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
45.实施例1：
46.如图4和图5所示，本实施例的用于风洞实验的桥梁包括轨道梁本体1和梁柱3，本实施例的轨道梁本体1采用现有轨道梁结构。
47.本实施例的梁柱3的横截面沿轴线对称，梁柱3的横截面呈中部向外凸出、两端向内收缩的扁平水滴状，且中部与两端通过平滑的弧线连接形成流线型结构，梁柱3的横截面的两端分别为第一端a和第二端b，第一端a和第二端b的端头均呈圆弧状，且第一端a的端头圆弧半径大于第二端b的端头圆弧半径。具体的，梁柱3的横截面由第一端a至第二端b呈先向外凸出，然后向内收缩的形状，最大凸出部位于梁柱3横截面中部且偏向于第一端a，梁柱3横截面整体呈光滑连续的流线型。
48.本实施例中，梁柱3的横截面的长度s为7165.7，宽度w为864.9，第二端b的端头圆弧半径r为25.2。
49.本实施例中，梁柱3的轴线与轨道梁本体1的轴线重合，第一端a正对迎风面设置，即梁柱3位于轨道梁本体1横向的中心位置。
50.本实施例中，梁柱3等间距的设有多个，相邻梁柱3的第一端a与第一端a相对，或相邻梁柱3的第二端b与第二端b相对。即相邻梁柱3的设置方向相反。
51.实施例2：
52.如图6、图8至图13所示，本实施例的用于风洞实验的桥梁包括轨道梁本体1和梁柱3，本实施例的梁柱3与实施例1相同，主要不同之处在于轨道梁本体1的区别。
53.本实施例的轨道梁本体1的内部设有沿长度方向延伸的导流腔2，导流腔2将轨道梁本体1的两端连通并形成供气流流过的通道。由于气流能从导流腔2中穿过，因此本实施例的轨道梁能将轨道梁本体1的前沿对流场产生的影响从分米尺度降低至毫米尺度，进而缩短列车头部与轨道梁本体1前沿的距离，减小附面层对实验结果的影响。现有技术以轨道梁的宽度为特征长度，在8～10倍特征长度以后，轨道梁本体1前沿的影响比较小，此时，轨道梁本体1前沿离列车的头部距离为2.4～3.0m(模型比例按照1:10为例)，即使对轨道梁本体1的前沿进行流线型化，该距离也需要1.5～2.0米；本实施例中，轨道梁本体1中设有导流腔2，气流从导流腔2中穿过，对列车流场的影响为轨道梁本体1的厚度，该厚度为5mm，其影响范围为8～10倍特征长度，轨道梁本体1前沿距离列车头部的距离只需要40～50mm即可有效降低扰流的影响。
54.降低了轨道梁本体1前沿距离列车的头部距离后，列车头部下轨道梁本体1上表面的附面层厚度明显降低。若风洞中空气密度为1.225kg/m3，吹风风速为60m/s，现有技术中，轨道梁本体1前沿距离列车头部的距离x为2.0m时，依据平板负面层的计算公式
假定轨道梁本体1前沿流线型化非常完美，不会产生附面层分离，此时，列车头部下轨道梁本体1上表面的附面层厚度为3.5mm，磁浮列车底部离桥梁的距离为18.75mm，附面层已经将该缝隙阻塞；本实施例中，列车头部下轨道梁本体1上表面的附面层厚度为0.55mm，因此采用本实施例的轨道梁大幅降低了附面层对实验测试精度的影响。
55.本实施例中，轨道梁本体1的迎风端为不具有突出部的平面结构。具体的，本实施例的轨道梁本体1两端的端面均为平面，没有设置任何斜切面而形成突出部，缩减了轨道梁本体1的长度，有利于减少附面层的厚度和悬臂长度，提高实验测试精度。
56.本实施例中，轨道梁本体1包括顶板11、侧板12和底板13，顶板11、侧板12和底板13围合构成具有导流腔2的轨道梁本体1。顶板11、侧板12和底板13的厚度为5mm。具体的，顶板11和底板13均为平板，且顶板11和底板13平行设置，顶板11的宽度大于底板13的宽度，侧板12设有两块，且相对于轨道梁的轴线对称设置，侧板12被制作成特定的形状，侧板12包括磁浮轨道功能区和弯折区，磁浮轨道功能区通过一竖向侧边与顶板相连，弯折区的一端与磁浮轨道功能区相连，弯折区的另一端与底板13相连，弯折区整体呈现内凹的形状，两块对称的侧板12弯折区内凹形成上窄下宽的形状。该轨道梁本体1结构能够与导流腔2更好地形成配合，降低端部气流干扰，有利于提高实验精度。
57.本实施例中，顶板11、侧板12和底板13的端部沿厚度方向均设有流线型的导流结构14，导流结构14包括外导流面141和内导流面142，内导流面142用于引导气流朝导流腔2内流动，外导流面141用于引导气流朝导流腔2外流动。导流结构14为设于顶板11、侧板12和底板13端部的圆角结构，外导流面141和内导流面142对称布置。具体的，外导流面141靠外侧，内导流面142靠内侧，对轨道梁本体1的迎风端端面倒圆角形成导流结构14，圆角半径为板厚的一半。如图13所示，流场从远端抵达轨道梁前端，由于构成轨道梁本体1的板面结构本身厚度仅有5mm，且各板面前端均采用了弧形圆角的导流结构14，这样壁面前端方形结构导致的流场流动分离现象(如果不采用圆角结构，气流吹到未设置圆角结构的端部时，流场会一部分会上扬，一部分往下流动)，即流场流经流线型的导流结构14时会较为平顺的沿着上下两个导流面分别进入外部空间和轨道梁的导流腔2内部。导流结构14极大的削弱了轨道梁自身结构参数和外形对流场的干扰，从而保证作用于列车的流场结构的真实性和准确性。
