一种高速列车减阻降噪的控制装置的制作方法

1.本发明涉及高速列车领域，更具体地，涉及一种高速列车减阻降噪的控制装置。


背景技术：

2.高速列车技术的发展是一个国家高新技术发展水平的重要标志。近些年，中国高速列车技术取得了重大进展，复兴号的运行速度达到了350km/h。对于8编组列车，以crh3为例转向架系统气动阻力占列车总气动阻力的27.4％，且第一个转向架的气动阻力远大于其他转向架。在气动噪声上，当高速列车运行速度超过300km/h时，气动噪声就会占据主导地位，转向架部位存在着表面结构变化的不连续性，气流流经该部位时产生流动分离和较强的流体相互作用，从而形成气动噪声，这部分噪声在高速列车噪声中占有较大比例。将被动控制的思想和方法，运用于高速列车转向架舱设计，在高速列车转向架前设置导流槽，通过改变转向架及其周围的流场和声场特性，实现高速列车整车减阻和减噪控制，以期降低高速列车室内和室外噪声。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种高速列车减阻降噪的控制装置，实现高速列车整车减阻和减噪。
4.本发明的提供的高速列车减阻降噪的控制装置，所述高速列车包括设置在每节车厢底部的转向架，沿所述高速列车的轴线方向上，所述转向架的至少迎风一侧设有向所述高速列车车顶一侧凹陷的导流槽，所述导流槽与所述转向架之间的间隔在预设范围内，所述导流槽至少具有第一斜面，所述第一斜面与所述车厢底部所在平面具有第一夹角，所述第一夹角为锐角。
5.可选的，所述第一夹角为50
°‑
60
°
。
6.可选的，沿垂直于所述高速列车的轴线方向上，所述导流槽由所述高速列车的一侧面延伸至另一侧面。
7.可选的，所述导流槽在第一截面上的横截面为三角形，所述第一截面为所述车厢底部所在平面的法平面，且所述第一截面平行于所述高速列车的轴线。
8.可选的，所述导流槽还包括第二斜面，所述第二斜面与所述车厢底部所在平面具有第二夹角，所述第二夹角为锐角，所述第二斜面与所述第一斜面的夹角为钝角。
9.可选的，沿所述高速列车的轴线方向上，所述转向架的两侧均设有所述导流槽。
10.可选的，所述第一斜面为平直面，或者所述第一斜面为向所述车厢顶部弯曲的曲面。
11.可选的，所述第二斜面为平直面，或者所述第二斜面为向所述车厢顶部弯曲的曲面。
12.与现有技术相比，本发明提供的高速列车减阻降噪的控制装置，至少实现了如下的有益效果：
13.本发明利用在高速列车转向架前设置导流槽的流场控制方式，实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪，降低列车能耗，提高列车的环境友好性。
14.当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
15.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
16.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
17.图1是本发明提供的一种高速列车的侧视图；
18.图2是本发明提供的又一种高速列车的侧视图；
19.图3是本发明提供的又一种高速列车的侧视图；
20.图4是图1中m区域局部放大图；
21.图5为远场噪声总声压级分布；
22.图6为
‑
60m测点的远场噪声分析图；
23.其中，100
‑
高速列车，1
‑
车厢，2
‑
转向架，101
‑
车顶，102
‑
车厢底部，3
‑
导流槽，31
‑
第一斜面，32
‑
第二斜面。
具体实施方式
24.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：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。
25.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。
26.对于相关领域普通技术人员已知的技术、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说明书的一部分。
27.在这里示出和讨论的所有例子中，任何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例子可以具有不同的值。
