一种列车气动减阻方法及系统

1.本技术涉及列车气动减阻技术领域，尤其涉及一种列车气动减阻方法及系统。


背景技术：

2.高速是轨道交通发展的永恒主题，然而随着列车运行速度的提高，气动减阻急剧增大，带来高能耗，对节能和环保提出新的挑战。当运行速度达到350km/h时，列车气动阻力占整车总阻力的85％左右，其中压差阻力占主导，是高速列车减阻节能的主要考虑因素。
3.列车表面压差阻力的形成，与其周围湍流流场的流速变化、流动分离、尾涡等密切相关。对于高速列车，流线型外形优化是最为有效的减阻方法。然而，当流线型长度达到一定值时，其减阻效果受限，很难再有显得重大突破，头型优化等流场被动控制方法的局限性愈发突出。因而国际上将研究热点转至具有巨大潜力的湍流流场主动控制方法，如尾部狭缝射流气动减阻方法、低密度气体喷射气动减阻方法。然而目前湍流流场主动控制，以降低摩擦阻力为主要目标，忽略了吹吸气控制的影响机理和减阻效果，对占主导地位的气动压差阻力影响机制尚不明确。如何在高速列车需要位置进行精准的气动减阻调控的问题，仍是该技术亟待解决的难题。


技术实现要素：

4.为此，本技术的实施例提供了一种列车气动减阻方法，能够采用列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构，并定位与气动减阻相关联的特殊流动位置，进一步分析确定具有减阻效果的主动减阻控制区域，在主动减阻控制区域设置气孔，分析得到列车气动减阻率随所述法向吹吸气速度的变化规律，并建立流速控制数据库，基于所述流速控制数据库，进行主动气动减阻控制，具体技术方案内容如下：
5.建立列车气动特性数值仿真模型，采用所述列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构，并定位与气动减阻相关联的特殊流动位置；
6.在所述特殊流动位置设置不同范围的吹吸气控制区域，并在所述列车气动特性数值仿真模型上分析所述吹吸气控制区域的法向吹气和法向吸气两种模式的减阻效果，根据减阻效果确定主动减阻控制区域，并在所述主动减阻控制区域设置气孔；
7.在所述主动减阻控制区域设置不同法向吹吸气速度，获得不同列车运行速度下，列车气动减阻率随所述法向吹吸气速度的变化规律，得到具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，并建立流速控制数据库；
8.基于所述流速控制数据库，进行主动气动减阻控制。
9.进一步地，所述基于所述流速控制数据库，进行主动气动减阻控制的步骤包括：
10.接收当前列车车速信息，从所述流速控制数据库中调取，所述当前列车车速信息下所述主动减阻控制区域对应的所述具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值；
11.基于所述具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，确定风机的转向
和实际转速值，输出风机转向控制指令和转速控制指令；其中，根据法向吹吸气模式确定风机转向，基于所述法向吹吸气速度值，根据速度与流量关系式得到初始气体流量，基于所述初始气体流量、系统流量损失率和冗余系数得到实际气体流量，基于所述实际气体流量和转速关系式得到风机的实际转速值；
12.基于所述风机转向控制指令和转速控制指令，控制输气管道的气体流经空气泵，并经所述气孔吹出或吸入。
13.进一步地，所述经所述气孔吹出或吸入之前，还包括：
14.控制流经空气泵的气体经设置在车体靠近壁面的流量阀。
15.进一步地，采用所述列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构的步骤包括：
16.利用三维软件建立列车真实结构几何模型；
17.在所述列车真实结构几何模型中建立数值计算区域，对所述列车真实结构几何模型进行网格划分，并设置所述列车真实结构几何模型的边界条件、湍流模型；
18.基于所述列车真实结构几何模型进行数值仿真和列车表面速度场和压力场可视化分析；
19.获取列车表面气体流速变化与列车表面压力之间的关系，并通过速度型分布曲线确定列车表面边界层的发展规律及边界层分离的位置。
20.进一步地，对所述列车真实结构几何模型进行网格划分的步骤包括：
21.采用结构化网格策略、非结构网格策略、多面体网格策略或混合网格策略对所述列车真实结构几何模型进行划分。
22.进一步地，采用所述列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构的步骤还包括：
