專利名稱：測量高速列車隧道空氣阻力系數的動模型方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量高速列車隧道空氣阻力系數的動模型方法及其應用。
背景技術：
隨著，隨著列車運行速度的提高，列車受到的阻力不斷增大，其中空氣阻力占的比例越來越大。由于列車空氣阻力與列車運行速度平方成正比，當列車速度達到200km/h時，列車空氣阻力約占列車總阻力的70%左右；當列車速度超過300km/h時，則要占85%以上。因此通過車體流線化，改善列車氣動性能，實現減阻、節能，是高速鐵路建設中的關鍵技術課題。國內外在開發高速鐵路、研制高速列車的過程中，對測定列車空氣阻力的方法及減小空氣阻力的措施進行了大量的研究，主要的實驗方法有實車實驗和風洞試驗。但對于高速列車初期研制選型，實車試驗是不可能的，因此基本為風洞試驗，只在定型后進行少量驗證性實車實驗。盡管風洞模型試驗是研究列車氣動特性中應用最廣泛的手段之一。但是，由于其無法模擬列車、空氣、地面和隧道四者之間的相對運動，所以無法在風洞實驗中模擬列車穿越隧道的過程，也就無法利用風洞來測量列車穿越隧道過程的阻力系數。因此，目前國內外，仍然沒有有效的實驗手段，在設計階段測量和評估列車通過隧道的阻力系數。但是列車穿越隧道過程的阻力系數，是決定列車牽引功率的最關鍵的因素，工程中亟須解決的問題。
發明內容
本發明的目的提出一種能真實模擬列車、空氣、地面和隧道之間的相對運動的測量高速列車隧道空氣阻力系數的動模型方法及其應用。本發明的目的通過下述技術方案予以實現:
動模型方法:
包括采用帶隧道的動模型試驗臺和動車組模型；所述方法的步驟包括場地設備準備、采集數據、繪制速度曲線、繪制加速度曲線、計算隧道空氣阻力系數；其特征在于:所述場地設備準備包括以下步驟:
a、所述動車組模型為2-8節的1:10-30的實車模型，質量為10-30公斤，將動車組模型擺放在帶隧道的動模型試驗臺的鋼軌上，并與加速機構連接；
b、所述帶隧道的動模型試驗臺的兩根軌道之間設置一條設定寬度的光線反射帶；所述光線反射帶的長度為隧道入口前設定距離，隧道全長和隧道出口后設定距離的總和；所述光線反射帶由一組設定長度的黑色線段和一組設定長度的白色線段黑白相間交替連接而成，同組中的黑色線段等長，表面粗糟，反光性弱；同組中的白色線段等長，表面光亮，反光性強；
C、在指定動車組模型的底部，位于光線反射帶的上方安裝一個光電探頭，光電探頭的下平面與動車組模型底部的下平面平齊，盡量避免或減少光電探頭對動車組模型底部流場的干擾；
d、在指定動車組模型的合適部位安裝數據采集裝置，數據采集裝置的輸入端連接光電探頭，數據采集裝置內設置數據存貯單元；
e、在動車組模型處于停止狀態時，數據采集裝置能夠連接安裝有專用軟件的計算機，計算機獲取數據存貯單元中的數據進行分析處理。所述采集數據的方法是:
f、在加速機構的作用下，動車組模型以設定的初速度運行到隧道入口前設定距離時開始自由滑行并穿過隧道，當動車組模型離開隧道出口設定距離時開始制動直到停止；
g、在動車組模型經過光線反射帶上方的時間段里，光電探頭的光源裝置發出可見光線直射到光線反射帶上，光線反射帶的白色線段將可見光線反射到光電探頭，光電探頭的信號接收裝置將接收到的反射光信號經過數字轉化處理后的數據保存在數據采集裝置的數據存貯單元中；
所述繪制速度曲線的方法是:
計算機連接數據采集裝置，從數據采集裝置的數據存貯單元中讀取數據；
建立一個反射信號和時間的坐標體系，將白色線段反射的反射信號和對應的時間標注在時間坐標軸上；根據已知的動車組模型質量和滑行初速度，白色線段和黑色線段的長度，反射信號在時間坐標軸上的位置及時間長度，求得動車組模型通過相鄰兩同色線段之間距離的平均速度，繪制出動車組模型通過整個隧道過程中速度隨時間變化的速度曲線并保存。所述繪制 加速度曲線的過程在計算機中進行，其方法是:
根據速度曲線，利用相鄰兩點的速度差和時間差之比，直接計算出被測模型列車通過相鄰兩同色線段之間距離的加速度，繪制出被測模型列車通過整個隧道過程中加速度隨時間變化的加速度曲線并保存。所述計算隧道空氣阻力系數的過程在計算機中進行，提取速度曲線和加速度曲線的數據，其計算方法如下:
將動車組模型的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和DaviS經驗公式:
