高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质
1.本技术涉及空气动力学技术领域，更具体地，涉及一种高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质。
背景技术：
2.高速列车的运营为人们提供了一种方便、快捷、环保、准时和安全的出行方式，成为各国优先发展的交通设施。高速列车在固定线路上贴地运行，长细比远大于其它交通工具，地面效应较为强烈，且随着运行速度的提高，列车周围空气的动力作用越发显著。在对高速列车进行空气动力学特性分析时发现，尾车经常受到方向向上的气动浮力，再加上轨道不平顺及弹性变形、悬挂弹性和其他随机激扰作用，波动幅度较大，尤其在一些恶劣工况下，比如明线交会、明线横风、隧道通过、隧道交会等，尾车振动更加剧烈，严重影响乘坐舒适性。经研究表明，列车尾流场存在一对反向旋转的大型流向涡，其受列车底部复杂结构和地面效应的影响，发展形成复杂的尾涡系，是影响尾车气动力特性的核心因素。
3.目前已有关于改善高速列车尾车气动力的研究，例如文献《高速列车尾流流动机理及流动控制策略研究》(刘雯等，中国科学院大学，2020.12)中通过在排障器与转向架舱的交界处设置喷流槽进行喷流控制，在原尾涡上形成了一对额外的涡结构，并抑制了原型车所存在的大分离区的形成，使得头车与中间车的气动阻力几乎不变，尾车的气动阻力小幅减小，尾车升力由原型车的正升力减小为喷流车的负升力。又例如文献《基于尾部射流的高速列车气动减阻研究[j]》(黄莎等，铁道学报，2021，43(11)，38-46)和专利申请《高速列车尾部射流气动减阻数值仿真分析方法及装置》(申请号为：202011471985.8)中通过在尾车等截面车身和流线型尾部过渡位置和尾车挡风玻璃上方流动分离位置设置射流，减小高速列车气动阻力。再例如专利申请《一种基于低密度气体喷射的高速列车减阻装置》(申请号为：201922162421.5)中通过在列车头车流线型部位表面上(例如：列车车头迎风面上)喷射低密度气体，来降低高速列车运行过程中所受到的气动阻力，尤其是摩擦阻力。但是，在这些已有的文献和专利申请中，仅注重于对尾车气动阻力或升力一方面的改善，而且可控量较少。
技术实现要素：
[0004]
有鉴于此，本技术提供了一种高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质，通过在高速列车尾部的排障器区域设置喷流口，控制调节喷流口的喷流参数，在改善气动升力的同时，对气动阻力和侧向力也进行了改善，从而改善了高速列车尾车的气动力，不仅提高了高速列车的安全性、稳定性和乘坐时的舒适性，还降低了列车的运营成本，且对高速列车的改动量较小，易于实现。
[0005]
第一方面，本技术提供一种高速列车尾车气动力的调节方法，包括：
[0006]
建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型；
[0007]
对原型车模型进行空气动力学计算，获得原型车模型的空气动力学表征；
[0008]
根据原型车模型，建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型作为喷流车模型；
[0009]
对喷流车模型进行空气动力学计算，获得喷流车模型的空气动力学表征；
[0010]
对比并分析原型车模型和喷流车模型的空气动力学表征；
[0011]
其中，原型车模型中的网格划分为面网格以及基于面网格形成的体网格，建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型包括：在生成原型车模型中的面网格时，划分出设置喷流口的区域作为喷流区域；
[0012]
根据原型车模型，建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型作为喷流车模型包括：
[0013]
设定喷流口的喷流参数，喷流参数可调节；
[0014]
在原型车模型中，删除原型车模型中的体网格，将喷流区域的边界条件修改为以高速列车在喷流区域内的侧壁为停滞进口，且不在停滞进口设置边界层，生成与原型车模型尺寸相同的体网格，建立喷流车模型；
[0015]
高速列车包括位于高速列车尾车底部的排障器以及与排障器相接的转向架舱，喷流区域包括形成在排障器关于高速列车延伸方向对称的两侧的第一区域和第二区域、形成在排障器靠近高速列车最末端的尖部的第三区域，以及形成在排障器与转向架舱连接处的第四区域中的至少一个，第四区域与排障器的底面和转向架舱均相接。
[0016]
可选地，其中：
[0017]
建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型包括：
[0018]
建立高速列车的三维模型及流场边界；
[0019]
设置面网格的网格尺寸，在高速列车的三维模型的表面及流场的边界上进行面网格的划分；
[0020]
在高速列车的三维模型及流场边界形成的流场中选取加密区域进行局部加密，设置加密区域的网格尺寸；
[0021]
设置高速列车的三维模型的边界层参数；设置体网格的网格尺寸，基于面网格，对高速列车的三维模型进行体网格的划分；
[0022]
对高速列车的空气动力学模型进行求解设置，完成建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型。
[0023]
可选地，其中：
[0024]
喷流参数包括喷流口位置、喷流口数量、喷流口大小、喷流压力、喷流方式及喷流方向。
[0025]
