一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统

1.本发明涉及高速动车组气动减阻技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统。


背景技术：

2.高速动车组列车具有很大的长高比，在贴地高速运行中，出现了一系列与其他陆地车辆不同的空气动力学问题，与列车速度和运行环境等有很大关系。这些气动问题主要包括：列车交会、横风效应、隧道效应、气动噪声、气动阻力以及诱导尾流等，引起了很多学者和工程师的广泛关注和研究。其中气动阻力是列车空气动力学中最关键的影响因素，随着运行速度越来越快，列车气动阻力在运行阻力中逐渐占主导地位。当列车运行速度超过400km/h时，列车气动阻力在总阻力中占比也大幅提升到90％以上，严重影响列车运行经济性和环保性，并制约列车进一步提速。由于流线型车头的优化设计思路通过改变头部几何外形而改变相应的流场结构的传统方法已趋于极致，可优化的空间变得越来越小。
3.因此需要设计一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统。


技术实现要素：

4.根据上述提出现有的通过优化外形的减阻手段可优化空间越来越小的技术问题，而提供一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统。本发明主要利用在高速动车组的车尾设置吹气区域和小区域控制外部的气流，从而起到控制车尾的压差阻力增强减阻效果。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，包括：动车组车尾、吸气区域、吹气区域和气流模块，所述吸气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃上方的分界层分离处；所述吹气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃的下方；所述气流模块设置在所述动车组车尾的内部与所述吸气区域和所述吹气区域相连。
7.进一步的，所述气流模块包括吸气管路、透平式压缩机、储气罐和吹气管路，所述吸气管路、所述透平式压缩机、所述储气罐和所述吹气管路依次连接，所述吸气管路与所述吸气区域相连，所述吹气管路与所述吹气区域相连。
8.进一步的，所述吸气区域设置有五排每排16个吸气孔，单个所述吸气孔的直径和中心距均保持一致。
9.进一步的，所述吹气区域设置有五排每排16个吹气孔，单个所述吹气孔的直径和中心距均保持一致。
10.进一步的，当所述吸气区域和所述吹气区域的吹吸气总质量流量处于4.615kg/s时，尾车的压差减阻率范围值为7.5％～9.5％。
11.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
12.1、本发明提供的一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，在动车组尾部
设置吹吸气孔，通过吹吸气结合的组合方式，将车尾挡风玻璃上方的低负压区的空气通过车内流道转移到挡风玻璃下方的正压区，空气通过流道中的空压机得以转移，通过仿真计算发现，此设置仅对尾车的压差阻力具有减阻效果，不会对其他车厢的阻力造成影响，且吹吸气质量流速在一定范围内，压差减阻率会随着质量流速的变大和吹吸气口的排数增多呈正相关的关系。
13.基于上述理由本发明可在高速动车组气动减阻技术等领域广泛推广。
附图说明
14.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做以简单地介绍，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他的附图。
15.图1为本发明一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统的结构示意图。
16.图2为本发明一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统的右视图。
17.图3为本发明一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统的俯视图。
18.图4为本发明一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统的压力系数云图。
19.图5为本发明一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统的现有动车组列车在时速400km时尾部的边界层云图。
20.图6为本发明一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统的现有动车组列车在时速400km时尾部的压力系数云图。
21.图中：1、吸气管路；2、透平式压缩机；3、储气罐；4、吸气管路。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
23.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明
书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
27.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
28.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