牛頓第二定律公式:動車組模型的總阻力=動車組模型的質量X加速度 Davis經驗公式:動車組模型的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力；其中，
隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X動車組模型橫截面積X隧道空氣阻力系數；
輪軌摩擦阻力:與動車組模型的質量成正比；
根據加速度曲線，依時間順序每次選用2個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立兩個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。將上述動模型方法在高速鐵路線上的實際應用如下:
在高速鐵路線上進行，并采用上述的方法和步驟；
所述計算隧道空氣阻力系數的計算方法如下:
將被測列車的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和DaviS經驗公式:牛頓第二定律公式:被測列車的總阻力=被測列車的質量X加速度Davis經驗公式:被測列車的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力+空調等換氣引起的阻力；其中，
隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X被測列車橫截面積X隧道空氣阻力系數；
輪軌摩擦阻力:與實車的質量成正比；
空調等換氣引起的阻力:與實車運行速度成正比；
根據加速度曲線，依時間順序每次選用3個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立三個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。本發明具有以下優點:一、提出測量列車過隧道過程阻力系數新方法，該方法科學合理，操作簡單易行；二、能夠真實地模擬列車、地面和空氣和隧道四者之間的相對運動，測量精度高；三、能真實地測量列車過隧道時的阻力系數變化。
圖1為實施例1的速度曲線；
圖2為實施例1的加速度曲線；
圖3的實施例1的阻力系數曲線。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明:
動模型方法:
包括采用帶隧道的動模型試驗臺和動車組模型；所述方法的步驟包括場地設備準備、采集數據、繪制速度曲線、繪制加速度曲線、計算隧道空氣阻力系數；其特征在于:所述場地設備準備包括以下步驟:
a、所述動車組模型為2-8節的1:10-30的實車模型，質量為10-30公斤，將動車組模型擺放在帶隧道的動模型試驗臺的鋼軌上，并與加速機構連接；
b、所述帶隧道的動模型試驗臺的兩根軌道之間設置一條設定寬度的光線反射帶；所述光線反射帶的長度為隧道入口前設定距離，隧道全長和隧道出口后設定距離的總和；所述光線反射帶由一組設定長度的黑色線段和一組設定長度的白色線段黑白相間交替連接而成，同組中的黑色線段等長，表面粗糟，反光性弱；同組中的白色線段等長，表面光亮，反光性強；
C、在指定動車組模型的底部，位于光線反射帶的上方安裝一個光電探頭，光電探頭的下平面與動車組模型底部的下平面平齊，盡量避免或減少光電探頭對動車組模型底部流場的干擾；
d、在指定動車組模型的合適部位安裝數據采集裝置，數據采集裝置的輸入端連接光電探頭，數據采集裝置內設置數據存貯單元；
e、在動車組模型處于停止狀態時，數據采集裝置能夠連接安裝有專用軟件的計算機，計算機獲取數據存貯單元中的數據進行分析處理。
所述采集數據的方法是:
f、在加速機構的作用下，動車組模型以設定的初速度運行到隧道入口前設定距離時開始自由滑行并穿過隧道，當動車組模型離開隧道出口設定距離時開始制動直到停止；
g、在動車組模型經過光線反射帶上方的時間段里，光電探頭的光源裝置發出可見光線直射到光線反射帶上，光線反射帶的白色線段將可見光線反射到光電探頭，光電探頭的信號接收裝置將接收到的反射光信號經過數字轉化處理后的數據保存在數據采集裝置的數據存貯單元中；
所述繪制速度曲線的方法是:
計算機連接數據采集裝置，從數據采集裝置的數據存貯單元中讀取數據；
建立一個反射信號和時間的坐標體系，將白色線段反射的反射信號和對應的時間標注在時間坐標軸上；根據已知的動車組模型質量和滑行初速度，白色線段和黑色線段的長度，反射信號在時間坐標軸上的位置及時間長度，求得動車組模型通過相鄰兩同色線段之間距離的平均速度，繪制出動車組模型通過整個隧道過程中速度隨時間變化的速度曲線并保存。所述繪制加速度曲線的過程在 計算機中進行，其方法是:
