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专利名称：测量高速列车隧道空气阻力系数的动模型方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量高速列车隧道空气阻力系数的动模型方法及其应用。
背景技术：
随着，随着列车运行速度的提高，列车受到的阻力不断增大，其中空气阻力占的比例越来越大。由于列车空气阻力与列车运行速度平方成正比，当列车速度达到200km/h时，列车空气阻力约占列车总阻力的70%左右；当列车速度超过300km/h时，则要占85%以上。因此通过车体流线化，改善列车气动性能，实现减阻、节能，是高速铁路建设中的关键技术课题。国内外在开发高速铁路、研制高速列车的过程中，对测定列车空气阻力的方法及减小空气阻力的措施进行了大量的研究，主要的实验方法有实车实验和风洞试验。但对于高速列车初期研制选型，实车试验是不可能的，因此基本为风洞试验，只在定型后进行少量验证性实车实验。尽管风洞模型试验是研究列车气动特性中应用最广泛的手段之一。但是，由于其无法模拟列车、空气、地面和隧道四者之间的相对运动，所以无法在风洞实验中模拟列车穿越隧道的过程，也就无法利用风洞来测量列车穿越隧道过程的阻力系数。因此，目前国内外，仍然没有有效的实验手段，在设计阶段测量和评估列车通过隧道的阻力系数。但是列车穿越隧道过程的阻力系数，是决定列车牵引功率的最关键的因素，工程中亟须解决的问题。

发明内容
本发明的目的提出一种能真实模拟列车、空气、地面和隧道之间的相对运动的测量高速列车隧道空气阻力系数的动模型方法及其应用。本发明的目的通过下述技术方案予以实现:
动模型方法:
包括采用带隧道的动模型试验台和动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、绘制速度曲线、绘制加速度曲线、计算隧道空气阻力系数；其特征在于:所述场地设备准备包括以下步骤:
a、所述动车组模型为2-8节的1:10-30的实车模型，质量为10-30公斤，将动车组模型摆放在带隧道的动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；
b、所述带隧道的动模型试验台的两根轨道之间设置一条设定宽度的光线反射带；所述光线反射带的长度为隧道入口前设定距离，隧道全长和隧道出口后设定距离的总和；所述光线反射带由一组设定长度的黑色线段和一组设定长度的白色线段黑白相间交替连接而成，同组中的黑色线段等长，表面粗糟，反光性弱；同组中的白色线段等长，表面光亮，反光性强；
C、在指定动车组模型的底部，位于光线反射带的上方安装一个光电探头，光电探头的下平面与动车组模型底部的下平面平齐，尽量避免或减少光电探头对动车组模型底部流场的干扰；
d、在指定动车组模型的合适部位安装数据采集装置，数据采集装置的输入端连接光电探头，数据采集装置内设置数据存贮单元；
e、在动车组模型处于停止状态时，数据采集装置能够连接安装有专用软件的计算机，计算机获取数据存贮单元中的数据进行分析处理。所述采集数据的方法是:
f、在加速机构的作用下，动车组模型以设定的初速度运行到隧道入口前设定距离时开始自由滑行并穿过隧道，当动车组模型离开隧道出口设定距离时开始制动直到停止；
g、在动车组模型经过光线反射带上方的时间段里，光电探头的光源装置发出可见光线直射到光线反射带上，光线反射带的白色线段将可见光线反射到光电探头，光电探头的信号接收装置将接收到的反射光信号经过数字转化处理后的数据保存在数据采集装置的数据存贮单元中；
所述绘制速度曲线的方法是:
计算机连接数据采集装置，从数据采集装置的数据存贮单元中读取数据；
建立一个反射信号和时间的坐标体系，将白色线段反射的反射信号和对应的时间标注在时间坐标轴上；根据已知的动车组模型质量和滑行初速度，白色线段和黑色线段的长度，反射信号在时间坐标轴上的位置及时间长度，求得动车组模型通过相邻两同色线段之间距离的平均速度，绘制出动车组模型通过整个隧道过程中速度随时间变化的速度曲线并保存。所述绘制 加速度曲线的过程在计算机中进行，其方法是:
根据速度曲线，利用相邻两点的速度差和时间差之比，直接计算出被测模型列车通过相邻两同色线段之间距离的加速度，绘制出被测模型列车通过整个隧道过程中加速度随时间变化的加速度曲线并保存。所述计算隧道空气阻力系数的过程在计算机中进行，提取速度曲线和加速度曲线的数据，其计算方法如下:
将动车组模型的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和DaviS经验公式:
牛顿第二定律公式:动车组模型的总阻力=动车组模型的质量X加速度 Davis经验公式:动车组模型的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中，
隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X动车组模型横截面积X隧道空气阻力系数；
轮轨摩擦阻力:与动车组模型的质量成正比；
根据加速度曲线，依时间顺序每次选用2个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立两个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。将上述动模型方法在高速铁路线上的实际应用如下:
在高速铁路线上进行，并采用上述的方法和步骤；
所述计算隧道空气阻力系数的计算方法如下:
将被测列车的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和DaviS经验公式:牛顿第二定律公式:被测列车的总阻力=被测列车的质量X加速度Davis经验公式:被测列车的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其中，
隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X被测列车横截面积X隧道空气阻力系数；
轮轨摩擦阻力:与实车的质量成正比；
空调等换气引起的阻力:与实车运行速度成正比；
根据加速度曲线，依时间顺序每次选用3个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立三个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。本发明具有以下优点:一、提出测量列车过隧道过程阻力系数新方法，该方法科学合理，操作简单易行；二、能够真实地模拟列车、地面和空气和隧道四者之间的相对运动，测量精度高；三、能真实地测量列车过隧道时的阻力系数变化。


图1为实施例1的速度曲线；
图2为实施例1的加速度曲线；
图3的实施例1的阻力系数曲线。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明:
动模型方法:
包括采用带隧道的动模型试验台和动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、绘制速度曲线、绘制加速度曲线、计算隧道空气阻力系数；其特征在于:所述场地设备准备包括以下步骤:
a、所述动车组模型为2-8节的1:10-30的实车模型，质量为10-30公斤，将动车组模型摆放在带隧道的动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；
b、所述带隧道的动模型试验台的两根轨道之间设置一条设定宽度的光线反射带；所述光线反射带的长度为隧道入口前设定距离，隧道全长和隧道出口后设定距离的总和；所述光线反射带由一组设定长度的黑色线段和一组设定长度的白色线段黑白相间交替连接而成，同组中的黑色线段等长，表面粗糟，反光性弱；同组中的白色线段等长，表面光亮，反光性强；
C、在指定动车组模型的底部，位于光线反射带的上方安装一个光电探头，光电探头的下平面与动车组模型底部的下平面平齐，尽量避免或减少光电探头对动车组模型底部流场的干扰；
d、在指定动车组模型的合适部位安装数据采集装置，数据采集装置的输入端连接光电探头，数据采集装置内设置数据存贮单元；
e、在动车组模型处于停止状态时，数据采集装置能够连接安装有专用软件的计算机，计算机获取数据存贮单元中的数据进行分析处理。
所述采集数据的方法是:
f、在加速机构的作用下，动车组模型以设定的初速度运行到隧道入口前设定距离时开始自由滑行并穿过隧道，当动车组模型离开隧道出口设定距离时开始制动直到停止；
g、在动车组模型经过光线反射带上方的时间段里，光电探头的光源装置发出可见光线直射到光线反射带上，光线反射带的白色线段将可见光线反射到光电探头，光电探头的信号接收装置将接收到的反射光信号经过数字转化处理后的数据保存在数据采集装置的数据存贮单元中；
所述绘制速度曲线的方法是:
计算机连接数据采集装置，从数据采集装置的数据存贮单元中读取数据；
建立一个反射信号和时间的坐标体系，将白色线段反射的反射信号和对应的时间标注在时间坐标轴上；根据已知的动车组模型质量和滑行初速度，白色线段和黑色线段的长度，反射信号在时间坐标轴上的位置及时间长度，求得动车组模型通过相邻两同色线段之间距离的平均速度，绘制出动车组模型通过整个隧道过程中速度随时间变化的速度曲线并保存。所述绘制加速度曲线的过程在 计算机中进行，其方法是:
根据速度曲线，利用相邻两点的速度差和时间差之比，直接计算出被测模型列车通过相邻两同色线段之间距离的加速度，绘制出被测模型列车通过整个隧道过程中加速度随时间变化的加速度曲线并保存。所述计算隧道空气阻力系数的过程在计算机中进行，提取速度曲线和加速度曲线的数据，其计算方法如下:
将动车组模型的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式:
牛顿第二定律公式:动车组模型的总阻力=动车组模型的质量X加速度 Davis经验公式:动车组模型的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中，
隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X动车组模型横截面积X隧道空气阻力系数；
轮轨摩擦阻力:与动车组模型的质量成正比；
根据加速度曲线，依时间顺序每次选用2个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立两个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。将上述动模型方法在高速铁路线上的实际应用如下:
在高速铁路线上进行，并采用上述的方法和步骤；
所述计算隧道空气阻力系数的计算方法如下:
将被测列车的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式:
牛顿第二定律公式:被测列车的总阻力=被测列车的质量X加速度Davis经验公式:被测列车的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其中，
隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X被测列车横截面积X隧道空气阻力系数；
轮轨摩擦阻力:与实车的质量成正比；空调等换气引起的阻力:与实车运行速度成正比；
根据加速度曲线，依时间顺序每次选用3个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立三个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。在以下实施例中，所述光电探头和采集板的采样频率为10k。实施例1:
在高速列车动模型试验平台上，对城际动车组的模型进行空气阻力系数的测试，具体步骤如下:
a、动车组模型为3节的1:16.8的城际动车组的模型，质量为23公斤，将动车组模型摆放在带隧道的动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接；
b、带隧道的动模型试验台的隧道全长50米，在两根轨道之间设置一条长度为73米，宽度为2cm的光线反射带；光线反射带的长度为隧道入口前20米，隧道出口后3米；光线反射带由一组长度为IOcm的黑色线段和一组长度为IOcm的白色线段黑白相间交替连接而成；黑色段颜色要求比较深，表面粗糟，尽量不反光或反光非常弱；白色段颜色浅表面光洁，反射光强。C、在指定动车组模型的底部，位于光线反射带的上方安装一个光电探头，光电探头的下平面与动车组模型底部的下平面平齐，尽量避免或减少光电探头对动车组模型底部流场的干扰；
d、在指定动车组模型的合适部位安装数据采集装置，数据采集装置的输入端连接光电探头，数据采集装置内设置数据存贮单元； e、在动车组模型处于停止状态时，数据采集装置能够连接安装有专用软件的计算机，计算机获取数据存贮单元中的数据进行分析处理。所述采集数据的方法是:
f、在加速机构的作用下，动车组模型以每小时200公里的初速度运行到隧道入口前25米左右距离时开始自由滑行并穿过隧道，当动车组模型离开隧道出口 10米左右距离时开始制动直到停止；
g、在动车组模型经过光线反射带上方的时间段里，光电探头的光源装置发出可见光线直射到光线反射带上，光线反射带的白色线段将可见光线反射到光电探头，光电探头的信号接收装置将接收到的反射光信号经过数字转化处理后的数据保存在数据采集装置的数据存贮单元中；
绘制速度曲线的方法是:
计算机连接数据采集装置，从数据采集装置的数据存贮单元中读取数据；
建立一个反射信号和时间的坐标体系，将白色线段反射的反射信号和对应的时间标注在时间坐标轴上；根据已知的动车组模型质量和滑行初速度，白色线段和黑色线段的长度，反射信号在时间坐标轴上的位置及时间长度，求得动车组模型通过相邻两同色线段之间距离的平均速度，绘制出动车组模型通过整个隧道过程中速度随时间变化的速度曲线并保存。绘制加速度曲线的过程在计算机中进行，其方法是:
根据速度曲线，利用相邻两点的速度差和时间差之比，直接计算出被测模型列车通过相邻两同色线段之间距离的加速度，绘制出被测模型列车通过整个隧道过程中加速度随时间变化的加速度曲线并保存。计算隧道空气阻力系数的过程在计算机中进行，提取速度曲线和加速度曲线的数据，其计算方法如下:
将动车组模型的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式:
牛顿第二定律公式:动车组模型的总阻力=动车组模型的质量X加速度 Davis经验公式:动车组模型的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中，
隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X动车组模型横截面积X隧道空气阻力系数；
轮轨摩擦阻力:与动车组模型的质量成正比；
根据加速度曲线，依时间顺序每次选用2个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立两个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。实施例2:
与实施例1基本相同，不同的是采用实车进行。所述计算隧道空气阻力系数的计算方法如下:
将被测列车的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式:
牛顿第二定律公式:被测列车的总阻力=被测列车的质量X加速度Davis经验公式:被测列车的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其中，
隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X被测列车横截面积X隧道空气阻力系数；
轮轨摩擦阻力:与实车的质量成正比；
空调等换气引起的阻力:与实车运行速度成正比；
根据加速度曲线，依时间顺序每次选用3个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立三个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。
权利要求