可选地，其中：
[0026]
高速列车具有沿高速列车的长度延伸方向的第一方向、与第一方向共面且垂直的第二方向，以及沿高速列车高度延伸方向的第三方向，第一方向以高速列车头车指向尾车的方向为正向；
[0027]
第一区域、第二区域和第三区域内的喷流口的喷流方向与第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
；
[0028]
第四区域内的喷流口的喷流方向与第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
。
[0029]
可选地，其中：
[0030]
第一区域和第二区域内的喷流口具有投影在第一方向上的第一宽度，第一区域和第二区域内的喷流口具有投影在第三方向上的第一长度；第三区域内的喷流口具有投影在第二方向上的第二宽度，第三区域内的喷流口具有投影在第三方向上的第二长度；第四区域为具有第一边长和第二边长的矩形，第一边长沿第一延伸方向延伸，第二边长沿第二延伸方向延伸，第四区域内的喷流口具有沿第一延伸方向延伸的第三宽度，第四区域内的喷流口具有沿第二延伸方向延伸的第三长度；
[0031]
第一长度和第二长度的最大取值为排障器投影在第三方向上的高度；第三宽度的最大取值为第一边长，第三长度的最大取值为第二边长。
[0032]
可选地，其中：
[0033]
设于第一区域、第二区域、第三区域内的每个喷流口的总压力的取值范围均为0.05mpa～0.5mpa，第四区域内的每个喷流口的总压力的取值范围为0.01mpa～1mpa。
[0034]
可选地，其中：
[0035]
第一区域、第二区域、第三区域和第四区域内均设有至少一个喷流口。
[0036]
可选地，其中：
[0037]
第一区域和第二区域内的喷流口贴合排障器的两侧面设置，第三区域内的喷流口贴合排障器的尖部设置，第四区域内的喷流口贴合排障器与转向架舱的连接处设置。
[0038]
第二方面，本技术还提供一种高速列车尾车气动力的调节设备，包括：处理器和通信接口，通信接口和处理器耦合，处理器用于运行计算机程序或指令，以实现第一方面所描述的高速列车尾车气动力的调节方法。
[0039]
第三方面，本技术还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有指令，当指令被运行时，实现第一方面所描述的高速列车尾车气动力的调节方法。
[0040]
与现有技术相比，本技术提供的高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质，至少实现了如下的有益效果：
[0041]
(1)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，通过在高速列车尾部的排障器区域设置喷流口，改变了排障器区域的流场结构，从而同步改变了三节车的总气动阻力、尾车的气动升力和侧向力，进而改善了高速列车尾车气动力，提高了列车运行的平稳性和和乘客乘坐时的舒适性；此外，本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法对原型车的改动量较小，易于实现。
[0042]
(2)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，位于喷流区域内的喷流口具有可调节的喷流参数，通过对喷流口喷流参数的控制调节，实现了对气动力的灵活控制，进而可以在改善高速列车尾车气动力的同时实现对运营成本、运行时的安全性及乘客乘坐的舒适性的综合考虑，综合改进效果较好。
[0043]
(3)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，在建立原型车模型时，单独划分出设置喷流口的区域作为喷流区域，并在根据原型车模型建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型的过程中，先删除原型车模型中的体网格，再在修改边界条件后重新生成尺寸一样的体网格，减小了喷流车模型与原型车模型之间的差异，便于对原型车与喷流车之间的气动力及空气动力学表征进行对比。
[0044]
(4)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，通过对原型车
模型及喷流车模型之间的空气动力学性能表征进行对比分析，明晰了气动力的改善机理，用数值分析计算的方法表明了所提出方法的有效性。
[0045]
当然，实施本技术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。
[0046]
通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
[0047]
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技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本技术的原理。
[0048]
图1所示为本技术实施例所提供的高速列车尾车气动力的调节方法的流程示意图；
[0049]
图2所示为本技术实施例所提供的高速列车的三维模型示意图；
[0050]
图3和图4为图2的局部放大图；
[0051]
图5所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的压力云图；
[0052]
图6所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的压力云图；