28.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。
29.结合图1至图4，图1是本发明提供的一种高速列车的侧视图；图2是本发明提供的又一种高速列车的侧视图；图3是本发明提供的又一种高速列车的侧视图；图4是图1中m区域局部放大图。
30.高速列车100包括设置在每节车厢底部102的转向架2，沿高速列车的轴线方向上，转向架2的至少迎风一侧设有向高速列车车顶101一侧凹陷的导流槽3，导流槽3与转向架2之间的间隔在预设范围内，导流槽3至少具有第一斜面31，第一斜面31与车厢底部102所在平面具有第一夹角α，第一夹角α为锐角。
31.需要说明的是，图1、图2和图3中仅示意性的示出了高速列车100具有包括头车在
内的三节车厢，其中图1中仅示意性的示出了在两侧的头车的转向架2的两侧设置了导流槽3，图2中仅示意性的示出了三节车厢的转向架2的一侧设置了导流槽3，图3中示意性的示出了三节车厢的转向架2的两侧均设置了导流槽3，图1至4中的转向架仅为示意性说明，不代表实际转向架结构。
32.需要说明的是，这里的转向架2的至少一侧是在沿高速列车的轴线方向上转向架2的前后两侧。另外，参照图4，本发明中所说的第一斜面31与车厢底部102所在平面的夹角是指图4中的α。
33.经过证明，现有技术中转向架2突出于舱体外部的轮缘存在较强的正压区，当设置导流槽3后，轮缘周围的正压区明显减少，正压强度也明显变小。
34.现有技术中，从转向架2舱前缘流过的气流很大部分直接流入到舱内，并撞击到前方轮对上，这是转向架2承受的重要阻力源。由于导流槽3结构的存在，降低了冲入到转向架2舱内的气流，总体上降低了转向架2区域阻力。
35.另一方面，由于直接撞击在转向架迎风侧的气流强度降低，由此导致转向架区域的气流脉动压力变小，从而可以有效降低气动噪声幅值。
36.在一些可选的实施例中，继续参照图1至图4，第一夹角α为50
°‑
60
°
。
37.在转向架2舱前和/或后位置设置导流槽3，经对比设计，在一些可选的实施例中选用的导流槽3结构中：长l为650mm、高h＝130mm，第一夹角α约56
°
，单个结构的外形可参照图4，这里所说的高是指第一斜面31远离车厢底部102的一端与车厢底部102所在平面之间的垂直距离。
38.在一些可选的实施例中，继续参照图1至图4，沿垂直于高速列车的轴线方向上，导流槽3由高速列车的一侧面延伸至另一侧面。
39.根据导流槽3的作用，导流槽3由高速列车的一侧面延伸至另一侧面能够更好的实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪。
40.在一些可选的实施例中，继续参照图4，导流槽3在第一截面上的横截面为三角形，第一截面为车厢底部所在平面的法平面，且第一截面平行于高速列车的轴线。
41.三角形截面降低了冲入到转向架2舱内的气流，总体上降低了转向架2区域阻力，能够更好的实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪。
42.在一些可选的实施例中，继续参照图4，导流槽3还包括第二斜面32，第二斜面32与车厢底部所在平面具有第二夹角，第二夹角为锐角，第二斜面与第一斜面的夹角为钝角。
43.在一些可选的实施例中，继续参照图3，沿高速列车的轴线方向上，转向架的两侧均设有导流槽。
44.参照图3，转向架2的前后两侧均设有导流槽3，此时能够更好地实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪。
45.在一些可选的实施例中，第一斜面为平直面，或者第一斜面为向车厢顶部弯曲的曲面。
46.图4中第一斜面为平直面，当然第一斜面也可以为曲面，该曲面为向车厢顶部弯曲的曲面，无论是平直面还是曲面，都能够实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪。
47.在一些可选的实施例中，第二斜面为平直面，或者第二斜面为向车厢顶部弯曲的
曲面。
48.图4中第二斜面为平直面，当然第二斜面也可以为曲面，该曲面为向车厢顶部弯曲的曲面，无论是平直面还是曲面，都能够实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪。
49.发明人以图3中的结构作为研究对象进行了以下研究
50.1、气动阻力评估：
51.根据空气动力学的基本理论，气动阻力系数定义为：
