一种高速列车升力翼连接杆导流罩及其设计方法与流程

1.本发明属于高速轨道交通领域，涉及一种高速列车升力翼连接杆导流罩及其设计方法。


背景技术：

2.随着列车运行速度提高，列车的空气动力阻力和轮轨磨耗将急剧增大。为减轻轮轨磨耗提升使用寿命，同时减小列车整车气动阻力达到节能降耗的目的，我们结合高速列车和航空飞行器的设计理念，提出了气动升力协同高速的变革性技术方案：在高速列车上安装一种类似于飞机机翼的列车车翼（统称“升力翼”），利用升力翼3提供的气动升力等效减轻列车的重量（如图1所示）。
3.受高铁车辆限界和建筑限界的影响，高速列车两侧和底部的空间十分有限，升力翼3只能安装在列车顶部。为达到等效减轻列车车体重量20%~30%的目的，每节车厢需采用串列方式安装多个升力翼3，升力翼3与车顶1之间通过转台2和连接杆4固定，下方通过控制电机5控制转动。连接杆4通过附属控制机构作动实现列车升力翼3的高度升降、角度俯仰和长度伸缩。如图2、图3所示，连接杆4采用标准化货架产品，数量为四根，其截面形状为方形。方形连接杆4易于加工，但空气动力学特性较差，尤其在来流速度较高的条件下，方形连接杆会产生相当大的气动阻力及紊乱的尾流流场，从而增加升力翼的总阻力并减小其升力。
4.现有的做法一般是通过圆柱形的壳体将连接杆4包裹起来例如公开号cn114954546a，发明名称为用于控制高速列车升力翼的方法、计算机设备和存储介质的发明专利以及公开号cn113602299a，发明名称为高速列车气动力调控的伸缩翼装置、高速列车及控制方法的发明专利等。尽管圆柱形的壳体相较于方柱形的连接杆在空气动力学上有一定的性能提升，但效果仍不理想。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高速列车升力翼连接杆导流罩及其设计方法，减小连接杆气动阻力，提升升力翼气动性能。
6.为了部分地解决或缓解上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：本发明的第一方面在于，提供了一种高速列车升力翼连接杆导流罩的设计方法，其包括：建立升力翼周围三维可压缩粘性流体运动控制方程，包含质量守恒方程、动量方程和能量方程；建立车顶、升力翼、连接杆，及横截面呈椭圆形的导流罩的仿真模型；确定计算域并划分网格，并在所述仿真模型周围设置若干层加密区将所述仿真模型包裹；设定计算条件：入口边界条件采用速度入口条件，给定来流速度；计算域地面、车-翼连接杆、简化所述车顶和升力设置为固定壁面，两侧和顶面均采用对称面。
7.作为一种改进，构建所述导流罩的仿真模型时，根据车-翼连接杆外形，配置所述导流罩的结构参数，得到多个两段式，且具有不同长轴、短轴比和高度的初始结构；相应地，分别计算每种初始结构下，所述导流罩、所述连接杆和所述升力翼组合的升力和阻力，并将其中气动总阻力最小的所述初始结构作为最优导流罩。
8.作为一种改进，将所述连接杆的仿真模型构建为两种不同截面的四方柱，将所述车顶的仿真模型构建为凸台。
9.作为一种改进，所述计算域为长方体，其长宽高分别为42倍升力翼弦长、18倍升力翼弦长、10倍升力翼弦长。
10.作为一种改进，升力翼仿真模型表面网格尺寸最大为8mm，连接杆仿真模型表面网格尺寸最大为6mm，车顶仿真模型表面网格尺寸最大为40mm；计算域入口、出口和地面网格尺寸最大为250mm，侧面和顶部网格尺寸最大为500mm；和/或，所述设定计算条件步骤中，采用压力基求解稳态流场，湍流模型为realizable k
–
ε模型，增强壁面函数；速度压力耦合为simple格式，空间离散格式中压力为标准格式，密度、动量、湍动能、湍流耗散率及能量采用二阶迎风格式。
11.本发明的第二方面，在于还提供一种高速列车升力翼连接杆导流罩气动性能验证方法，用于验证上述连接杆导流罩的气动性能，具体地，包括：建立升力翼周围三维可压缩粘性流体运动控制方程，包含质量守恒方程、动量方程和能量方程；建立车顶、升力翼、连接杆及导流罩的仿真模型；确定计算域并划分网格，并在仿真模型周围设置若干层加密区将仿真模型包裹；设定计算条件：入口边界条件采用速度入口条件，给定来流速度；计算域地面、车-翼连接杆、简化车顶和升力设置为固定壁面，两侧和顶面均采用对称面。