[0053]
图7所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的速度图；
[0054]
图8所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的速度图；
[0055]
图9所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的流线图；
[0056]
图10所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的流线图；
[0057]
图11所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的尾流场q等值面图；
[0058]
图12所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的尾流场q等值面图。
具体实施方式
[0059]
现在将参照附图来详细描述本技术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技术的范围。
[0060]
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，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
[0061]
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。
[0062]
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。
[0063]
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。
[0064]
高速列车的运营为人们提供了一种方便、快捷、环保、准时和安全的出行方式，成为各国优先发展的交通设施。高速列车在固定线路上贴地运行，长细比远大于其它交通工具，地面效应较为强烈，且随着运行速度的提高，列车周围空气的动力作用越发显著。在对高速列车进行空气动力学特性分析时发现，尾车经常受到方向向上的气动浮力，再加上轨道不平顺及弹性变形、悬挂弹性和其他随机激扰作用，波动幅度较大，尤其在一些恶劣工况
下，比如明线交会、明线横风、隧道通过、隧道交会等，尾车振动更加剧烈，严重影响乘坐舒适性。经研究表明，列车尾流场存在一对反向旋转的大型流向涡，其受列车底部复杂结构和地面效应的影响，发展形成复杂的尾涡系，是影响尾车气动力特性的核心因素。
[0065]
目前已有关于改善高速列车尾车气动力的研究，例如文献《高速列车尾流流动机理及流动控制策略研究》(刘雯等，中国科学院大学，2020.12)中通过在排障器与转向架舱的交界处设置喷流槽进行喷流控制，在原尾涡上形成了一对额外的涡结构，并抑制了原型车所存在的大分离区的形成，使得头车与中间车的气动阻力几乎不变，尾车的气动阻力小幅减小，尾车升力由原型车的正升力减小为喷流车的负升力。又例如文献《基于尾部射流的高速列车气动减阻研究[j]》(黄莎等，铁道学报，2021，43(11)，38-46)和专利申请《高速列车尾部射流气动减阻数值仿真分析方法及装置》(申请号为：202011471985.8)中通过在尾车等截面车身和流线型尾部过渡位置和尾车挡风玻璃上方流动分离位置设置射流，减小高速列车气动阻力。再例如专利申请《一种基于低密度气体喷射的高速列车减阻装置》(申请号为：201922162421.5)中通过在列车头车流线型部位表面上(例如：列车车头迎风面上)喷射低密度气体，来降低高速列车运行过程中所受到的气动阻力，尤其是摩擦阻力。但是，在这些已有的文献和专利申请中，仅注重于对尾车气动阻力或升力一方面的改善，而且可控量较少。通过对瞬时流场分析，发现高速列车的几何外形决定了尾涡的其中一处生成源位于排障器。
[0066]
为了解决上述技术问题，本技术提出了一种高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质，通过在高速列车尾部的排障器区域设置喷流口，控制调节喷流口的喷流参数，在改善气动升力的同时，对气动阻力和侧向力也进行了改善，从而改善了高速列车尾车的气动力，不仅提高了高速列车的安全性、稳定性和乘坐时的舒适性，还降低了列车的运营成本，且对高速列车的改动量较小，易于实现。
[0067]
图1所示为本技术实施例所提供的高速列车尾车气动力的调节方法的流程示意图；图2所示为本技术实施例所提供的高速列车的三维模型示意图；图3和图4为图2的局部放大图。
[0068]
如图1～图4所示，本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法包括：
[0069]
s10、建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型；
[0070]
s20、对原型车模型进行空气动力学计算，获得原型车模型的空气动力学表征；
[0071]
s30、根据原型车模型，建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型作为喷流车模型；
[0072]
s40、对喷流车模型进行空气动力学计算，获得喷流车模型的空气动力学表征；
[0073]
s50、对比并分析原型车模型和喷流车模型的空气动力学表征；
[0074]