[0052][0053]
其中，ρ为流体密度，取为1.225kg/m3；v为来流气流相对于列车的流速，评估时取为350km/h；s
x
为参考面积，选取列车x方向横截面积(s
x
视具体列车外形而定)作为参考面积；d为阻力；流场计算方法采用基于格心格式有限体积法的三维定常可压缩雷诺平均n
‑
s方程，空间离散格式采用roe格式，时间离散采用lu
‑
sgs离散方法。经过计算，得到控制装置加装前和加装后的整车气动阻力系数对比：
[0054]
表1整车气动阻力系数对比
[0055][0056]
从表1中可以看出，设置导流槽后流场被动控制装置能够整车阻力，加装该装置后，阻力系数减小8.46％，降幅明显。
[0057]
2、气动噪声评估：
[0058]
在距离轨道中心25m远，在x方向不同位置，即x＝
‑
60、
‑
50、
‑
40、
‑
30、
‑
20、
‑
10、0、10、20、30、40、50和60m，距离地面3.5米处，设置监测点，监测列车产生的总声压级(oaspl)。对导流槽的降噪情况进行分析，参照图5，图5为远场噪声总声压级分布，图5中将未设置导流槽的现有技术记为case1,设置导流槽的方案记为case2。总体看来，添加导流槽后，在整个远场上，除了个别点上会有噪声幅值超过现有技术的情况，噪声幅值整体下降。导流槽方案实现了减阻和降噪两重效果。对于高速列车的转向架区域设计具有参考意义。
[0059]
3、减阻降噪控制机理：
[0060]
发明人对导流装置前后头车第一转向架表面压力分布云图和流经头车第一转向架底部的空间流线图就行研究，可以很明显地看到转向架突出于舱体外部的轮缘在原始方案下存在较强的正压区；然而，当设置导流槽装置后，轮缘周围的正压区明显减少，正压强度也明显变小。不过，由于导流槽的存在，导流槽本身也会承受一定程度的压差阻力。对加装导流槽控制装置前后，头车第一转向架底部空间流线图进行研究发现：现有技术未设置导流槽从转向架舱前缘流过的气流很大部分直接流入到舱内，并撞击到前方轮对上，这是转向架承受的重要阻力源。由于导流槽结构的存在，降低了冲入到转向架舱内的气流，总体上降低了转向架区域阻力。
[0061]
发明人进一步对比分析加装控制装置前后的尾车等q图(q＝1000)，结果证实，转向架周围和汽车尾部是涡结构较为密集的区域，在原方案中尤为明显。在添加导流装置后，
在控制装置的干扰下导致涡脱落和分离，转向架周围涡量减少，尾部区域涡量也相应明显减小。因此，该装置通过破碎和干扰涡的方式实现了减小列车阻力的目的。同时，涡的产生和脱落带来压力的脉动变化，会对噪声幅值产生影响。
[0062]
发明人对车体表面不同频率(200hz和1000hz)下的噪声源分布进行分析，研究发现头车及头车转向架、中间车第一个转向架，以及尾车最后一个转向架周围区域声源幅值较大，主要是因为在这几个位置流场与结构间的相互作用强烈，涡的产生和脱落作用相较于中间边界层变厚的位置更为强烈，产生较强的压力脉动。添加导流装置后整车表面噪声源幅值在不同频率下都呈现减小趋势。不过表面声源分布只能定性判断不同位置的压力脉动分布情况，不同设计外形下的远场噪声是声传播过程中，各位置声源叠加综合作用的结果(由于列车运行马赫数不到0.3，在远场噪声计算上仅考虑由车体表面压力脉动引气的偶极子声源噪声)，远场噪声特性通过进一步结合声学有限元方法进行了分析。
[0063]
图5给出了两种模型下远场测点的总声压级比较。可以看到，采用本发明控制装置后远场测点声压级大部分均有一定降幅，远场噪声环境得到了优化。以图5所示的
‑
60m测点噪声情况为例进行远场噪声分析。图6中横坐标为频率，纵坐标为噪声幅值，通过图6的频谱曲线可以看出：随着频率的增加，噪声幅值减小。在300hz以下频率较低的区域，添加导流槽的方案由于导流槽的存在整体涡量减弱，而现有技术中的方案由于没有进行任何流场控制，涡的体积更大，数量更多，在低频部分的噪声会更加明显，最终导致在总体噪声上，原方案噪声幅值高于添加导流槽方案。
[0064]
通过上述实施例可知，本发明提供的高速列车减阻降噪的控制装置，至少实现了如下的有益效果：
[0065]
本发明利用在高速列车转向架前设置导流槽的流场控制方式，实现对转向架及周围区域流场的干扰控制，实现高速列车整车减阻和减噪，降低列车能耗，提高列车的环境友好性。
[0066]
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。