12.作为一种改进，将连接杆仿真模型构建为两种不同截面的四方柱，将车顶仿真模型构建为凸台。
13.作为一种改进，所述计算域为长方体，其长宽高分别为42倍升力翼弦长、18倍升力翼弦长、10倍升力翼弦长。
14.作为一种改进，升力翼仿真模型表面网格尺寸最大为8mm，连接杆仿真模型表面网格尺寸最大为6mm，车顶仿真模型表面网格尺寸最大为40mm；计算域入口、出口和地面网格尺寸最大为250mm，侧面和顶部网格尺寸最大为500mm。
15.作为一种改进，所述设定计算条件步骤中，采用压力基求解稳态流场，湍流模型为realizable k
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ε模型，增强壁面函数；速度压力耦合为simple格式，空间离散格式中压力为标准格式，密度、动量、湍动能、湍流耗散率及能量采用二阶迎风格式。
16.本发明的第三方面，在于还提供了基于上述的设计方法或验证方法得到的一种高速列车升力翼连接杆导流罩，用于包裹升力翼连接杆减小空气阻力，所述导流罩的横截面为椭圆形。
17.作为一种改进，所述导流罩横截面积由上至下递增。
18.作为一种改进，所述导流罩顶面椭圆形的长轴为所述连接杆高度的0.44倍~0.48倍，底面椭圆形的长轴为所述连接杆高度的0.56倍~0.6倍。
19.作为一种改进，所述导流罩的顶面椭圆形和底面椭圆形之间采用直线过渡。
20.作为一种改进，所述导流罩横截面的椭圆形长轴与短轴的比值为1~3。
21.作为一种改进，所述导流罩的高为所述连接杆高的0.4倍~0.44倍。
22.作为一种改进，所述导流罩的内壁与所述连接杆的外轮廓相接。
23.作为一种改进，所述导流罩由碳纤维材料或者铝合金制作，其壁厚为2 mm ~5mm。
24.作为一种改进，所述导流罩顶部设置有用于与所述升力翼连接的柔性风挡。
25.本发明的有益之处在于：具有上述结构的连接杆导流罩，几何结构紧凑、气动性能好，连接杆安装导流罩后气动阻力减小，列车升力翼气动性能将有明显提升。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
27.图1为气动升力协同高速列车的结构示意图；图2为升力翼的结构图；图3为连接杆示意图；图4为本发明的结构示意图；图5为本发明应用状态图；图6a为模型分段方式示意图；图6b为方案一示意图；图6c为方案二示意图；图6d为方案三示意图；图6e为方案四示意图；图7为仿真模型示意图；图8为验证方法的流程图；图9为翼型截面图。
28.图中标记：1车顶、2转台、3升力翼、4连接杆、5控制电机、6导流罩、7柔性风挡。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
31.为了降低风阻，本领域技术人员容易想到采用航空领域的翼型作为导流罩的外部形状。
32.在航空领域，参考国际上公开发布的翼型数据，如图9所示的对称翼型气动阻力最
小，常被用于制作风洞试验模型的腹部支撑装置。但是，对称翼型的最大厚度与弦长相比很小，例如naca0015翼型，其最大厚度是弦长的15%。如果采用对称翼型剖面形状的导流罩，为了将四根连接杆完全包裹住，导流罩的厚度至少应大于连接杆之间的最大间距x。由于连接杆最大间距与列车升力翼的宽度大致相等，其结果是翼型导流罩的长度将远大于列车升力翼的宽度（约为后者的7倍）。仿真结果表明，采用naca0015翼型剖面的导流罩尾流影响区范围大，将减小其上方和后方高速列车升力翼的气动升力，增大气动阻力，从而不利于整车节能降耗目标实现。
33.为了达到不仅要降低自身风阻，还要不影响后方升力翼3的气动升力的目的，如图4所示，本发明提供一种高速列车升力翼连接杆导流罩，用于包裹升力翼3、连接杆4减小空气阻力，该导流罩6的横截面为椭圆形，该椭圆形长轴与短轴的比值为1~3。
34.导流罩6在高度方向上并非等值拉伸，即高度方向上并非等大，而是横截面积由上至下递增。其中，导流罩6顶面椭圆形的长轴为连接杆4高度的0.44倍~0.48倍，底面椭圆形的长轴为连接杆4高度的0.56倍~0.6倍。并且顶面椭圆形和底面椭圆形之间采用直线过渡。
