专利名称：车辆气动力实车测试计算方法
技术领域：
本发明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车辆气动力实车测试计算方法。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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车辆气动力实车测试计算方法，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。
本发明所采用的技术方案如下 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。
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。
该车辆气动力实车测试计算方法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。本发明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，发明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。
本发明的有益效果在于，该车辆气动力实车测试计算方法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
对本发明作进一步的阐述。
图1为本发明具体实施方式
中表面压力测试系统方框图； 图2为本发明具体实施方式
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 该车辆气动力实车测试计算方法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，另一端接塑料软管。将拍式感压片无孔的一面与测点处的表面相贴，然后用一直径大于圆片直径一倍的不干胶纸将拍式感压片粘贴于车体表面。不干胶纸中心应开一直径为5mm的小孔，以免测压孔被堵死。将与拍式感压片相连的塑料软管沿车体外表面通过进线孔引入车内，再连接到车内的测压装置上。
列车表面压力测量是准稳态测量，在列车速度稳定后由计算机控制扫描阀完成数据采集。在扫描阀一次动作期间，列车表面某点的压力信号通过传感器转换成电信号，经功率放大器将该信号放大后传输到计算机中的A/D板，将模拟量转换成数字量。为提高测量的测量准确性，缩短测量时间，本实施方式采用了四个电子扫描阀同时工作的方式。表面压力分布测试系统框图如图1，图1中，测试设备采用美国SACNIVALVE电子扫描阀，扫描频率为50KHz，A/D转换为16位，数据采集速率为10万点/秒，压力传感器量程为±2.5PSID。压力校正系统采用实时联机校准技术。
另外，为了实时测试玻璃上的压力变化，还采用了动态压力测试系统进行瞬态压力测试。如图2所示，该动态压力测试系统根据所测参数分为三部分动态压力采集与数据处理系统、测速系统和测距系统。
本次车辆表面压力分布试验共布置187个稳态测点和4个瞬态压力测点。其中布置于迎风面的稳态测点31有54个、瞬态测点32有2个，布置于背风面的稳态测点31有54个、瞬态测点32有2个，如图3A所示；布置于车体顶部的稳态测点31有39个，如图3B所示；布置于车体底部的稳态测点31有26个，如图3C所示。布置于车辆前端和后端的稳态测点31各7个，如图3D。
整个压力测试采用全程记录的方式，根据列车安全运行现场试验测试点统计的时间和计算机采样的时间，找出对应时刻的测试结果。
对于每个矩形单元，其压力测点可为1、2、3、4，坐标分别为1(x1，y1，z1)、2(x2，y2，z2)、3(x3，y3，z3)、4(x 4，y4，z4)。对其中的任意一点P(x，y，z)的压力值可以由1、2、3、4点的值得到，若4个角点的压力值取为P1，P2，P3，P4，则中间任意点P(x，y，z)的值可以表示为 其中， 则整个单元上的压力为 P6＝∫∫Pdxdy(2-2) 整个单元产生的力矩为 M6＝∫∫PLdxdy (2-3) 其中L是P点到倾覆点的距离。
