一种列车明线交会时压力波幅值与车速比关系的估算方法与流程

1.本发明属于空气动力学领域，具体涉及高速列车明线交会时压力波幅值与车速比关系的估算方法。


背景技术：

2.高速列车在高速行驶过程中，会产生一系列空气动力学相关问题。高速列车明线交会时相对速度很大，在交会的短时间内两车之间气流产生剧烈波动，并产生较大的表面压力波和侧向力，影响车辆行驶的稳定性。压力波动也会引起客车车厢内压力变化，引起乘客耳部的不适等状况。压力波与侧向力过大还会对设备舱、车窗等车体结构安全性产生影响。因此，为了列车的行车安全并提高乘客的乘坐舒适度，得到一个高速列车明线交会时无量纲压力波幅值与车速比之间关系的经验公式有重要的实用价值。
3.对于高速列车明线交会的研究方法主要包括风洞试验研究和数值研究。风洞试验研究是最基本且可信度最高的研究方法，其结果常用来标定与修正数值研究的结果，然而其成本昂贵，费时费力，且极限条件下的风洞试验研究由于实验条件以及安全性的影响常常无法进行；数值研究是对实际物理情景进行一定的简化，建立相应的数学物理模型，通过计算机数值仿真便可以得到与实际相符的结果。数值研究可以以低成本快速得到较为可靠的结果，近些年来越来越广泛的应用于科学研究与工程实践中。
4.影响明线交会压力波的主要因素有行驶速度、线间距、列车头型号等，但车速一直是最主要的、也是调节余地最大的影响因素。目前关于高速列车静止交会、等速和不等速交会都有较多的研究，同时前人也给出了一系列的回归关系式，但并未揭示不等速交会与等速交会压力波之间的关系，且前人的研究中多采用简化模型，列车模型编组较少，不能反映列车真实外形对压力波的影响。
5.由于高速列车明线交会时的压力波幅值对行车安全、车体结构等具有重大的影响，同时为了便于揭示不等速交会与等速交会压力波之间的关系，结合时间成本因素，有必要通过数值研究方法拟合出无量纲压力波幅值与速度比的关系。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种列车明线交会时压力波幅值与车速比关系的估算方法，有助于正确计算高速列车明线交会时无量纲压力波幅值与车速比之间的关系，进而保障高速列车行车安全。
7.本发明目的通过下述技术方案来实现：一种列车明线交会时压力波幅值与车速比关系的估算方法，所述估算方法包括如下步骤：s1：建立列车的几何模型，保留完整的列车转向架、路基、铁轨，并划分网格；s2：确定数值模拟方法，确定数值模拟方法包括：确定计算算法，确定湍流模型、确定动网格方法以及确定滑移面的插值算法；s3：选定压力测点，确定数值模拟的工况，并进行数值仿真；s4：基于步骤s3获得的数值仿真结果完成无量纲压力波幅值与车速比之间的关系拟合。
8.根据一个优选的实施方式，所述步骤s2中，计算算法采用求解低速流动的压力修正算法求解rans方程；湍流模型采用 模型，动网格方法采用滑移网格方法，滑移面的插值算法采用守恒型插值算法。
9.根据一个优选的实施方式，所述步骤s3中，按照快慢车车速比在0
‑
1的范围内选定若干工况点作为压力测点。
10.根据一个优选的实施方式，所述步骤s1中建立列车的几何模型过程中，列车的列车头型号包括crh380、crh350、crh250和crh1
‑
6型车头，列车采用八车编组模式构成。
11.根据一个优选的实施方式，所述步骤s1中划分的网格采用结构网格或非结构网格。
12.根据一个优选的实施方式，所述步骤s4中，无量纲压力波幅值与车速比之间的关系拟合采用多项式拟合或线性回归拟合。
13.根据一个优选的实施方式，所述步骤s4中通过对无量纲压力波幅值与车速比进行多项式拟合得到关系式：；其中，c为无量纲压力波幅值，m为快车与慢车的车速比。
14.前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
15.本发明的有益效果：通过本发明列车明线交会时压力波幅值与车速比关系的估算方法，揭示了不等速交会与等速交会压力波之间的关系，且采用了较为真实的列车编组模型，反映了列车真实外形对压力波的影响。本经验公式具有较好的预测精度，对于正确计算高速列车明线交会时无量纲压力波幅值与车速比之间的关系，进而保障高速列车行车安全、乘客舒适度具有重要意义。
附图说明
16.图1是本发明估算方法的流程示意图；图2是本发明估算方法中无量纲压力波幅值c的值与速度比m之间的拟合关系。
具体实施方式