35.为了让整体结构更加紧凑，导流罩6的内壁与连接杆4外轮廓相接，也即连接杆内接于椭圆形的导流罩。
36.导流罩6的高为连接杆高的0.4倍~0.44倍。另外，如图5所示，由于升力翼3是上下运动的，因此刚性的导流罩6无法与升力翼3直联，因此导流罩6顶部设置有用于与升力翼3连接的柔性风挡7。柔性风挡7拉伸后的外形也可以沿用导流罩6的外形并按照导流罩的拉伸规律（从上到下递增）进行拉伸。
37.在材质方面，本发明中优选由碳纤维材料或者铝合金来制作导流罩6。为了保证强度，其壁厚为2 mm ~5mm。
38.作为一个最佳的方案，导流罩6横截面椭圆形的长轴和短轴的比值为1.4，顶面椭圆形的长轴为连接杆4高度的0.46倍，底面椭圆形的长轴为连接杆4高度的0.58倍，导流罩的高为连接杆4高的0.42倍。
39.如图6a所示，在确定了导流罩的横截面为椭圆形后，还需要确定导流罩高度方向的拉伸方案。设椭圆截面长轴长度为a，短轴长度为b。将导流罩分成两段，分别是p1-p2段和p2-p3段。设计4种椭圆截面导流罩拉伸方案，方案一如图6b所示为等截面的直杆，其椭圆长轴与短轴之比a/b为1.4；如图6c、图6d所示方案二和方案三的p2-p3段采用spline插值得到的样条曲线过渡，p1-p2段椭圆a/b =1.4，方案二p3位置a/b =1.7，方案三p3位置a/b =2；如图6e所示方案四从p1至p3采取直线过渡，p1位置a/b =1.4，p3位置a/b =2。
40.另外，定义升力翼尾缘距离车顶高度h1，定义导流罩高度为h2（即p2和p3之间的距离），为避免导流罩在升力翼高度升降过程中产生干涉，形成五个方案导流罩的高度方案,即h2/h1=0.42、0.50、0.58、0.67、0.75，分别命名为优化方案一~方案五。
41.导流罩的初始结构一共有4*5=20个，需要在其中选择一个最佳的初始结构。因此，本发明还提供一种高速列车升力翼连接杆导流罩气动性能验证方法，在上述20个方案中选择一个气动性能最佳的方案。
42.如图8所示，该验证方法具体包括：s1建立升力翼周围三维可压缩粘性流体运动控制方程，包含质量守恒方程、动量方程和能量方程。
43.在笛卡尔坐标系中，导流罩周围三维可压缩粘性流体运动可用质量守恒方程、动量方程和能量方程来描述：质量守恒方程：动量方程：其中，粘性应力。
44.能量方程：。
45.其中， 为微积分符号；为气体密度； 为时间；为气流速度； 为张量符号下标；i，j=1,2,3分别表示笛卡尔坐标系中的x,y,z三个方向；为直角坐标分量；为压力；为粘性应力张量分量；为动力黏性系数；为kronecker系数；为单位质量气体的体积力；为单位质量气体的总能，；为单位质量气体的内能；为单位质量气体的加热速率；为温度；为热导率。
46.s2建立车顶、升力翼、连接杆及导流罩的仿真模型。
47.真实的连接杆为4根，其中前后方向的两根形状相同，而左右方向的两根形状相同。在仿真计算中，将连接杆原始模型简化为两种不同截面的方柱形。简化时保证连接杆的迎风面积不变。连接杆在升力翼和车顶之间，其气动性能受到升力翼和车顶的影响，因此在数值仿真过程中，保留升力翼，并将车顶简化为一个凸台。简化后的仿真模型如图7所示。
48.s3确定计算域并划分网格，并在仿真模型周围设置若干层加密区将仿真模型包裹。
49.本发明中，计算域为长方体。取升力翼弦长为c（600mm）；车-翼连接杆下部高0.4c，上部分高0.5c；车顶模型宽5c，距离计算域两侧6.5c；计算域长42c，宽18c，高10c，连接杆距离上游入口17c。仿真模型网格尺寸在0.1mm~500mm区间，升力翼仿真模型表面网格尺寸最大为8mm，连接杆仿真模型表面网格尺寸最大为6mm，简化车顶仿真模型表面网格尺寸最大为40mm；计算域入口、出口和地面网格尺寸最大为250mm，侧面和顶部网格尺寸最大为500mm。为准确模拟升力翼周围流场，本发明中，在仿真模型周围设置3层加密区。加密区一将升力翼和连接杆包裹，加密区二将车顶模型、升力翼和车-翼连接杆包裹，加密区三将前两个加密区包裹。
50.s4设定计算条件：入口边界条件采用速度入口条件，给定来流速度；计算域地面、车-翼连接杆、简化车顶和升力设置为固定壁面，两侧和顶面均采用对称面。