1.一种测量高速列车隧道空气阻力系数的动模型方法，包括采用带隧道的动模型试验台和动车组模型；所述方法的步骤包括场地设备准备、采集数据、绘制速度曲线、绘制加速度曲线、计算隧道空气阻力系数；其特征在于:所述场地设备准备包括以下步骤: a、所述动车组模型为2-8节的1:10-30的实车模型，质量为10-30公斤，将动车组模型摆放在带隧道的动模型试验台的钢轨上，并与加速机构连接； b、所述带隧道的动模型试验台的两根轨道之间设置一条设定宽度的光线反射带；所述光线反射带的长度为隧道入口前设定距离，隧道全长和隧道出口后设定距离的总和；所述光线反射带由一组设定长度的黑色线段和一组设定长度的白色线段黑白相间交替连接而成，同组中的黑色线段等长，表面粗糟，反光性弱；同组中的白色线段等长，表面光亮，反光性强； C、在指定动车组模型的底部，位于光线反射带的上方安装一个光电探头，光电探头的下平面与动车组模型底部的下平面平齐，尽量避免或减少光电探头对动车组模型底部流场的干扰； d、在指定动车组模型的合适部位安装数据采集装置，数据采集装置的输入端连接光电探头，数据采集装置内设置数据存贮单元； e、在动车组模型处于停止状态时，数据采集装置能够连接安装有专用软件的计算机，计算机获取数据存贮单元中的数据进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述采集数据的方法是: f、在加速机构的作用下，动车组模型以设定的初速度运行到隧道入口前设定距离时开始自由滑行并穿过隧道，当动车组模型离开隧道出口设定距离时开始制动直到停止； g、在动车组模型经过光线反射带上方的时间段里，光电探头的光源装置发出可见光线直射到光线反射带上，光线反射带的白色线段将可见光线反射到光电探头，光电探头的信号接收装置将接收到的反射光信号经过数字转化处理后的数据保存在数据采集装置的数据存贮单元中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述绘制速度曲线的方法是: 计算机连接数据采集装置，从数据采集装置的数据存贮单元中读取数据； 建立一个反射信号和时间的坐标体系，将白色线段反射的反射信号和对应的时间标注在时间坐标轴上；根据已知的动车组模型质量和滑行初速度，白色线段和黑色线段的长度，反射信号在时间坐标轴上的位置及时间长度，求得动车组模型通过相邻两同色线段之间距离的平均速度，绘制出动车组模型通过整个隧道过程中速度随时间变化的速度曲线并保存。
4.根据权利要求3或者所述的方法，其特征在于:所述绘制加速度曲线的过程在计算机中进行，其方法是: 根据速度曲线，利用相邻两点的速度差和时间差之比，直接计算出被测模型列车通过相邻两同色线段之间距离的加速度，绘制出被测模型列车通过整个隧道过程中加速度随时间变化的加速度曲线并保存。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:所述计算隧道空气阻力系数的过程在计算机中进行，提取速度曲线和加速度曲线的数据，其计算方法如下: 将动车组模型的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式:牛顿第二定律公式:动车组模型的总阻力=动车组模型的质量X加速度 Davis经验公式:动车组模型的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力；其中， 隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X动车组模型横截面积X隧道空气阻力系数； 轮轨摩擦阻力:与动车组模型的质量成正比； 根据加速度曲线，依时间顺序每次选用2个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立两个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。
6.一种根据权利要求1-5所述方法在高速铁路线上的实际应用，其特征在于: 在高速铁路线上进行，并采用权利要求1-5所述方法和步骤； 所述计算隧道空气阻力系数的计算方法如下: 将被测列车的质量 、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式: 牛顿第二定律公式:被测列车的总阻力=被测列车的质量X加速度Davis经验公式:被测列车的总阻力=隧道空气阻力+轮轨摩擦阻力+空调等换气引起的阻力；其中， 隧道空气阻力=0.5X空气密度X速度的平方X被测列车横截面积X隧道空气阻力系数； 轮轨摩擦阻力:与实车的质量成正比； 空调等换气引起的阻力:与实车运行速度成正比； 根据加速度曲线，依时间顺序每次选用3个相邻的加速度数据和对应的速度数据，建立三个方程求解出局部隧道空气阻力系数，最后绘制出局部隧道阻力系数随时间变化的隧道阻力系数曲线。
全文摘要
本发明公开了一种测量高速列车隧道空气阻力系数的动模型方法及其应用，所述动模型方法包括场地设备准备、采集数据、绘制速度曲线、绘制加速度曲线、计算隧道空气阻力系数；其主要步骤以下a、动车组模型摆放在带隧道的动模型试验台上与加速机构连接；b、设定光线反射带；c、安装光电探头；d、安装数据采集装置；e、在动车组模型停止状态时连接计算机；f、动车组模型以设定的初速度运行到隧道入口前设定距离时开始自由滑行并穿过隧道直到停止；g、光电探头发出可见光线到光线反射带上并接收反射光信号保存；绘制速度曲线和加速度曲线，将动车组模型的质量、速度和加速度代入牛顿第二定律公式和Davis经验公式计算隧道空气阻力系数。
文档编号G01M9/06GK103217270SQ20131013342
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者杨明智, 梁习锋, 黄莎, 李燕飞, 周丹, 李志伟, 张雷 申请人:中南大学