17.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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。
19.因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范
围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
22.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
24.实施例1：参考图1和图2所示，本发明实施例公开了一种列车明线交会时压力波幅值与车速比关系的估算方法，所述估算方法包括如下步骤：步骤s1：建立列车的几何模型，保留完整的列车转向架、路基、铁轨，并划分网格。
25.优选地，所述步骤s1中建立列车的几何模型过程中，列车的列车头型号采用crh380型车头，列车采用八车编组模式构成。保留完整的列车转向架及路基、铁轨。划分出结构网格，分为两块，一块为快车的车体表面网格和地面网格，另一块为相对而来的慢车的车体表面网格和地面网格，网格总量1900万。
26.步骤s2：确定数值模拟方法。确定数值模拟方法包括：确定计算算法，确定湍流模型、确定动网格方法以及确定滑移面的插值算法。
27.优选地，所述步骤s2中，采用求解低速流动的压力修正算法求解rans方程，湍流模型采用模型，动网格方法采用滑移网格方法，网格块和网格单元进行刚性运动，形状保持不变，两块网格的交界面处滑移运动，变量在交界面处进行插值。滑移面的插值算法采用守恒型插值算法，将网格重叠部分的投影面积作为通量插值的权重。
28.步骤s3：选定压力测点，确定数值模拟的工况，并进行数值仿真。
29.优选地，所述步骤s3中，按照快慢车车速比在0
‑
1的范围内选定若干工况点作为压力测点。
30.具体地，在头车、中间车和尾车设表面压力的若干监测点。取一列车(慢车)速度为100km/h，另一列车(快车)速度分别为250 km/h、350 km/h、400 km/h。另外开展其中一辆车静止情况的研究，取一列车速度为零(静止)，另一列车速度分别为250 km/h、350 km/h、500 km/h。其中，不等速会车过程中慢车各测点压力波幅值见表1.
表1不等速交会慢车测点压力波幅值同时研究车速分别为250km/h、300km/h、350km/h时列车等速交会的工况，其结果作为无量纲压力波幅值的基准。其中，等速交会车头各测点压力波幅值见表2。
31.表2等速交会车头测点压力波幅值基于表2，在250km/h、300km/h、350km/h三种速度的等速明线交会工况，得到各个测点的压力波幅值。
32.从而，定义一个无量纲化的不等速交会压力波幅值c：。
33.定义：为不等速交会的快车速度，也是等速交会的车速；为不等速交会的慢车车速；为以速度等速交会时车体表面中间车某测点的压力波幅值；为不等速交会时速度的慢车行驶时对应测点的压力波幅值。c为慢车监测点上的无量纲压力波幅值，代表慢车压力波幅值和等速交会压力波幅值之比（等速交会车速为不等速交会时快车车速）。
34.步骤s4：基于步骤s3获得的数值仿真结果完成无量纲压力波幅值与车速比之间的关系拟合。
35.优选地，所述步骤s4中，无量纲压力波幅值与车速比之间的关系拟合采用多项式拟合或线性回归拟合。
36.进一步地，如图2所示。所述步骤s4中通过对无量纲压力波幅值与车速比进行多项式拟合得到关系式：；其中，c为无量纲压力波幅值，m为快车与慢车的车速比，。
37.由拟合得到的关系式可得，列车不等速交会时，其压力波幅值与等速交会的关系主要由慢车与快车的速度比m决定。在m小于0.5时，不等速与等速交会压力波幅值之比在0.78
‑
0.8之间，说明此时慢车的车速对自身压力波幅值影响较小。当m大于0.5后，压力波幅值c的值明显增大；两车交会时如速度过高需降低车速而保证行车安全性，慢车车速降到快车的0.5倍，即可达到较好的效果。
38.从上述技术方案可以看出，本实施例提供的估算高速列车明线交会时无量纲压力波幅值与车速比之间关系的方法，结合数值仿真技术，对列车明线交会时快慢车车速比为0
‑
1范围内进行了一系列数值模拟，分析其结果拟合出的经验公式可直接用于列车行车安全分析。
39.前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。