51.模型选择及求解方法选取：采用压力基求解稳态流场，湍流模型选择realizable k
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ε模型，增强壁面函数。求解方法中，速度压力耦合选择simple格式；空间离散格式中，压力选择标准格式，密度、动量、湍动能、湍流耗散率及能量采用二阶迎风格式。
52.将上述20个导流罩设计方案通过上述步骤进行计算，得到导流罩、连接杆和升力
翼组合的升力和阻力计算结果，并从其中选择气动总阻力最小的方案作为最优方案即导流罩横截面椭圆形的长轴和短轴的比值为1.4，顶面椭圆形的长轴为连接杆的0.46倍，底面椭圆形的长轴为连接杆的0.58倍，导流罩的高为连接杆高的0.42倍。
53.在另一些实施例中，本发明还提供了一种上述导流罩的设计方法，其包括上述实施例的方法中的步骤s1-s4，不同的是，步骤s2中构建导流罩模型时：根据车-翼连接杆外形，配置导流罩的结构参数，得到多个初始结构；然后利用上述步骤s3-s4分别对多个初始结构的导流罩进行cfd计算，得到导流罩、连接杆和升力翼组合的升力和阻力计算结果，并从其中选择气动总阻力最小的方案作为最优方案。
54.在一些实施例中，该导流罩的结构参数包括椭圆形横截面的长轴、短轴，以及导流罩的段数和高度，令长轴长度为a，短轴长度为b，并且将导流罩分成两段，分别是p1-p2段和p2-p3段。首先，配置上述结构参数中的长轴、短轴和段数，得到4种椭圆截面导流罩拉伸方案，方案一为等截面的直杆，其椭圆长轴与短轴之比a/b为1.4；方案二和方案三的p2-p3段采用spline插值得到的样条曲线过渡，p1-p2段椭圆长轴与短轴之比a/b =1.4，方案二p3位置的长轴与短轴之比a/b =1.7，方案三p3位置的长轴与短轴之比a/b =2；方案四从p1至p3采取直线过渡，p1位置a/b =1.4，p3位置a/b =2。其次，配置导流罩高度。具体地，升力翼尾缘距离车顶高度h1，定义导流罩高度为h2（即p2和p3之间的距离），为避免导流罩在升力翼高度升降过程中产生干涉，形成五个方案导流罩的高度方案,即h2/h1=0.42、0.50、0.58、0.67、0.75，分别命名为方案一~方案五。
55.通过上述参数配置，得到了20种升力翼连接杆导流罩的初始结构；然后分别利用上述步骤s1-步骤s4对20种初始结构进行cfd计算，得到导流罩、连接杆和升力翼组合的升力和阻力计算结果，并从其中选择气动总阻力最小的初始结构作为最优方案。
56.在一些实施例中，该最优方案为：导流罩的横截面为椭圆形，长轴与短轴之比为1.4，导流罩在列车高度方向上非等值拉伸，底部椭圆长轴为连接杆高度的0.58倍，顶部椭圆长轴为连接杆高度的0.46倍，底部与顶部之间采用直线过渡。导流罩的高度为0.42倍连接杆高度，导流罩顶部与升力翼下翼面之间采用柔性风挡连接。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
57.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质 (如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台计算机终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
58.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多