根據速度曲線，利用相鄰兩點的速度差和時間差之比，直接計算出被測模型列車通過相鄰兩同色線段之間距離的加速度，繪制出被測模型列車通過整個隧道過程中加速度隨時間變化的加速度曲線并保存。所述計算隧道空氣阻力系數的過程在計算機中進行，提取速度曲線和加速度曲線的數據，其計算方法如下:
將動車組模型的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式:
牛頓第二定律公式:動車組模型的總阻力=動車組模型的質量X加速度 Davis經驗公式:動車組模型的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力；其中，
隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X動車組模型橫截面積X隧道空氣阻力系數；
輪軌摩擦阻力:與動車組模型的質量成正比；
根據加速度曲線，依時間順序每次選用2個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立兩個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。將上述動模型方法在高速鐵路線上的實際應用如下:
在高速鐵路線上進行，并采用上述的方法和步驟；
所述計算隧道空氣阻力系數的計算方法如下:
將被測列車的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式:
牛頓第二定律公式:被測列車的總阻力=被測列車的質量X加速度Davis經驗公式:被測列車的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力+空調等換氣引起的阻力；其中，
隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X被測列車橫截面積X隧道空氣阻力系數；
輪軌摩擦阻力:與實車的質量成正比；空調等換氣引起的阻力:與實車運行速度成正比；
根據加速度曲線，依時間順序每次選用3個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立三個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。在以下實施例中，所述光電探頭和采集板的采樣頻率為10k。實施例1:
在高速列車動模型試驗平臺上，對城際動車組的模型進行空氣阻力系數的測試，具體步驟如下:
a、動車組模型為3節的1:16.8的城際動車組的模型，質量為23公斤，將動車組模型擺放在帶隧道的動模型試驗臺的鋼軌上，并與加速機構連接；
b、帶隧道的動模型試驗臺的隧道全長50米，在兩根軌道之間設置一條長度為73米，寬度為2cm的光線反射帶；光線反射帶的長度為隧道入口前20米，隧道出口后3米；光線反射帶由一組長度為IOcm的黑色線段和一組長度為IOcm的白色線段黑白相間交替連接而成；黑色段顏色要求比較深，表面粗糟，盡量不反光或反光非常弱；白色段顏色淺表面光潔，反射光強。C、在指定動車組模型的底部，位于光線反射帶的上方安裝一個光電探頭，光電探頭的下平面與動車組模型底部的下平面平齊，盡量避免或減少光電探頭對動車組模型底部流場的干擾；
d、在指定動車組模型的合適部位安裝數據采集裝置，數據采集裝置的輸入端連接光電探頭，數據采集裝置內設置數據存貯單元； e、在動車組模型處于停止狀態時，數據采集裝置能夠連接安裝有專用軟件的計算機，計算機獲取數據存貯單元中的數據進行分析處理。所述采集數據的方法是:
f、在加速機構的作用下，動車組模型以每小時200公里的初速度運行到隧道入口前25米左右距離時開始自由滑行并穿過隧道，當動車組模型離開隧道出口 10米左右距離時開始制動直到停止；
g、在動車組模型經過光線反射帶上方的時間段里，光電探頭的光源裝置發出可見光線直射到光線反射帶上，光線反射帶的白色線段將可見光線反射到光電探頭，光電探頭的信號接收裝置將接收到的反射光信號經過數字轉化處理后的數據保存在數據采集裝置的數據存貯單元中；
繪制速度曲線的方法是:
計算機連接數據采集裝置，從數據采集裝置的數據存貯單元中讀取數據；