其中，原型车模型中的网格划分为面网格以及基于面网格形成的体网格，建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型包括：在生成原型车模型中的面网格时，划分出设置喷流口132的区域作为喷流区域；
[0075]
根据原型车模型，建立具有喷流口132的高速列车1的空气动力学模型作为喷流车模型包括：
[0076]
设定喷流口132的喷流参数，喷流参数可调节；
[0077]
在原型车模型中，删除原型车模型中的体网格，将喷流区域的边界条件修改为以高速列车1在喷流区域内的侧壁为停滞进口，且不在停滞进口设置边界层，生成与原型车模型尺寸相同的体网格，建立喷流车模型；
[0078]
高速列车1包括位于高速列车1尾车13底部的排障器131以及与排障器131相接的转向架舱，喷流区域包括形成在排障器131关于高速列车1延伸方向对称的两侧的第一区域1311和第二区域1312、形成在排障器131靠近高速列车1最末端的尖部的第三区域1313，以及形成在排障器131与转向架舱连接处的第四区域1314中的至少一个，第四区域1314与排障器131的底面和转向架舱均相接。
[0079]
基于此，如图1～图4所示，本技术实施例所提供的一种高速列车1尾车13气动力的调节方法，首先建立高速列车1的空气动力学模型作为原型车模型，在对原型车模型进行网格划分时，将设置喷流口132的区域作为喷流区域单独划分出来，在后续建立喷流车模型时只对喷流区域的网格进行改变，其他区域的网格不变，使得原型车模型和后续建立的喷流车模型的网格划分尽可能地保持一致，减少因网格不同引起的空气动力学性能差异，提高空气动力学模型计算时的准确性；由于尾涡的生成与发展和转向架区域、排障器131等密切相关，且排障器131是尾流主涡结构的主要生成源，故喷流区域设置在高速列车1尾部的排障器131局域，分别包括位于排障器131关于高速列车1延伸方向对称的两侧的第一区域1311和第二区域1312、位于排障器131靠近高速列车1最末端的尖部的第三区域1313以及位于排障器131与转向架舱连接处的第四区域1314，其中，第四区域1314与排障器131的底面和转向架舱均相接，通过在这些区域设置喷流口132，改变了排障器131区域的流场结构，如高速列车1尾车13底部的压力分布、气流方向、尾涡分布和大小等等，排障器131的两侧、尖部及底部均设置有喷流区域，不仅可以将尾车13的气动升力由正升力变为负升力，还可以减小三节车的总气动阻力，同时小幅改变了侧向力，从而改善了高速列车1尾车13的气动力，解决了列车提速后尾摆现象严重的问题，确保了高速列车1的稳定性及安全运行。之后根据原型车模型，建立具有喷流口132的高速列车1的空气动力学模型作为喷流车模型，在建立喷流车模型时，设定喷流口132的喷流参数为可调节的喷流参数，由于气动升力和气动阻力的改变对于高速列车1的运营成本也会造成影响，侧向力的改变会影响到列车运行时的倾覆风险及运行安全，通过对喷流参数的灵活控制与调节，可以在改善高速列车1尾车13气动力，确保高速列车1的稳定性及安全运行的同时，降低列车的运营成本，提高乘坐的舒适性，并进一步提高列车运行时的安全性。在设置好喷流口132的喷流参数后，建立喷流车模型还包括删除原型车模型中的体网格，在将边界条件修改为以高速列车1在喷流区域内的侧壁为停滞进口，且不在停滞进口设置边界层之后，重新生成与原型车模型尺寸相同的体网格，完成喷流车模型的建立，其中，为了与实际情况保持一致，不在停滞进口处设置边界层，停滞进口处面积很小，气流的出入口处一般不设置边界层；先删除原型车的体网格，在对喷流区域单独修改后，重新生成的体网格与原型车的体网格尺寸相同，使得原型车模型和喷流车模型之间改变的量尽可能少，仅在喷流区域内具有不同，减小网格不同带来的差异，便于对比原型车和喷流车的气动力。此外，无论是在高速列车1上设置喷流口132还是调节喷流口132的喷流参数，对高速列车1的改动都较小，易于实现，实用性也较强。在建立原型车模型之后和喷流车模型之后，先分别对原型车模型和喷流车模型进行空气动力学的计算，并获取到原型车模型和喷流车模型的空气动力学表征，之后对比并分析原型车模型
和喷流车模型的空气动力学表征，通过对原型车模型及喷流车模型之间的空气动力学性能表征进行对比分析，可以定量化分析气动力改善程度，明晰气动力的改善机理，利用数值分析计算的方法表明了所提出方法的有效性。
[0080]
作为一种可能的实现方式，如图1～图4所示，建立高速列车1的空气动力学模型作为原型车模型包括：
[0081]
建立高速列车1的三维模型及流场边界；
[0082]
设置面网格的网格尺寸，在高速列车1的三维模型的表面及流场的边界上进行面网格的划分；
[0083]
在高速列车1的三维模型及流场边界形成的流场中选取加密区域进行局部加密，设置加密区域的网格尺寸；
[0084]
设置高速列车1的三维模型的边界层参数；设置体网格的网格尺寸，基于面网格，对高速列车1的三维模型进行体网格的划分；
[0085]
对高速列车1的空气动力学模型进行求解设置，完成建立高速列车1的空气动力学模型作为原型车模型。
[0086]
其中，如图1～图4所示，首先建立高速列车1的三维模型及流场边界，由于本技术实施例主要面向的是高速列车1提速后尾摆现象严重的问题，在建立高速列车1的三维模型时，可以将高速列车1简化，建立包括头车11、中车12和尾车13三节车的高速列车1三维模型。之后对高速列车1进行网格的划分，首先在高速列车1的三维模型表面及流场边界上进行面网格的划分，在形成面网格时，将后续要设置喷流口132的喷流区域单独划分出来，使原型车模型与喷流车模型的网格划分尽可能地保持一致，减少因网格不同引起的空气动力学性能差异；之后选取加密区域进行局部加密，使得建立的原型车模型与实际情况更加接近；最后设置边界层参数，在面网格的基础上对高速列车1进行体网格的划分，并对高速列车1的空气动力学模型进行求解设置，具体包括设置边界条件、湍流模型、求解方法、求解格式等等。