形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种高速列车升力翼连接杆导流罩的设计方法，其特征在于包括：s1建立升力翼周围三维可压缩粘性流体运动控制方程，包含质量守恒方程、动量方程和能量方程；s2建立车顶、升力翼、连接杆，以及横截面呈椭圆形的导流罩的仿真模型；s3确定计算域并划分网格，并在所述仿真模型周围设置若干层加密区将所述仿真模型包裹；s4设定计算条件：入口边界条件采用速度入口条件，给定来流速度；计算域地面、车-翼连接杆、简化所述车顶和升力设置为固定壁面，两侧和顶面均采用对称面。2.根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩的设计方法，其特征在于：构建所述导流罩的仿真模型时，根据车-翼连接杆外形，配置所述导流罩的结构参数，得到多个两段式，且具有不同长轴、短轴比和高度的初始结构；相应地，分别计算每种初始结构下，所述导流罩、所述连接杆和所述升力翼组合的升力和阻力，并将其中气动总阻力最小的所述初始结构作为最优导流罩。3.根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩的设计方法，其特征在于：将所述连接杆的仿真模型构建为两种不同截面的四方柱，将所述车顶的仿真模型构建为凸台；和/或，所述计算域为长方体，其长宽高分别为42倍升力翼弦长、18倍升力翼弦长、10倍升力翼弦长。4.根据权利要求1或2或3所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩的设计方法，其特征在于：升力翼仿真模型表面网格尺寸最大为8mm，连接杆仿真模型表面网格尺寸最大为6mm，车顶仿真模型表面网格尺寸最大为40mm；计算域入口、出口和地面网格尺寸最大为250mm，侧面和顶部网格尺寸最大为500mm；和/或，所述设定计算条件步骤中，采用压力基求解稳态流场，湍流模型为realizable k
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ε模型，增强壁面函数；速度压力耦合为simple格式，空间离散格式中压力为标准格式，密度、动量、湍动能、湍流耗散率及能量采用二阶迎风格式。5.一种高速列车升力翼连接杆导流罩，用于包裹升力翼连接杆减小空气阻力，其特征在于：导流罩的横截面为椭圆形，椭圆形的所述横截面的长轴与短轴的比值为1~3，且导流罩的横截面积由上至下递增。6.根据权利要求5所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩，其特征在于：所述导流罩顶面椭圆形的长轴为连接杆高度的0.44倍~0.48倍，底面椭圆形的长轴为连接杆高度的0.56倍~0.6倍。7.根据权利要求5所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩，其特征在于：所述导流罩顶面椭圆形和底面椭圆形之间采用直线过渡。8.根据权利要求5所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩，其特征在于：所述导流罩的高为所述连接杆高的0.4倍~0.44倍。9.根据权利要求5所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩，其特征在于：所述导流罩的内壁与连接杆外轮廓相接。10.根据权利要求5至9中任一所述的一种高速列车升力翼连接杆导流罩，其特征在于：所述导流罩由碳纤维材料或者铝合金制作，其壁厚为2 mm ~5mm；和/或，所述导流罩顶部设置有用于与所述升力翼连接的柔性风挡。

技术总结
本发明属于高速轨道交通领域，具体公开了一种高速列车升力翼连接杆导流罩及其设计方法，该方法包括步骤：建立升力翼周围三维可压缩粘性流体运动控制方程，建立车顶、升力翼、连接杆及导流罩的仿真模型，确定计算域并划分网格，并在仿真模型周围设置若干层加密区将所述仿真模型包裹；然后设定计算条件，以分别计算通过结构参数配置得到的多个初始结构下，导流罩、连接杆和升力翼组合的升力和阻力，并将气动总阻力最小的作为最优导流罩；该最优导流罩用于包裹升力翼连接杆减小空气阻力，其横截面为椭圆形。具有上述结构的连接杆导流罩，几何结构紧凑、气动性能好，连接杆安装导流罩后气动阻力减小，列车升力翼气动性能将有明显提升。升。升。


技术研发人员：张军 高建勇 苏文 王瑞东 孙壮 倪章松 王茂 高广军 朱彦 王成强
受保护的技术使用者：成都流体动力创新中心
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/1/16