建立一個反射信號和時間的坐標體系，將白色線段反射的反射信號和對應的時間標注在時間坐標軸上；根據已知的動車組模型質量和滑行初速度，白色線段和黑色線段的長度，反射信號在時間坐標軸上的位置及時間長度，求得動車組模型通過相鄰兩同色線段之間距離的平均速度，繪制出動車組模型通過整個隧道過程中速度隨時間變化的速度曲線并保存。繪制加速度曲線的過程在計算機中進行，其方法是:
根據速度曲線，利用相鄰兩點的速度差和時間差之比，直接計算出被測模型列車通過相鄰兩同色線段之間距離的加速度，繪制出被測模型列車通過整個隧道過程中加速度隨時間變化的加速度曲線并保存。計算隧道空氣阻力系數的過程在計算機中進行，提取速度曲線和加速度曲線的數據，其計算方法如下:
將動車組模型的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式:
牛頓第二定律公式:動車組模型的總阻力=動車組模型的質量X加速度 Davis經驗公式:動車組模型的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力；其中，
隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X動車組模型橫截面積X隧道空氣阻力系數；
輪軌摩擦阻力:與動車組模型的質量成正比；
根據加速度曲線，依時間順序每次選用2個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立兩個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。實施例2:
與實施例1基本相同，不同的是采用實車進行。所述計算隧道空氣阻力系數的計算方法如下:
將被測列車的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式:
牛頓第二定律公式:被測列車的總阻力=被測列車的質量X加速度Davis經驗公式:被測列車的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力+空調等換氣引起的阻力；其中，
隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X被測列車橫截面積X隧道空氣阻力系數；
輪軌摩擦阻力:與實車的質量成正比；
空調等換氣引起的阻力:與實車運行速度成正比；
根據加速度曲線，依時間順序每次選用3個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立三個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。
權利要求
1.一種測量高速列車隧道空氣阻力系數的動模型方法，包括采用帶隧道的動模型試驗臺和動車組模型；所述方法的步驟包括場地設備準備、采集數據、繪制速度曲線、繪制加速度曲線、計算隧道空氣阻力系數；其特征在于:所述場地設備準備包括以下步驟: a、所述動車組模型為2-8節的1:10-30的實車模型，質量為10-30公斤，將動車組模型擺放在帶隧道的動模型試驗臺的鋼軌上，并與加速機構連接； b、所述帶隧道的動模型試驗臺的兩根軌道之間設置一條設定寬度的光線反射帶；所述光線反射帶的長度為隧道入口前設定距離，隧道全長和隧道出口后設定距離的總和；所述光線反射帶由一組設定長度的黑色線段和一組設定長度的白色線段黑白相間交替連接而成，同組中的黑色線段等長，表面粗糟，反光性弱；同組中的白色線段等長，表面光亮，反光性強； C、在指定動車組模型的底部，位于光線反射帶的上方安裝一個光電探頭，光電探頭的下平面與動車組模型底部的下平面平齊，盡量避免或減少光電探頭對動車組模型底部流場的干擾； d、在指定動車組模型的合適部位安裝數據采集裝置，數據采集裝置的輸入端連接光電探頭，數據采集裝置內設置數據存貯單元； e、在動車組模型處于停止狀態時，數據采集裝置能夠連接安裝有專用軟件的計算機，計算機獲取數據存貯單元中的數據進行分析處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述采集數據的方法是: f、在加速機構的作用下，動車組模型以設定的初速度運行到隧道入口前設定距離時開始自由滑行并穿過隧道，當動車組模型離開隧道出口設定距離時開始制動直到停止； g、在動車組模型經過光線反射帶上方的時間段里，光電探頭的光源裝置發出可見光線直射到光線反射帶上，光線反射帶的白色線段將可見光線反射到光電探頭，光電探頭的信號接收裝置將接收到的反射光信號經過數字轉化處理后的數據保存在數據采集裝置的數據存貯單元中。