23.将所述列车真实结构几何模型的流场参数的标准化残差数量级和湍流模型参数的标准化残差数量级设置为10-6
，离散项中各项选择二阶以上精度。
24.进一步地，所述与气动减阻相关联的特殊流动位置包括：附面层突变部位、流动分离部位、流动再附着部位和涡脱部位。
25.本技术某一实施例还提供一种列车气动减阻系统，应用所述的列车气动减阻方法，所述列车气动减阻系统包括流速控制模块、第一调控模块、空气泵控制模块和输气控制模块；
26.流速控制模块，用于接收当前列车车速信息，从所述流速控制数据库中调取所述当前列车车速信息下，所述主动减阻控制区域对应的所述具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值；
27.流速控制模块，用于接收当前列车车速信息，从所述流速控制数据库中调取所述当前列车车速信息下，所述主动减阻控制区域对应的所述具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值；
28.第一调控模块，用于获取所述法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，基于所述法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，确定风机的转向和实际转速值，输出风机转向控制指令和转速控制指令；其中，根据法向吹吸气模式确定风机转向，基于所述法向吹吸气速度值，根据速度与流量关系式得到初始气体流量，基于所述初始气体流量、系统流量损失率和
冗余系数得到实际气体流量，基于所述实际气体流量和转速关系式得到风机的实际转速值；
29.空气泵控制模块，用于获取所述风机转向控制指令和转速控制指令，基于所述风机转向控制指令和转速控制指令，调整空气泵的风机转向和转速，控制气体流经空气泵并经气孔吹出或吸入；
30.输气控制模块，用于控制输气管道为所述空气泵控制模块提供气体。
31.进一步地，所述列车气动减阻系统还包括流量阀调速模块；
32.所述流量阀调速模块，用于控制设置在车体靠近壁面的流量阀对从空气泵的流出的气体进行调节。
33.本技术某一实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上任意一项所述的列车气动减阻方法的步骤。
34.本技术某一实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以上任意一项所述的列车气动减阻方法的步骤。
35.综上所述，与现有技术相比，本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
36.1、通过确定列车周围湍流流场结构，以定位与气动减阻相关联的特殊流动位置，并在特殊流动位置设置不同范围的吹吸气控制区域，采用列车气动数值仿真模型分析吹吸气控制区域的法向吹气和法向吸气两种模式的减阻效果，以根据减阻效果确定主动减阻控制区域，进而能在主动减阻控制区域设置不同法向吹吸气速度，以获得不同列车运行速度下，列车气动减阻率随吹吸气速度的变化规律，得到具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，并建立流速控制数据库，根据流速控制数据库，进行主动气动减阻控制，进而实现在高速列车需要的位置进行精准的气动减阻调控的目的。
37.2、采用两级调控模块对法向吹吸气进行两级调速，可实现对列车进行更精准的气动减阻调控；
38.3、采用列车气动数值仿真模型分析的方法确定主动减阻控制区域和获得具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，不受实验条件限制，研究周期短、成本低。
附图说明
39.图1是本技术一实施例提供的一种列车气动减阻方法流程示意图；
40.图2是本技术一实施例提供的第一主动减阻控制区域的示意图；
41.图3是本技术一实施例提供的第二主动减阻控制区域的示意图；
42.图4是本技术一实施例提供的第三主动减阻控制区域的示意图；
43.图5是本技术一实施例提供的一种列车气动减阻率随吹吸气速度变化规律的示意图；
44.图6是本技术一实施例提供的一种列车气动减阻系统的示意图。
具体实施方式
45.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。