58.本实施例中，轨道梁上设有用于停放磁浮列车模型的测试区，测试区的起点距离轨道梁本体1的迎风端端面的距离为m，40mm≤m≤50mm。本实施例中，梁柱3与轨道梁本体1的端部之间的距离l为0.2m。风洞的转盘尺度都有限，一般只允许在转盘内部范围设置梁柱3，否则，轨道梁无法做偏角度的横风实验，因此梁柱3与轨道梁本体1的端部之间的距离均属于悬臂支撑，悬臂长度越长，实验中抖动越剧烈，抖动将给桥面以上的气流产生垂向的速度，使车底部流场发生变化，给测量带来较大误差。现有技术模型比例按照1:10为例，其悬臂要比本实施例长约1.5～2.0米，因此，轨道梁本体1的刚度要非常大，才能降低抖动，而增大轨道梁本体1的刚度，会大幅增加制造和运输和安装成本。本实施例的轨道梁，轨道梁本体1前沿离列车的头部距离短，且无需设置突出的斜面导流，因此轨道梁的整体长度和悬臂长度均变短，可以大幅减小轨道梁的抖动，降低制造、运输和安装成本。
59.本实施例的磁浮列车的风洞实验方法，采用上述的用于风洞实验的桥梁进行实
验，包括以下步骤，
60.s1、将磁浮列车模型放置于轨道梁本体1上，磁浮列车模型的车头与轨道梁本体1的迎风端端面的距离为m，其中40mm≤m≤50mm；
61.s2、在轨道梁本体1的外侧上设置用于测试轨道梁本体1外部风速分布的风速测试传感器，具体的，在轨道梁迎风端后方的10mm、20mm、30mm、40mm处设置风速测试传感器，该传感器用于测试轨道梁腔体外部的风速分布，进而分析得到列车前端至轨道梁前端之间的附面层参数；
62.s3、在轨道梁本体1的导流腔2内设置用于测试导流腔2内流场流速分布情况的风速测试传感器，具体的，在轨道梁本体1截面的形心位置沿腔体方向布设与s2中相同位置的风速传感器，此外还在轨道梁长度的1/3、1/2、2/3以及出口位置设置风速传感器，用于测试轨道梁腔体内流场的流速分布情况，从而分析得到空腔式轨道梁的整体导流效果；
63.s4、在磁浮列车模型内安装测试仪器，具体的为测力天平、压力扫描阀等测试仪器；
64.s5、开启风洞风机，启动测试设备及软件，开始实验测试工作。
65.采用本实施例的风洞实验方法对磁浮列车模型进行测试，由于采用了上述的具有空心结构的轨道梁本体1，气流可以从导流腔2流过，降低了轨道梁本体1的前沿端面对轨道梁的流场产生影响，提高了测量精度；列车头部到轨道梁本体的迎风端端面的长度非常短，可以大幅减小桥梁附面层的厚度，也可以使桥梁前后端悬臂梁的长度大幅降低，减小桥梁抖动，减小对列车底部流场的影响，同时对桥梁梁柱进行了结构优化，避免梁柱尾涡产生的气动噪声造成误差，二者配合作用下，可最大程度的降低实验误差，进一步大幅提高测量精度。
66.对比例1：
67.如图7所示，本对比例的用于风洞实验的桥梁包括轨道梁本体1和梁柱3。
68.本对比例的梁柱3采用如图2所示的双圆柱梁柱3。
69.本对比例的轨道梁本体1与实施例2的轨道梁本体1相同。
70.对比例2：
71.如图3所示，本对比例的用于风洞实验的桥梁包括轨道梁本体1和梁柱3。
72.本对比例的梁柱3采用截面为两端半圆，中间为长方形的梁柱3。
73.本对比例的轨道梁本体1与实施例1的轨道梁本体1相同。
74.根据fluent分析软件，分别模拟实施例1、对比例1和对比例2在相同条件下运行时桥梁所受的阻力比例为1：3：5.2，此外分别示出了实施例1、对比例1和对比例2在相同条件下运行时，不同位置的压力云图、速度云图和涡量图，其中涡量图采用q等量等值面显示，同时采用速度进行渲染，具体参见图14-图25。从图中可知，对比例2单柱的气流扰动最大，产生的尾流非定常漩涡(参见各实施例或对比例的涡量图)及外侧脱出旋涡(参见各实施例或对比例的涡量俯视图)最多，对列车周围(参见各实施例或对比例的桥梁高度方向截面压力云图和速度云图，图中的黑色框内为距列车中心左右3米范围)气流产生影响最大，而实施例1的梁柱则小很多。
75.虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对
本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。