[0087]
作为一种可能的实现方式，喷流参数包括喷流口132位置、喷流口132数量、喷流口132大小、喷流压力、喷流方式及喷流方向。基于此，调节喷流口132的喷流参数即为对喷流口132设置的位置、喷流口132的数量、喷流口132的尺寸大小、喷流口132的喷流压力、喷流方向及喷流方式中的一项或者几项进行控制调节，其中，喷流口132的位置及数量指的是喷流口132在喷流区域内的数量及位置分布，设定喷流口132的尺寸大小时也需要注意喷流区域的大小；对喷流压力的设置，可以通过设定调控喷流口132的总压力来实现，进而实现对喷流流量的调控；对喷流口132的喷流方向的调控可以通过预先设定喷流流向来实现；喷流口132的喷流方式设定为均匀喷流，以保持高速列车1的平稳运行。气动升力由正升力变为负升力，可以提高乘坐列车的舒适性，但是反向增加过多，会增加列车运行时轮轨间的摩擦力，进而增加运营成本，因此，气动升力改向后的大小要适中。同时，总气动阻力的增加，也会增加运营成本，因此，在改善气动升力的同时，应适当减小气动阻力，提高列车运行经济性。侧向力增加过多，会增加列车运行时倾覆风险，严重影响列车运行时的安全性，因此侧向力的改变也不能太大，出于上述考虑，可以通过对喷流口132位置、喷流口132数量、喷流口132大小、喷流压力、喷流方式及喷流方向的调节，实现对气动力的灵活控制，在改善高速列车1的气动力特性的同时，综合考虑了运营成本、运行安全性及乘坐舒适性，达到了综合
较优的效果。此外，由于喷流口132的各个喷流参数密切相关，在对喷流口132的喷流参数中的一项或者几项进行控制调节时，需要综合考虑其他项的影响，在保证改善高速列车1尾车13的一个方向或两个方向的气动力的同时，其他方向的气动力不发生恶化，也不额外增加其他风险等等。
[0088]
在一些示例中，如图2～图4所示，高速列车1具有沿高速列车1的长度延伸方向的第一方向、与第一方向共面且垂直的第二方向，以及沿高速列车1高度延伸方向的第三方向，第一方向以高速列车1头车11指向尾车13的方向为正向；
[0089]
第一区域1311、第二区域1312和第三区域1313内的喷流口132的喷流方向与第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
；
[0090]
第四区域1314内的喷流口132的喷流方向与第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
。
[0091]
基于此，如图2～图4所示，可以对高速列车1的三维模型进行坐标系的建立，便于后续设置喷流口132的尺寸大小及位置等等。具体地，以沿高速列车1的长度延伸方向的第一方向为x轴，以与第一方向共面且垂直的第二方向为y轴，以沿高速列车1高度延伸方向的第三方向为z轴建立坐标系，其中，第一方向以高速列车1头车11指向尾车13的方向为正向，第二方向以沿第一方向正向的右侧指向左侧的方向为正向，第三方向以沿高速列车1高度逐渐增加的方向为正向。第一区域1311、第二区域1312、第三区域1313和第四区域1314内的喷流口132的喷流方向与第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
，喷流口132的喷流方向并不严格限定，在实际操作的时候，只需要保证第一区域1311、第二区域1312、第三区域1313和第四区域1314内的喷流口132的喷流方向朝向第一方向的正向方向，即可。喷流口132的喷流方向与其他喷流参数密切相关，在设定喷流方向时除需要达到改善气动力的总效果外，还要考虑使没有改善方向的气动力不恶化，如果喷流方向过大或过小，有可能增加喷流口132尺寸、其他喷流参数设计及控制的难度。
[0092]
示例性的，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域内的喷流口的喷流方向与第一方向的正向方向之间的夹角可以为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
等等，此处仅做举例，并不具体限定。
[0093]
在一些示例中，如图2～图4所示，第一区域1311和第二区域1312内的喷流口132贴合排障器131的两侧面设置，第三区域1313内的喷流口132贴合排障器131的尖部设置，第四区域1314内的喷流口132贴合排障器131与转向架舱的连接处设置。
[0094]
基于此，如图2～图4所示，第一区域1311和第二区域1312为排障器131关于高速列车1延伸方向对称的两侧面，第三区域1313为排障器131靠近高速列车1最末端的尖部位置，第四区域1314为排障器131底面与转向架舱连接处的矩形斜面区域，在排障器131的各个区域内设置喷流口132时，将喷流口132贴合排障器131位于各个区域内的面的形状设置，可以在不改变排障器131的原有形状的前提下改善高速列车1尾车13的气动力，对原型车的改动量小，易于实现。
[0095]
在一些示例中，如图2～图4所示，喷流口132的形状可以为矩形、三角形、多边形、圆形等等，本技术仅以喷流口132为矩形形状或在坐标系上的投影为矩形作为举例，并不具体限定。
[0096]
在一些示例中，如图2～图4所示，第一区域1311和第二区域1312内的喷流口132具有投影在第一方向上的第一宽度，第一区域1311和第二区域1312内的喷流口132具有投影