46.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
47.另外，本技术中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本技术中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
48.本技术中术语“第一”“第二”等字样用于对作用和功能基本相同的相同项或相似项进行区分，应理解，“第一”、“第二”、“第n”之间不具有逻辑或时序上的依赖关系，也不对数量和执行顺序进行限定。
49.下面结合说明书附图对本技术实施例作进一步详细描述。
50.参照图1，在本技术的一个实施例中，提供一种列车气动减阻仿真方法，所述方法的主要步骤描述如下：
51.s10：建立列车气动特性数值仿真模型，采用所述列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构，并定位与气动减阻相关联的特殊流动位置；
52.利用计算流体动力学的软件建立列车气动特性数值仿真模型，进行仿真模拟确定列车周围湍流流场结构，并定位与气动减阻相关联的特殊流动位置。基于空气动力学理论，采用cfd软件建立列车气动特性数值仿真模型。其中，湍流是流体的一种流动状态，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，这种状态成为层流，也被称为为稳流或片流；当逐渐增大流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及幅度随流速的增加而增加，此时的状态称为过渡流；当流速增大到很大时，流线不再清晰可见，流场中形成很多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动还有混合，此时形成湍流。
53.在本技术的实施例中，采用列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构的步骤包括：
54.采用三维软件建立列车真实结构几何模型，仿真模型包括头车、中车和尾车；三维软件可以使用cad、cam或cae任意一种，其中采用cfd前处理软件建立数值计算区域；采用cfd前处理软件进行网格划分。在计算流体力学中，网格为按照一定规律分布于流畅中的离散点的集合，产生这些节点的过程称为网格生成。网格生成是连接几何模型和数值算法的纽带，几何模型被划分为一定标准的网格时才能对其进行数值求解。网格划分越密，得到的结果就越精确，但耗时也越多。数值计算结果的精度及效率主要取决于网格及划分时所采用的策略。采用结构化网格策略、非结构网格策略、多面体网格策略或混合网格策略其中任意一种策略对所述列车真实结构几何模型进行划分。列车几何模型较简单时，采用结构化网格策略；列车几何模型复杂时，可采用非结构化网格、多面体网格策略或混合网格策略。列车周围2倍车高距离范围以及尾流区域是流场变化剧烈部位，需进行网格加密化处理；附面层网格对求解壁面流动很重要，边界层网格设置不少于10层，网格增长因子不大于1.2，
第一层网格长宽比不大于50；需建立粗糙网格层，中等网格层及精细网格层三种网格密度，进行网格无关性分析。
55.流场控制需精确模拟周围流场结构分布特性，包括流动分离和尾涡的精准模拟，因此采用非定常分离涡湍流模型，流场参数的标准化残差数量级和湍流模型参数的标准化残差数量级设置为10-6
，离散项中各项选择二阶以上精度，进一步提高计算精度。
56.基于流体力学相关理论基础和流场可视化软件，在列车真实结构几何模型上开展数值仿真分析，通过数据分析和列车周围速度场和压力场可视化分析，确定列车周围空气流速变化与列车表面压力之间的关联，获取列车周围气体流速与列车表面压力的对应关系；通过速度型分布曲线确定列车表面边界层的发展规律及边界层分离所在位置，揭示车身周围流向涡的产生机理及发展规律。
57.基于流体力学相关理论基础和流场可视化软件，开展数值仿真分析，通过数据分析和列车周围速度场和压力场可视化分析，确定列车周围空气流速变化与列车表面压力之间的关联，获取列车周围气体流速与列车表面压力的对应关系；进一步，通过速度型分布曲线确定列车表面边界层的发展规律及边界层分离所在位置，揭示车身周围流向涡的产生机理及发展规律。通过对湍流流场结构与列车气动阻力关联性的分析，定位湍流流动中附面层突变部位，流动分离部位，流动再附着部位和涡脱部位。这些位置属于与气动压差阻力相关联的特殊流动位置。
