一种自适应等离子体减阻装置以及减阻控制方法与流程

本发明涉及列车气动技术领域，具体涉及一种自适应等离子体减阻装置以及减阻控制方法，更具体地涉及一种自适应等离子体的双向行驶列车减阻装置以及减阻控制方法。

背景技术：

高速铁路是我国电气化铁路发展的必然趋势，探索列车更高运营速度是目前铁路工作者追求的目标。自2004年起，我国高速列车进入快速发展阶段。随之而来的是列车空气阻力问题的日益加剧，当列车运行速度为200km/h时，空气阻力已达总阻力的70％，而我国目前的高速铁路服役速度已然高达350km/h。空气阻力问题日益加剧，列车气动特性亟待改善。

原有的列车减阻技术多集中于流线型车身设计与仿生非光滑表面的应用，但目前此种被动流动控制技术已陷入瓶颈，潜力有限。尽管现在存在着部分主动流动控制的技术，但依旧存在结构复杂、工作可靠性差等问题。并且在双向行驶列车减阻技术中，因其为双向行驶，因此往往需要安装正反两套的等离子减阻装置，并且还需要额外调控。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自适应等离子体减阻装置以及减阻控制方法，以解决现有列车尤其是双向行驶列车中主动减阻控制技术中结构复杂、工作可靠性差，还需安装正反两套的等离子减阻装置的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种自适应等离子体减阻装置，包括：暴露电极、绝缘介质和嵌入电极，暴露电极和嵌入电极分别设置在绝缘介质的上下两侧；暴露电极包括电极柄和电极齿，电极齿呈细丝状且均匀分布在电极柄的一侧；电极柄设置在绝缘介质上，电极齿的材料为柔性金属材料；嵌入电极设置在绝缘介质上且分别设置在电极柄的两侧，嵌入电极相距电极柄的距离大于电极齿的长度。

本发明采用的暴露电极其电极齿为细丝型柔性金属材质，其能随车体行驶的气流方向自动改变且调整电极齿的朝向且同气流方向一致，这时电极齿放电产生同气流方向一致的等离子体风，该等离子风与列车的行驶方向相适应，有效降低车体的空气阻力，从而起到减阻的效果。本发明的减阻装置中电极齿的朝向能与气流方向一致，因此可适应于双向行驶列车。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述电极齿远离电极柄的一端为尖端。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述嵌入电极分别对称设置在电极柄的两侧。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述电极柄的材料为铜。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述电极齿的材料为钨。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述嵌入电极的材料为铜。

一种自适应等离子体减阻控制方法，利用上述的自适应等离子体减阻装置，包括：

(1)将上述的自适应等离子体减阻装置安装在列车的顶部外侧，其中，嵌入电极密封在车体内部，绝缘介质和暴露电极位于列车外表面；

(2)在电极柄外施加高频交流高压电源，并且将嵌入电极接地；高频交流输出高压u，其范围为ul＜＜u＜ud；

其中，ul为电极齿的尖端距嵌入电极的距离l对应的击穿电压；ud为所述电极柄距嵌入电极的距离d对应的击穿电压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述高频交流输出高压u，

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以在不改变车体表面外形的情况下，由电极齿放电在车体表面形成一层等离子气流层来调控车身流场，从而减小车体所受空气阻力，进而起到减阻的效果；同时并不需要额外的控制元件，减小了安装成本。

2、本发明采用带尖端的暴露电极，因为其尖端效应可以有效降低绝缘介质表面的击穿电压，极大得改善了暴露电极的放电特性，能有效地加强等离子气流层的气流，从而提高了减阻的效果。这是因为通过控制尖端的位置可以有效控制放电的位置，在一定尺度下使得暴露电极放电更加均匀，所产生的气流更加稳定。再者击穿电压的降低会让放电更加频繁，并使得产生的气流更大。

3、本发明采用细丝型柔性金属材质的电极齿，其能随车体行驶的气流方向自动改变且调整电极齿的朝向且同气流方向一致，使得暴露电极产生与气流方向一致且与行驶方向相适应的等离子体风，从而可适用于双向行驶列车。附图说明

图1为本发明的等离子体减阻装置的结构示意图；

图2为本发明的等离子体减阻装置的侧视结构示意图；

图3为本发明的等离子体减阻装置中电极齿的结构示意图；

图4为本发明的暴露电极的气流速度测试图。

图中：100-暴露电极；110-电极柄；120-电极齿；121-尖端；200-绝缘介质；300-嵌入电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