在第三方向上的第一长度；第三区域1313内的喷流口132具有投影在第二方向上的第二宽度，第三区域1313内的喷流口132具有投影在第三方向上的第二长度；第四区域1314为具有第一边长和第二边长的矩形，第一边长沿第一延伸方向延伸，第二边长沿第二延伸方向延伸，第四区域1314内的喷流口132具有沿第一延伸方向延伸的第三宽度，第四区域1314内的喷流口132具有沿第二延伸方向延伸的第三长度；
[0097]
第一长度和第二长度的最大取值为排障器131投影在第三方向上的高度；；第三宽度的最大取值为第一边长，第三长度的最大取值为第二边长。
[0098]
基于此，如图2～图4所示，由于喷流口132尺寸与喷流口132数量、喷流压力、喷流位置和方向密切相关，在实现改善气动力的总效果时，还需要考虑没有改善方向的气动力不发生恶化。如果喷流口132尺寸过大或过小，有可能增加其他喷流参数或其他设计及控制的难度。由于排障器131本身的形状并不是规则的立体几何，位于排障器131上的各个区域所在的面大多也并不规则，出于便于设计测量和改变的前提，在设定喷流口132的尺寸时，可以以喷流口132在坐标系的每个轴上的投影长度或以其所在区域的边长作为喷流口132的尺寸进行设定。当喷流口132在坐标系上的投影形状为矩形时，可以将喷流口132在各个坐标轴上的投影长度分别设为喷流口132的长度和宽度。其中，在设定喷流口132的长度及宽度时，以达到改善气动力的目的，可以与整个区域的最大尺寸一致，也可以比相应区域的尺寸小，但不要超过相应区域的最大尺寸限定，例如第一长度和第二长度的最大取值为排障器131投影在第三方向上的高度，第四区域1314内的喷流口132最大尺寸为排障器131底部和转向架舱连接处的矩形斜面的尺寸，若超出了相应区域的最大尺寸，则喷流口132延伸到了高速列车1的车体上，此时设置的喷流口132会改变高速列车1的车体，造成不必要的麻烦。
[0099]
示例性的，第一区域和第二区域内的喷流口在第一方向和第三方向上的投影尺寸分别可以为0.016m和0.234m，第三区域内的喷流口在第二方向和第三方向上的投影尺寸分别可以为0.016m和0.234m，第四区域内的喷流口在第一延伸方向和第二延伸方向上的投影尺寸分别可以为0.140m和2.09m，此处仅做举例，并不具体限定。
[0100]
在一些示例中，如图2～图4所示，第一区域1311、第二区域1312、第三区域1313和第四区域1314内均设有至少一个喷流口132。在设置各个区域内的喷流口132的数量时，可以根据各个区域的实际形状及尺寸，加工喷流口132的麻烦程度，同一区域内喷流口132之间的间距以及喷流口132的尺寸进行调整，最终实现改善气动力的目的即可。
[0101]
例如，如图2～图4所示，可以在第一区域1311及第二区域1312内分别设置三个间距相同尺寸相同的喷流口132，在第三区域1313内设置一个喷流口132，在第四区域1314内设置一个覆盖整个第四区域1314的喷流口132，此处仅做举例，并不具体限定。
[0102]
在一些示例中，设于第一区域、第二区域、第三区域内的每个喷流口的总压力的取值范围均为0.05mpa～0.5mpa，第四区域内的每个喷流口的总压力的取值范围为0.01mpa～1mpa。通过调控喷流口的总压力可以实现灵活控制喷流，在设定喷流口的总压力时，由于喷流压力与喷流口数量、喷流口尺寸、喷流位置和方向密切相关，在达到改善气动力的总效果的同时，还需要考虑没有改善方向的气动力不会发生恶化。如果喷流压力过大或过小，有可能增加喷流口其他设计及控制、压力自身控制的难度。
[0103]
示例性的，设于第一区域、第二区域、第三区域内的每个喷流口的总压力可以为
0.05mpa、0.1mpa、0.2mpa、0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa等等，第四区域内的每个喷流口的总压力的取值范围为0.01mpa、0.04mpa、0.06mpa、0.08mpa、1mpa等等，此处仅做举例，并不具体限定。
[0104]
下面将结合具体案例对本技术实施例提供的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法进行说明。
[0105]
其中，实施例中的喷流口为矩形形状或在坐标系上的投影为矩形，第一区域和第二区域内分别设置三个间距相同尺寸相同的喷流口，第三区域内设置一个喷流口，第四区域内设置一个覆盖整个第四区域的喷流口，共8处。喷流方向通过与x轴正方向的夹角来定义，第一区域、第二区域和第三区域和第四区域内的喷流口的喷流方向均为0
°
，第一区域、第二区域和第三区域内的喷流口的喷流压力为0.2mpa，喷流压力的方向朝向x轴的正向方向，第四区域内的喷流口的喷流压力为0.05mpa，喷流压力的方向朝向x轴的反向方向，喷流方式均为均匀喷流。
[0106]
下表1为原型车与喷流车的气动力系数统计结果。
[0107]
表1原型车与喷流车动力学系数统计表
[0108][0109][0110]
由表1可知，与原型车相比，喷流车在排障器尖部及其两侧、底部排障器与转向架舱过渡处设置了0
°
喷流口，喷流车尾车气动升力不仅改变了方向，由正升力变为负升力，即由浮力变为压力，且改变幅度不大，不但改善尾车乘车舒适性，而且轮轨摩擦力增加不会太多，总气动阻力减小，比例为5.18％，提高列车运行经济性，侧向力有小幅变化，保证一定的倾覆安全性。与已有的其他研究相比，既改善了尾车气动升力，又实现了减阻，且保持了侧向力。
[0111]