58.s20:在所述特殊流动位置设置不同范围的吹吸气控制区域，并在所述列车气动特性数值仿真模型上分析所述吹吸气控制区域的法向吹气和法向吸气两种模式的减阻效果，根据减阻效果确定主动减阻控制区域，并在所述主动减阻控制区域设置气孔；
59.在步骤s10确定的特殊流动位置设置不同范围的表面吹吸气控制区域，不同范围包括：特殊流动位置前方区域，包含特殊流动位置区域，特殊流动位置后方区域。分别对确定的控制区域进行法向吹气和法向吸气两种模式的减阻效果分析，确定具有减阻效果的区域为主动减阻控制区域，并在主动减阻控制区域设置气孔。经分析确定具有减阻效果的主动减阻控制区域包括：第一主动减阻控制区域，第二主动减阻控制区域，第三主动减阻控制区域。精准的确定列车需要进行气动减阻的位置，提高通过法向吹吸气进行气动减阻的效果。具体的，如图2所示，第一主动减阻控制区域为列车流线型车头于等截面车身过渡位置前方区域；如图3所所示，第二主动减阻控制区域为等截面车身于流线型车尾过渡位置后方区域；如图4所示，第三主动减阻控制区域为车尾鼻端包含流动分离点位置区域。
60.在列车第一主动减阻控制区域、第二主动减阻控制区域和第三主动减阻控制区域表面设置气孔，气孔布置采用等间距布置，孔径的大小可以根据车型具体尺寸、主型走线走向、倒角尺寸、强度要求等限制条件进行设计，但不宜过大而影响列车整体造型和安全性。
61.s30:在所述主动减阻控制区域设置不同法向吹吸气速度，获得不同列车运行速度下，列车气动减阻率随所述法向吹吸气速度的变化规律，得到具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，并建立流速控制数据库；
62.在主动减阻控制区域设置不同法向吹气或者法向吸气速度，获得不同列车运行速度下，列车气动减阻率随法向吹吸气速度的变化规律，得到具有减阻效果时法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，并据此建立流速控制数据库。如图5所示，给出了某型号列车气动减阻率随吹吸气速度变化规律，其中，v表示吹吸气速度值，v表示列车运行速度，据此变化
规律可以得到在当前车速下，具有减阻效果的吹吸气模式为法向吹气，且减阻率随吹气速度的增加而增大，当v/v为0.5，即法向吹气速度值为0.5倍列车运行速度时，气动减阻率最大。
63.s40:基于所述流速控制数据库，进行主动气动减阻控制。
64.基于流速控制数据库，选择当前车速下，各主动减阻控制区域，具有减阻效果的法向吹吸气模式和吹吸气速度值，进行主动气动减阻控制。
65.在某一个示例性的实施例中，基于流速控制数据库，进行主动减阻控制的步骤包括：
66.基于具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，确定风机的转向和实际转速值，输出风机转向和转速控制指令；其中，根据法向吹吸气模式确定风机转向，若法向吹气，则输出风机顺时针转动的指令；若为法向吸气，则输出风机逆时针转动的指令。基于法向吹吸气速度值，根据速度与流量关系式得到初始气体流量，基于所述初始气体流量、系统流量损失率和冗余系数关系式得到实际气体流量，基于实际气体流量和转速关系式得到风机的实际转速值。
67.其中，速度与流量关系式为：q1＝s
气孔
×n气孔
×
v，
68.q1表示初始风机流量，s
气孔
表示单一气孔有效面积，n
气孔
表示车体表面气孔数，v表示吹吸气速度值；
69.初始气体流量、系统流量损失率和冗余系数关系式为：q2＝q1/
×
c/η，
70.η表示系统流量损失率，c(c＞1)表示冗余系数；
71.实际气体流量和转速关系式：
72.n表示实际转速值，n0表示标定转速，q0表示标定转速下的流量。
73.基于风机转向控制指令和转速控制指令，控制输气控制模块的输气管道的气体流经第一调控模块的空气泵，并经气孔吹出或吸入。
74.在本技术实施例中，基于流速控制数据库，进行主动气动减阻控制的步骤还包括通过设置在车体靠近壁面的流量阀对从空气泵中流出的气体进行调节，具体的，根据实际气体流量，通过流量阀的阀芯控制阀口大小来对从空气泵中流出的气体进行二级精准调控，并经所述气孔吹出或吸入。通过空气泵和流量阀进行两级调节，使气体流速控制更加精准，达到更好的气动减阻效果。
75.如图6所示，本技术实施例还提供一种列车气动减阻系统，列车气动减阻系统包括流速控制模块、第一调控模块、空气泵控制模块、输气控制模块和流量阀调速模块；
