一种用于风洞实验的磁浮列车轨道梁及风洞实验方法

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及风洞实验方法。


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，磁浮列车绝大多数时间运行在轨道梁上，轨道梁的长度非常长，而风洞实验只能模拟有限的轨道梁长度，且无法模拟列车和轨道梁的相对运动，此外由于轨道梁的截面太大，轨道梁的前沿会对列车周围的流场有较大扰动，要避免这种干扰，需要轨道梁的前沿到列车头部的距离比较长，一般以梁的高度或宽度为特征长度，该长度需要8～10倍特征长度。但是，列车头部到轨道梁的前沿长度过长有两个缺陷：首先，轨道梁上的附面层的厚度随长度的增加而增厚，而该附面层在实际列车运行过程中是没有的，是风洞实验方法带来的，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。其次，风洞的转盘尺度都有限，轨道梁的前部和后部均为悬臂支撑，如果长度越长，实验中其抖动越剧烈，抖动将给轨道梁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。
3.现有的用于风洞实验的磁浮轨道梁为实心结构，为减小轨道梁的前沿产生的分离涡对列车头部的影响，图1至图3为单斜切式导流结构轨道梁，其轨道梁的迎风端前沿设有呈一定角度倾斜的单向导流结构，图4至图6为双斜切面导流结构轨道梁，其轨道梁的迎风端前沿则采用上下两面双向导流结构。现有的轨道梁的前沿均进行了导流处理，但轨道梁前沿产生的扰流仍会对列车头部造成一定的影响，此外，现有的导流结构的长度较长，导致列车头部到轨道梁的前沿仍存在较长的距离，附面层会对实验结果造成一定的影响，同时较长的导流结构导致悬臂支撑长度增加，悬臂抖动也会影响测量结果。


技术实现要素：

4.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轨道梁前沿产生的扰流，不会影响列车周围的流场，同时减小列车头部到轨道梁前沿的长度，以减小附面层的厚度，缩减轨道梁悬臂，大幅减小抖动，以提高实验测量精度的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，包括轨道梁本体，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。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。
7.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，优选的，所述轨道梁本体的迎风端为不具有突出部的平面结构。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。
8.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，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。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。
9.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，优选的，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。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。
10.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，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。
11.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，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。
12.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，优选的，所述轨道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。
13.上述的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，优选的，所述轨道梁的底部设有用于支撑轨道梁的梁柱。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。
14.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种使用上述磁浮列车轨道梁进行风洞实验的方法，包括以下步骤，
15.s1、将磁浮列车模型放置于轨道梁本体上，所述磁浮列车模型的车头与所述轨道梁本体的迎风端端面的距离为m；
16.s2、在轨道梁本体的外侧上设置用于测试轨道梁本体外部风速分布的风速测试传感器；
17.s3、在轨道梁本体的导流腔内设置用于测试导流腔内流场流速分布情况的风速测试传感器；
18.s4、在磁浮列车模型内安装测试仪器；
19.s5、开启风洞风机，启动测试设备及软件，开始实验测试工作。
20.上述的风洞实验方法，优选的，所述s1中40mm≤m≤50mm；
21.所述s2中风速测试传感器安装于距离轨道梁本体的迎风端10mm、20mm、30mm、40mm处；
22.所述s3中风速测试传感器安装于轨道梁本体截面的形心位置，且距离轨道梁本体的迎风端10mm、20mm、30mm、40mm处，此外还在轨道梁本体长度的1/3、1/2、2/3以及出口端设置风速测试传感器；
23.所述s4中的测试仪器为测力天平和压力扫描阀。
24.本发明的风洞实验方法，由于采用了上述的具有空心结构的轨道梁本体，气流可以从导流腔流过，降低了轨道梁本体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，进一步提高了测量的精度。
25.与现有技术相比，本发明的优点在于：
26.本发明的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，由于轨道梁本体为空心结构，吹来的气流从导流腔内穿过，因此轨道梁的前沿对轨道梁面的流场产生的影响由现有技术的分米尺度变位毫米尺度的影响，在降低了前沿扰流影响的条件下，列车头部距离轨道梁前沿的距离可大幅度缩小，因此，轨道梁上表面附面层的厚度大幅减小，避免了附面层对实验结果的影响，同时有利于降低悬臂抖动，大幅提高了风洞实验的测量精度。
附图说明
27.图1是现有磁浮列车风洞试验单斜切式导流结构轨道梁的立体结构图。
28.图2是现有磁浮列车风洞试验单斜切式导流结构轨道梁的横截面图。
29.图3是现有磁浮列车风洞试验单斜切式导流结构轨道梁的导流效果示意图。
30.图4是现有磁浮列车风洞试验双斜切面导流结构轨道梁的立体结构图。
31.图5是现有磁浮列车风洞试验双斜切面导流结构轨道梁的横截面图。
32.图6是现有磁浮列车风洞试验双斜切面导流结构轨道梁的导流效果示意图。
33.图7是本发明的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁的立体结构图。
34.图8是图7中a的局部放大图。
35.图9是本发明的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁的横截面图。
36.图10是图9中b的局部放大图。
37.图11是本发明的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁的纵截面图。
38.图12是图11中c的局部放大图。
39.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。
40.1、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。
具体实施方式
41.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。
42.如图7至图13所示，本实施例的用于风洞实验的磁浮列车轨道梁，包括轨道梁本体1，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。
43.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。
44.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。
45.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。
46.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。
47.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，轨道梁的底部设有用于支撑轨道梁的梁柱3，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。
48.本实施例的磁浮列车的风洞实验方法，采用上述的磁浮列车轨道梁进行实验，包括以下步骤，
49.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；
50.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；
51.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；
52.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；
53.s5、开启风洞风机，启动测试设备及软件，开始实验测试工作。
54.采用本实施例的风洞实验方法对磁浮列车模型进行测试可以获得精确的测试结果，实验误差小。
55.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。