根据上述原理，可以求出每个单元上的力和力矩，矢量相加后，就得到了整个车的气动升力、横向力和倾覆力矩。计算时，可认为横向力和风速方向一致时为正，力矩向背离挡风墙一侧倾覆时为正，若力为正，倾覆点选取外侧接触斑，若横向力为负，倾覆点选取内侧接触斑。根据式(2-1)～(2-3)积分得到各工况的气动力计算结果如表1和表2。表1中，工况3.1在30秒的时间段内共采集了6组数据，在表面测点压力分布中选用的是最大的一组数据。在工况6.1中，在6分钟36秒的时间段内共采集了73组数据，其具体测试结果如表3。
从部分工况的表面压力分布测试结果可以看出，无挡风墙时，迎风面侧窗为正压，峰值达361Pa，背风面为负压；而在有挡风墙的地方，迎风面和背风面基本为负压。
表1从小草湖-红层段气动力测试结果
表2从红层-小草湖段气动力测试结果
表3工况6.1气动力测试结果
表4中列出了所有实车试验时经过每个测风点的气动横向力、升力和倾覆力矩测试结果和部分工况的数值模拟计算结果。从表中可以看出除气动升力外，横向力和倾覆力矩基本一致，说明此次采用的数值模拟计算是可信的。
表4实车试验和数值模拟计算结果对比
数值模拟计算 根据现场线路情况，这里选两种路堤情况进行进一步计算分析，一种是路堤高度(用H表示)为H＝0m，即平地的情况；另一种是H＝7.26m，即中等高度路堤的情况，挡风墙高度取HD＝3m，具体研究内容主要包括以下四个方面 (1)车辆位于一线与二线的气动性能对比研究 (2)有无路堤情况下车辆气动性能研究 (3)不同列车运行速度下车辆气动性能研究 (4)不同速度侧风作用下车辆气动性能研究 通过上述研究得出列车气动力(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。具体计算工况见表5。
表5强侧风作用下列车空气动力学性能计算工况
控制方程 描述列车周围空气流动的控制方程包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程，这里选取工程上应用较广的k-ε双方程模型。控制方程由下列方程组成
上述方程均忽略了空气的质量力。
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。上述方程组六个方程含有六个未知量u、v、w、P、k和ε，方程组封闭，可对它进行数值求解。
普通客车列车一般由十几节客车组成，长度在几百米以上。由于目前计算机硬件条件的限制，计算模型不可能完全模拟列车的真实情况，须抓住主要矛盾对列车某些结构尤其是车体底部进行简化，并缩短列车长度。否则将导致计算网格急剧增加，在现有计算机硬件条件下无法求解。具体简化措施为①去掉转向架和车底的一些细小设备；②列车计算模型取四车编组，即机车(东风11型内燃机车)加三节25K硬座客车，客车之间以风挡连接。由于中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已趋于稳定，车辆气动力变化也趋于稳定。
由于列车运动，同时有环境风作用，所以整个计算区域的长度方向以及宽度方向取值都较大，尽可能远离列车，以避免出口截面受到列车尾流的影响，便于出口边界条件的给定。空间网格采用四面体非结构网格，物面采用三角形网格。空间体单元大约为130万。本实施例所采用的计算区域如图4A和图4B所示。分两种路堤高度给出包括列车51、挡风墙52和路堤53的计算区域和计算坐标定义。
对于边界条件，由于列车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在区域边界上需给定边界条件。确定边界条件要求在数学上满足适定性，在物理上具有明显的意义。常用的列车外流场的数值模拟的边界条件有如下几种压力入口、压力出口、速度入口和壁面边界条件，壁面边界条件通常采用标准壁面函数。
本实施方式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。
有关气动参数的定义如下 动态气动力系数 静态气动力系数 动态倾覆力矩系数 静态倾覆力矩系数 上述各式符号分别表示 CF动态气动力系数，简称气动力系数，表示列车运行情况下的气动力系数，包括横向力系数CFy和升力系数CFz； F气动力，包括横向力Fy和升力Fz； ρ来流密度； u横向风速； V列车运行速度； CF0静态气动力系数，表示列车运行速度为零时的气动力系数，包括横向力系数Cfy0和升力系数Cfz0； F0列车速度为零时的气动力，包括横向力Fy0和升力Fz0； A计算横向力系数和倾覆力矩系数时指车体侧向迎风面面积，即车长乘以车高；计算升力系数时指车体底面面积，即车长乘以车宽 CMx倾覆力矩系数； M倾覆力矩； Hg车体重心参考高度，取距轨面2米的高度； CMx0车速为零时的倾覆力矩系数； M0车速为零时的倾覆力矩。