76.流速控制模块，用于接收当前列车车速信息，从流速控制数据库中调取当前列车车速信息下，各主动减阻控制区域对应的具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值；
77.第一调控模块，用于接收具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，确定风机的转向和实际转速值，输出风机转向控制指令和转速控制指令；其中，基于法向吹吸气模式确定风机转向，基于法向吹吸气速度值，根据速度与流量关系式得到初始气体流量，进一步根据初始气体流量、系统流量损失率和冗余系数之间关系式得到实际气体流量，基于实际气体流量和转速关系式得到风机的实际转速值。
78.空气泵控制模块，用于接收风机转向控制指令和转速控制指令，控制气体流经空气泵，并经气孔吹出或吸入。
79.空气泵控制模块用于控制流经空气泵的气体经设置在车体靠近壁面的流量阀，并经所述气孔吹出或吸入。
80.输气控制模块，用于控制输气管道的气体流经空气泵和流量阀，并经所述气孔吹出或吸入。
81.本减阻系统采用空气泵和流量阀进行两级调速，即空气泵进行一级调速，流量阀进行二级精调，实现对吹吸气速度的精准调控，实现对列车进行更精准的气动减阻调控。
82.流速控制模块的流速控制数据库中心获取到当前车速v信息，调取当前车速下各主动减阻控制区域具有减阻效果的吹吸气模式和吹吸气速度值v；流速控制模块将法向吹吸气模式和法向吹吸气速度值v传输至第一调控模块；第一调控模块根据速度与流量关系式得到初始风机流量q1，同时根据系统流量损失率η和冗余系数c(c＞1)得到实际风机流量q2，根据风机流量与转速关系式得到实际转速值n，输出风机转向控制指令和转速控制指令；空气泵控制模块，根据风机转向控制指令和转速控制指令，调整空气泵的风机转向和转速，使输气管道的气体流经空气泵，再经过设置在车体靠近壁面的流量阀进行二次精调，并经气孔吹出或吸入。
83.其中，q1＝s气孔
×
n气孔
×
v，其中s气孔表示单一气孔有效面积，n气孔表示车体表面气孔数；q2＝q1/
×
c/η；其中n0表示标定转速，q0为标定转速下的流量。
84.其中，通过建立列车气动特性数值仿真模型，采用列车气动特性数值仿真模型确定列车周围湍流流场结构，并定位与气动减阻相关联的特殊流动位置；在特殊流动位置设置不同范围的吹吸气控制区域，并在列车气动特性数值仿真模型上分析吹吸气控制区域的法向吹气和法向吸气两种模式的减阻效果，根据减阻效果确定主动减阻控制区域，并在主动减阻控制区域设置气孔；在主动减阻控制区域设置不同法向吹吸气速度，获得不同列车运行速度下，列车气动减阻率随法向吹吸气速度的变化规律，得到具有减阻效果的法向吹吸气模式及法向吹吸气速度值，并建立流速控制数据库。
85.在本技术实施例的一个实施例中，提供一种电子设备，该电子设备可以是服务器。该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，易失性或非易失性存储设备包括但不限于：磁盘，光盘，eeprom(electrically-erasable programmable read only memory，电可擦除可编程只读存储器)，eprom(erasable programmable read only memory，可擦除可编程只读存储器)，sram(static random access memory，静态随时存取存储器)，rom(read-only memory，只读存储器)，磁存储器，快闪存储器，prom(programmable read-only memory，可编程只读存储器)。该电子设备的存储器为存储于其内部的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的列车气动减阻方法步骤。
86.在本技术的一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的列车气
动减阻方法步骤。所述计算机可读存储介质包括rom(read-only memory，只读存储器)、ram(random-access memory，随机存取存储器)、cd-rom(compact disc read-only memory，只读光盘)、磁盘、软盘等。
87.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将本技术所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。