请参照图1和图2，本发明的自适应等离子体减阻装置，包括：暴露电极100、绝缘介质200和嵌入电极300，暴露电极100和嵌入电极300分别设置在绝缘介质200的上下两侧。

请参照图1和图3，暴露电极100包括电极柄110和电极齿120，电极齿120均匀分布在电极柄110的一侧，在本实施例中，电极齿120呈密集分布，暴露电极100呈梳状。其中，电极柄110设置在绝缘介质200上，电极齿120呈细丝状，且电极齿120的材料为柔性金属材料，其能在车体的气流作用下，电极齿120以电极柄110为旋转轴做往复运动，从而自动改变且调整电极齿120的朝向，使得暴露电极100放电产生的等离子体风与列车的行驶方向相适应。电极齿120远离电极柄110的一端为尖端121，其能有效降低绝缘介质200表面的击穿电压，极大得改善了暴露电极100的放电特性，能有效地加强等离子气流层的气流，从而提高了减阻的效果。在本实施例中，电极柄110的材料为铜，铜材料的电极柄110其受流效果好且强度高，可将电极齿120固定在列车表面，同时将电流均匀传导给电极齿120；电极齿120的材料为钨，钨丝为耐高温的柔性金属材料，其可以随着车体行驶的气流更容易改变其朝向。绝缘介质200位于车体表面，在本实施例中采用耐温性能、绝缘性能良好的非金属材料，优选为石英玻璃。

请参照图1和图2，嵌入电极300设置在绝缘介质200上且分别设置在电极柄110的两侧，优选地，嵌入电极300部分埋设在绝缘介质200内部。嵌入电极300相距电极柄110的距离大于电极齿120的长度，且嵌入电极300密封在车体内部。在本实施例中，嵌入电极300分别对称设置在电极柄110的两侧。电极柄110外施高频交流高压电源，嵌入电极300接地；高频交流输出高压u，其范围为ul＜＜u＜ud；其中，ul为电极齿120的尖端121距嵌入电极300的距离l对应的击穿电压，其中l的范围为3mm-5mm；ud为电极柄110距嵌入电极300的距离d对应的击穿电压。由于高频交流输出高压u大于电极齿所对应的击穿电压ul，且小于电极柄所对应的击穿电压ud，因此只有电极齿所指向的一侧放电，产生顺着气流方向的等离子体风。优选地，高频交流输出高压u，在本实施例中，嵌入电极300的材料为铜，铜材料的嵌入电极300其受流效果好且强度高，可与暴露电极迅速产生等离子体。

对本发明中暴露电极和传统电极的气流速度进行测试，其结果如图4所示。其中，x轴的沿面距暴露电极距离表示：沿介质表面距离暴露电极尖端的距离

从图4可以看出，本发明的暴露电极其气流速度远远大于传统电极的气流速度，并且从其最大值来看，本发明的暴露电极的气流速度较传统电极提升了35.6％，说明本发明的暴露电极的性能要远好于传统电极。并且气流速度越大，减阻装置起到的减阻效果也越明显。

本发明的减阻装置的安装位置为车体顶部外表面，沿车体区域覆盖，主要是集中在车体形状变化较大的位置。

本发明的自适应等离子体减阻控制方法，包括：

(1)将上述的自适应等离子体减阻装置安装在列车的顶部外侧，其中，嵌入电极密封在车体内部，绝缘介质和暴露电极位于列车外表面；

(2)在电极柄外施加高频交流高压电源，并且将嵌入电极接地；高频交流输出高压u，其范围为ul＜＜u＜ud；

其中，ul为电极齿距嵌入电极的距离l对应的击穿电压；ud为所述电极柄距嵌入电极的距离d对应的击穿电压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述高频交流输出高压u，

本发明的工作原理及其过程：

当列车运行达到一定的时速，控制器打开本发明的自适应等离子体减阻装置的高频交流高压电源，将高频高压的交流电施加于暴露电极100和嵌入电极300之间，本发明的等离子体减阻装置开始工作，由于暴露电极100中的电极齿120采用细丝型的柔性金属材料，因此当列车的运行时速达到一定的值时，车体表面的高速气流会带动暴露电机的电极齿120以电极柄110为旋转轴发生旋转，这时电极齿120的朝向发生改变且顺同气流的方向进行排布。由于高频交流输出高压u大于电极齿120所对应的击穿电压ul，且小于电极柄110所对应的击穿电压ud，因此只有电极齿120所指向的一侧放电，产生顺着气流方向的等离子体风。当列车改变方向，本减阻装置的暴露电极100中的电极齿120会在高速气流的作用下被带向另一边，等离子体气流层的方向也随之改变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。