图5所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的压力云图；图6所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的压力云图；图7所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的速度图；图8所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的速度图；图9所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的流线图；图10所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的流线图；图11所示为本技术实施例所提供的原型车尾车头部附近的尾流场q等值面图；图12所示为本技术实施例所提供的喷流车尾车头部附近的尾流场q等值面图。
[0112]
从图5和图6可以看出，喷流车改变了尾车底部压力分布，转向架、转向架舱、转向架舱与排障器过渡处，压力降低。从图7和图8可以看出，原型车尾车转向架和排障器气流方向是前下方向，这些气流受到地面的反作用后，对尾车有向上的作用力，产生向上的气动升力，而喷流车改变了气流方向。从图9和图10可以看出，喷流车改变了尾涡分布位置，由侧面改为尾车鼻锥附近，且涡减小。从图11和图12可以看出，原型车有尾涡集中在尾车鼻锥附近，而喷流车鼻锥车附近的尾涡分散，除鼻锥附近外，两侧产生了涡，且与车体有一定的距离。综上，通过在尾车排障器周围设计喷流并对其控制，可以改变尾车底部压力分布、气流方向、尾涡分布和大小等，实现尾车气动力的改善。
[0113]
基于同一发明构思，本技术还提供一种高速列车尾车气动力的调节设备，包括：处理器和通信接口，通信接口和处理器耦合，处理器用于运行计算机程序或指令，以实现上述实施例所描述的高速列车尾车气动力的调节方法。
[0114]
基于同一发明构思，本技术还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有指令，当指令被运行时，实现上述实施例所描述的高速列车尾车气动力的调节方法。
[0115]
综上，本技术提供的高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质，至少实现了如下的有益效果：
[0116]
(1)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，通过在高速列车尾部的排障器区域设置喷流口，改变了排障器区域的流场结构，从而同步改变了三节车的总气动阻力、尾车的气动升力和侧向力，进而改善了高速列车尾车气动力，提高了列车运行的平稳性和和乘客乘坐时的舒适性；此外，本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法对原型车的改动量较小，易于实现。
[0117]
(2)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，位于喷流区域内的喷流口具有可调节的喷流参数，通过对喷流口喷流参数的控制调节，实现了对气动力的灵活控制，进而可以在改善高速列车尾车气动力的同时实现对运营成本、运行时的安全性及乘客乘坐的舒适性的综合考虑，综合改进效果较好。
[0118]
(3)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，在建立原型车模型时，单独划分出设置喷流口的区域作为喷流区域，并在根据原型车模型建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型的过程中，先删除原型车模型中的体网格，再在修改边界条件后重新生成尺寸一样的体网格，减小了喷流车模型与原型车模型之间的差异，便于对原型车与喷流车之间的气动力及空气动力学表征进行对比。
[0119]
(4)本技术实施例所提供的一种高速列车尾车气动力的调节方法，通过对原型车模型及喷流车模型之间的空气动力学性能表征进行对比分析，明晰了气动力的改善机理，用数值分析计算的方法表明了所提出方法的有效性。
[0120]
虽然已经通过例子对本技术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，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。
技术特征：
1.一种高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，包括：建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型；对所述原型车模型进行空气动力学计算，获得所述原型车模型的空气动力学表征；根据所述原型车模型，建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型作为喷流车模型；对所述喷流车模型进行空气动力学计算，获得所述喷流车模型的空气动力学表征；对比并分析所述原型车模型和所述喷流车模型的空气动力学表征；其中，所述原型车模型中的网格划分为面网格以及基于所述面网格形成的体网格，所述建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型包括：在生成所述原型车模型中的面网格时，划分出设置所述喷流口的区域作为喷流区域；所述根据所述原型车模型，建立具有喷流口的高速列车的空气动力学模型作为喷流车模型包括：设定所述喷流口的喷流参数，所述喷流参数可调节；在所述原型车模型中，删除所述原型车模型中的体网格，将所述喷流区域的边界条件修改为以所述高速列车在所述喷流区域内的侧壁为停滞进口，且不在所述停滞进口设置边界层，生成与所述原型车模型尺寸相同的体网格，建立所述喷流车模型；所述高速列车包括位于所述高速列车尾车底部的排障器以及与所述排障器相接的转向架舱，所述喷流区域包括形成在所述排障器关于所述高速列车延伸方向对称的两侧的第一区域和第二区域、形成在所述排障器靠近所述高速列车最末端的尖部的第三区域，以及形成在所述排障器与所述转向架舱连接处的第四区域中的至少一个，所述第四区域与所述排障器的底面和所述转向架舱均相接。