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于:所述繪制速度曲線的方法是: 計算機連接數據采集裝置，從數據采集裝置的數據存貯單元中讀取數據； 建立一個反射信號和時間的坐標體系，將白色線段反射的反射信號和對應的時間標注在時間坐標軸上；根據已知的動車組模型質量和滑行初速度，白色線段和黑色線段的長度，反射信號在時間坐標軸上的位置及時間長度，求得動車組模型通過相鄰兩同色線段之間距離的平均速度，繪制出動車組模型通過整個隧道過程中速度隨時間變化的速度曲線并保存。
4.根據權利要求3或者所述的方法，其特征在于:所述繪制加速度曲線的過程在計算機中進行，其方法是: 根據速度曲線，利用相鄰兩點的速度差和時間差之比，直接計算出被測模型列車通過相鄰兩同色線段之間距離的加速度，繪制出被測模型列車通過整個隧道過程中加速度隨時間變化的加速度曲線并保存。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于:所述計算隧道空氣阻力系數的過程在計算機中進行，提取速度曲線和加速度曲線的數據，其計算方法如下: 將動車組模型的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式:牛頓第二定律公式:動車組模型的總阻力=動車組模型的質量X加速度 Davis經驗公式:動車組模型的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力；其中， 隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X動車組模型橫截面積X隧道空氣阻力系數； 輪軌摩擦阻力:與動車組模型的質量成正比； 根據加速度曲線，依時間順序每次選用2個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立兩個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。
6.一種根據權利要求1-5所述方法在高速鐵路線上的實際應用，其特征在于: 在高速鐵路線上進行，并采用權利要求1-5所述方法和步驟； 所述計算隧道空氣阻力系數的計算方法如下: 將被測列車的質量 、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式: 牛頓第二定律公式:被測列車的總阻力=被測列車的質量X加速度Davis經驗公式:被測列車的總阻力=隧道空氣阻力+輪軌摩擦阻力+空調等換氣引起的阻力；其中， 隧道空氣阻力=0.5X空氣密度X速度的平方X被測列車橫截面積X隧道空氣阻力系數； 輪軌摩擦阻力:與實車的質量成正比； 空調等換氣引起的阻力:與實車運行速度成正比； 根據加速度曲線，依時間順序每次選用3個相鄰的加速度數據和對應的速度數據，建立三個方程求解出局部隧道空氣阻力系數，最后繪制出局部隧道阻力系數隨時間變化的隧道阻力系數曲線。
全文摘要
本發明公開了一種測量高速列車隧道空氣阻力系數的動模型方法及其應用，所述動模型方法包括場地設備準備、采集數據、繪制速度曲線、繪制加速度曲線、計算隧道空氣阻力系數；其主要步驟以下a、動車組模型擺放在帶隧道的動模型試驗臺上與加速機構連接；b、設定光線反射帶；c、安裝光電探頭；d、安裝數據采集裝置；e、在動車組模型停止狀態時連接計算機；f、動車組模型以設定的初速度運行到隧道入口前設定距離時開始自由滑行并穿過隧道直到停止；g、光電探頭發出可見光線到光線反射帶上并接收反射光信號保存；繪制速度曲線和加速度曲線，將動車組模型的質量、速度和加速度代入牛頓第二定律公式和Davis經驗公式計算隧道空氣阻力系數。
文檔編號G01M9/06GK103217270SQ20131013342
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者楊明智, 梁習鋒, 黃莎, 李燕飛, 周丹, 李志偉, 張雷 申請人:中南大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