29.如图1-6所示，本发明提供了一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，包括：动车组车尾、吸气区域、吹气区域和气流模块，所述吸气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃上方的分界层分离处；所述吹气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃的下方；所述气流模块设置在所述动车组车尾的内部与所述吸气区域和所述吹气区域相连；所述气流模块包括吸气管路41、透平式压缩机2、储气罐3和吹气管路，所述吸气管路41、所述透平式压缩机2、所述储气罐3和所述吹气管路依次连接，所述吸气管路41与所述吸气区域相连，所述吹气管路与所述吹气区域相连；所述吸气区域设置有五排每排16个吸气孔，单个所述吸气孔的直径和中心距均保持一致；所述吹气区域设置有五排每排16个吹气孔，单个所述吹气孔的直径和中心距均保持一致；当所述吸气区域和所述吹气区域的吹吸气总质量流量处于4.615kg/s时，尾车的压差减阻率范围值为7.5％～9.5％。
30.实施例1
31.如图1-6所示，本发明提供了一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，首先通过网格划分，并采用基于realizablek-ε的数值计算方法对三节编组列车的气动阻力特性进行探究，得到原车的车尾边界层云图和压力系数云图，见图5和图6。发现在气流流经车尾截面突变区域内，边界层逐步分离变厚，且边界层逐步按速度层级分层，由于流线型车尾上方的局部真空导致气流加速运动，形成负压区；气流通过车尾截面突变处后，速度变小，压强回正，由于车尾曲面的变化使边界层脱离列车表面，并在车尾鼻端附近形成正压。
32.根据高速列车在稳态运行时边界层及压力的分布情况，对尾车两个区域设置吹吸气孔以减小尾车的气动阻力。在尾车边界层分离区域设置吸气区，将低动量的流体移除，抑
制流动分离；在尾车鼻尖区域设置吹气区控制尾流流动以改善尾部气流结构。见图1，其中内部结构中，包括吸气管路1、透平式压缩机2、储气箱3、吹气管路4。
33.列车尾部的吹、吸气口分别设置为5排，且暂不考虑吹气孔与车钩导流罩的干涉影响。动车组尾部外观如图2、3所示，此外观省略了列车转向架结构，仅突出挡风玻璃上下沿的气口分布，每排气口含有16个气孔，单个气孔的直径和中心距均保持一致，吸气区域和吹气区域的气孔数量相同影响。列车尾部减阻效果的主要因素与气口实际吹吸的数量、吹吸气体的质量流量、质量流速等等有关。
34.从图4动车组尾部压力系数云图来看，本发明的动车组车尾与现有动车组车尾在挡风玻璃吹吸气区域表面负压面积大小近似相等，但是两者之间压差幅值区别较大。本发明的动车组车尾在吹吸气作用后所达到的减阻效果更好，车尾鼻尖处相对于现有动车组车尾表现出更大的正压幅值，使车尾的压差幅值变小，从而减小动车组尾车的压差阻力，本算例在吹吸气总质量流量处于4.615kg/s时，尾车的压差减阻率达到7.97％。
35.本发明在动车组尾部设置吹吸气孔，通过吹吸气结合的组合方式，将车尾挡风玻璃上方的低负压区的空气通过车内流道转移到挡风玻璃下方的正压区，空气通过流道中的空压机得以转移，通过仿真计算发现，此设置仅对尾车的压差阻力具有减阻效果，不会对其他车厢的阻力造成影响，且吹吸气质量流速在一定范围内，压差减阻率会随着质量流速的变大和吹吸气口的排数增多呈正相关的关系
36.从长远来看，由于传统减阻方法逐步显露出局限性，如果吹吸气结合的流动控制减阻技术在高速动车组上得到应用，将能克服由于动车组的空气动力效应带来的提速瓶颈，响应国家对下一代高速列车的更高速、更舒适、更经济环保的设计目标。目前，中国中车研制的cr450动车组研制先期试验已与今年四月份顺利开展，研制的时速600km的高速磁悬浮列车样车也亮相于公众视野。这表明，不管是研制与发展更高速轮轨列车还是高速磁浮轨道列车，提高列车的运行速度是铁路科学技术发展的标志和追求的目标，列车空气动力学也一直以来都是备受关注的对象。因此，吹吸气结合减阻可应用于更高速度动车组，以减小气动阻力所带来的能量消耗。
37.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，包括：动车组车尾、吸气区域、吹气区域和气流模块，所述吸气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃上方的分界层分离处；所述吹气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃的下方；所述气流模块设置在所述动车组车尾的内部与所述吸气区域和所述吹气区域相连。2.根据权利要求1所述的一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，所述气流模块包括吸气管路、透平式压缩机、储气罐和吹气管路，所述吸气管路、所述透平式压缩机、所述储气罐和所述吹气管路依次连接，所述吸气管路与所述吸气区域相连，所述吹气管路与所述吹气区域相连。3.根据权利要求2所述的一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，所述吸气区域设置有五排每排16个吸气孔，单个所述吸气孔的直径和中心距均保持一致。4.根据权利要求2所述的一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，所述吹气区域设置有五排每排16个吹气孔，单个所述吹气孔的直径和中心距均保持一致。5.根据权利要求1所述的一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，其特征在于，当所述吸气区域和所述吹气区域的吹吸气总质量流量处于4.615kg/s时，尾车的压差减阻率范围值为7.5％～9.5％。

技术总结
本发明提供一种基于吹吸气结合的高速动车组尾部减阻系统，包括：动车组车尾、吸气区域、吹气区域和气流模块，所述吸气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃上方的分界层分离处；所述吹气区域设置在所述动车组车尾的驾驶室挡风玻璃的下方；所述气流模块设置在所述动车组车尾的内部与所述吸气区域和所述吹气区域相连，本发明主要利用在高速动车组的车尾设置吹气区域和小区域控制外部的气流，从而起到控制车尾的压差阻力增强减阻效果。而起到控制车尾的压差阻力增强减阻效果。而起到控制车尾的压差阻力增强减阻效果。


技术研发人员：崔洪江 陈官鑫
受保护的技术使用者：大连交通大学
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/4/28