据此进行流场压力分布计算，得到路堤为0m和7.26m情况下列车处于不同线路时迎风、背风面和横截面压力分布图。分析图示可得到除机车外，三节客车的压力分布规律基本一致。由于侧面吹来的侧风受到挡风墙的拦截作用，使气流的速度、方向都发生了明显的变化，迎风面只有靠近车顶的小部分区域接近零压外，靠近底部的大部分区域都处于负压区；背风面均处于负压区。由于气流的绕流作用，车体顶部负压较大。路堤为0m时，迎风面的负压比背风面的负压小，从而产生正的横向力；路堤为7.26m时，迎风面的负压大于背风面的负压，从而产生负的横向力，即与风速方向相反的横向力。图5A和图5B为本实施例中列车以140km/h速度在一线运行时，在20.7m/s侧风作用下的车体横截面压力分布图。从图中可以看出，路堤高度H＝0m时，车体迎风面除接近车顶的小部分区域压力系数非常小外，其它部分均处于较大负压区；车体背风面和车底均处于较大负压区，压力系数约为-0.6；车顶负压最大，压力系数达-2.34。路堤高度H＝7.26时，由于路堤的加速效应，车体迎风面、背风面、车顶和车底均处于较大负压区，迎风面负压比背风面负压大，从而产生与风向相反的横向力。
通过对流场速度分布计算，可以得到路堤高度H＝0m和7.26m时的车体横截面速度分布示意图。由横截面速度图可知，环境风受到挡风墙的阻挡，速度、方向发生了明显改变，相应的对车体的作用力也相应的发生改变。在挡风墙和车体背面均产生漩涡。与平地上的情况相比，路堤上的气流由于路堤的导流作用，致使路堤旁大范围内的气流顺着路堤的陡坡向上爬，到达车体表面时，速度将增大，气流也变得紊乱，在车体背风面很大的范围内均有较大的漩涡。由路堤高度H＝0m和7.26m时的车体横截面流线图可知挡风墙与客车之间、客车背风面以及底架附近，均有涡流产生。有路堤时，由于路堤的导流作用使路堤旁大范围内的气流顺着路堤的陡坡向上爬，到达车体表面时，速度将增大，气流也更加紊乱，车体背风侧涡流影响的范围明显比无路堤时大，车体顶部也有涡流产生。漩涡随着风速的增大而增大，这是由于强侧风受到挡风墙的拦截，回绕过挡风墙顶部运行所致，风速越大，回绕的幅度也越大。
根据上述列车安全运行现场试验测试点统计对应的时刻，计算得到对应时刻车辆受到的气动力，见表6。
表6试车试验气动力测试结果
由于此次试验时，风速并不大(最大21.6m/s)，没有达到期望的十二级风，列车最高运行速度也仅130km/h，所以在更高风速和车速下的气动力计算结果依靠数值模拟计算得到。在评价列车运行安全性时，主要依靠倾覆力矩来评价，列车以140km/h运行时不同风速下的倾覆力矩计算结果如表6所示；在十二级环境风作用下，不同车速时的倾覆力矩计算结果如表7所示和表8，由于在平地上的倾覆力矩比在路堤上大，表7和表8给出了列车在平地上的计算结果。这些数据可以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。
表7列车以140km/h在不同横向风速下运行时气动力计算结果 表8十二级环境风下列车以不同速度运行时的气动力计算结果
权利要求
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算在内的流场数值计算。
4.根据权利要求3所述的车辆气动力实车测试计算方法，其特征在于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。
5.根据权利要求3所述的车辆气动力实车测试计算方法，其特征在于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。
6.根据权利要求3所述的车辆气动力实车测试计算方法，其特征在于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。
7.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。
全文摘要
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。
文档编号G01M17/007GK101650265SQ200910169989
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者梁习锋, 刘堂红, 高广军, 刘国伟, 鲁寨军, 伟 周, 王前选 申请人:中南大学