2.根据权利要求1所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，所述建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型包括：建立所述高速列车的三维模型及流场边界；设置面网格的网格尺寸，在所述高速列车的三维模型的表面及所述流场的边界上进行面网格的划分；在所述高速列车的三维模型及流场边界形成的流场中选取加密区域进行局部加密，设置所述加密区域的网格尺寸；设置所述高速列车的三维模型的边界层参数；设置体网格的网格尺寸，基于所述面网格，对所述高速列车的三维模型进行体网格的划分；对所述高速列车的空气动力学模型进行求解设置，完成建立高速列车的空气动力学模型作为原型车模型。3.根据权利要求1所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，所述喷流参数包括喷流口位置、喷流口数量、喷流口大小、喷流压力、喷流方式及喷流方向。4.根据权利要求3所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，所述高速列车具有沿所述高速列车的长度延伸方向的第一方向、与所述第一方向共面且垂直的第二方向，以及沿所述高速列车高度延伸方向的第三方向，所述第一方向以所述高速列车头车指向尾车的方向为正向；所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域内的所述喷流口的所述喷流方向与所述
第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
；所述第四区域内的所述喷流口的所述喷流方向与所述第一方向的正向方向之间的夹角的范围为0
°
～30
°
。5.根据权利要求4所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域内的所述喷流口具有投影在所述第一方向上的第一宽度，所述第一区域和所述第二区域内的所述喷流口具有投影在所述第三方向上的第一长度；所述第三区域内的所述喷流口具有投影在所述第二方向上的第二宽度，所述第三区域内的所述喷流口具有投影在所述第三方向上的第二长度；所述第四区域为具有第一边长和第二边长的矩形，所述第一边长沿第一延伸方向延伸，所述第二边长沿第二延伸方向延伸，所述第四区域内的所述喷流口具有沿所述第一延伸方向延伸的第三宽度，所述第四区域内的所述喷流口具有沿所述第二延伸方向延伸的第三长度；所述第一长度和所述第二长度的最大取值为所述排障器投影在所述第三方向上的高度；所述第三宽度的最大取值为所述第一边长，所述第三长度的最大取值为所述第二边长。6.根据权利要求1所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，设于所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域内的每个所述喷流口的总压力的取值范围均为0.05mpa～0.5mpa，所述第四区域内的每个所述喷流口的总压力的取值范围为0.01mpa～1mpa。7.根据权利要求1所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域和所述第四区域内均设有至少一个喷流口。8.根据权利要求1所述的高速列车尾车气动力的调节方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域内的所述喷流口贴合所述排障器的两侧面设置，所述第三区域内的所述喷流口贴合所述排障器的尖部设置，所述第四区域内的所述喷流口贴合所述排障器与所述转向架舱的连接处设置。9.一种高速列车尾车气动力的调节设备，其特征在于，包括：处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行计算机程序或指令，以实现权利要求1～8任一项所述的高速列车尾车气动力的调节方法。10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令被运行时，实现权利要求1～8任一项所述的高速列车尾车气动力的调节方法。
技术总结
本申请公开了一种高速列车尾车气动力的调节方法及设备、计算机存储介质，涉及空气动力学技术领域，包括：进行原型车空气动力学模型建立及计算，设计喷流口的喷流参数，建立与原型车尽可能保持一致的喷流车空气动力学模型，进行喷流车空气动力学计算，对比分析原型车和喷流车空气动力学性能，定量化分析气动力改善程度，明晰气动力改善机理；在改善气动升力的同时，减小气动阻力，保持侧向力，在确保列车安全运行的前提下，降低列车运营成本，提高乘坐舒适性；通过设计一项或几项喷流口参数，实现对气动力的灵活控制，并达到综合较优的效果。果。果。
