一种长隧道运行车辆气动风洞试验段

1.本发明涉及车辆空气动力学风洞试验领域，具体涉及一种长隧道运行车辆气动风洞试验段。


背景技术：

2.我国国土面积大，公路、铁路隧道在各地均有分布，全长3km～10km的长隧道有很多。与车辆在开放路面行驶不同，车辆在隧道、特别是长隧道运行时，受洞壁影响，车辆侧边与洞壁间存在更为复杂的流动结构，同时底部与地面之间流动也更复杂。另外，非定常流动产生的气动噪声问题更为突出，一方面封闭空间的流场脉动更强并由此导致气动噪声源强度更大，另一方面声传播受到洞壁的影响而出现入射声与反射声在非定常流场的声传播问题。正因如此，研究车辆在隧道空间的流场结构及其影响因素，具有非常重要意义。
3.动模型试验和风洞试验是当前研究车辆空气动力学的主要手段。前者是车辆运动但气流不动，后者是车辆静止但气流运动。试验段是风洞试验平台的核心部位。专利cn112834160a公开了一种列车整车环境风洞试验段，该试验段包括：试验段主体和类驻室结构；其中，所述试验段主体，用于提供列车整车环境模拟试验测试场所；所述类驻室结构为内部中空的腔体结构，一端与风洞收缩段和喷口段连接；另一端与试验段主体连接，且与所述试验段主体连接的截面面积相同，所述截面面积大于所述喷口段截面面积，用于将所述喷口段扩张至所述试验段主体。
4.值得注意的是，传统的风洞并未考虑到长隧道车辆运行的试验需求，试验段截面通常是方形、圆形或半圆形，试验段长度与横截面当量直径比多小于3，试验段多数无扩张且无移动地面系统，这将导致车辆在传统风洞无法模拟出车辆在真实隧道运行情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种长隧道运行车辆气动风洞试验段，并将其应用多编组车队列和高速列车运行在隧道气动试验中，研究隧道工况下的流场特性并开展针对性的优化控制。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种长隧道运行车辆气动风洞试验段，该试验段是由封闭的壳体形成的洞壁结构，横截面为公路或铁路隧道截面，所述试验段的长度至少大于五倍横截面的当量直径，所述试验段内设有模拟长隧道内地面与车辆相对运动的单带移动地面系统。
8.进一步地，所述的试验段由入口段至出口段具有0.1～0.5
°
的扩散角，优选地，扩散角为0.3
°
，试验段洞壁应有一定扩散角以满足零压力梯度要求，消除洞壁边界层影响。
9.进一步地，所述隧道截面形状为优弧弓形截面，设计出的试验段横截面为优弧弓形截面，试验段长度与横截面当量直径之比远大于当前风洞，且能满足长隧道试验需求，试验段消除了洞壁和地面边界层的影响，能够真实模拟车辆在真实隧道运行情况。
10.进一步地，所述试验段洞壁采用分段设计、加工，每段两端带法兰，使用橡胶垫圈
和螺栓连接。
11.进一步地，所述试验段的厚度和材料的选择根据通过试验段速度和压力梯度确定，通过强度计算进行校核。
12.进一步地，如需要光学仪器摄像，所述试验段采用透明材料制得，洞壁与地面连接采用螺栓或胶带胶粘。
13.进一步地，地面加装单带移动地面系统，能很好地消除地面边界层和洞壁的影响。所述单带移动地面系统包括移动带、移动带轮、高速无刷电机、支撑系统，所述移动带位于所述试验段中线位置，所述移动带套设在所述移动带轮上，所述移动带轮由所述高速无刷电机驱动转动，所述移动带下部设置所述支撑系统，支撑系统能调节支撑面、避免同步带撞击从而减少同步带磨损和抖动。
14.进一步地，所述移动带长度为试验段长度的0.7～0.9倍、宽度为试验段宽度的0.4～0.6倍，移动带速度应达到试验最大速度且自身抖动非常小。
15.进一步地，所述移动带轮采用铝合金材料加工出标准圆弧齿。
16.进一步地，所述同步带内置钢丝，以实现强度大、变形小的功能，避免被带轮甩飞而中间凸起。
17.本发明提供的长隧道运行车辆气动风洞试验段，试验段为闭口式，横截面为公路、铁路隧道截面，试验段长度至少大于五倍横截面当量直径，满足单、多编组汽车、高速列车的气动试验。试验段加装单带移动地面系统，移动带速度应达到试验最大速度且自身抖动非常小。试验段洞壁应有一定扩张角，试验段洞壁采用分段设计，各段通过法兰和螺栓连接，中间夹带橡胶垫圈进行密封。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.(1)本发明试验段的长度至少大于五倍横截面的当量直径，且试验段由入口段至出口段具有0.1～0.5
°
的扩散角，隧道截面形状为优弧弓形截面，试验段长度与横截面当量直径之比远大于当前风洞，且能满足长隧道试验需求，试验段消除了洞壁和地面边界层的影响，同时设置一定的扩散角满足零压力梯度要求，消除洞壁边界层影响，能够真实模拟车辆在真实隧道运行情况，真实复现了车辆在长隧道运行的气动特性，便于获得真实实验数据。
20.(2)本发明巧妙地采用分段洞壁设计，一方面自身结构简单、安装方便，另一方面能够快速对局部破坏洞壁段进行维修和更换，大大降低后期的维护和更新成本。
附图说明
21.图1为本发明长隧道运行车辆气动风洞试验段的结构示意图；
22.图2为试验段扩散角示意图；
23.图3为试验段分段安装示意图；
24.图4为移动地面系统在试验段内位置示意图；
25.图5为移动地面系统构成示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
27.参照图1，本实施例中以1:40缩比闭口试验段为例，具体步骤如下：
28.(1)设计长隧道试验段截面形状为满足国标要求的公、铁路隧道优弧弓形截面。本实施例中，选取1:40缩比闭口试验段，其截面面积为154484mm2，当量直径d1＝540mm，圆心距地面75mm。为了体现长隧道的流动特征，试验段长度l1＝3000mm。其长度l1与当量直径d1的比值约为6；
29.(2)如图2所示，为消除洞壁边界层的影响，试验段洞壁应有一定扩散角以满足零压力梯度要求，通过仿真计算得到本实施例中的扩散角为0.3
°
，即从进口当量直径d1＝540mm，扩散到出口当量直径d2＝574mm；
30.(3)如图3，试验段洞壁采用分段设计和加工，每段两端带法兰，使用橡胶垫圈和螺栓连接。分段长度和分段数量由实施者决定，试验段组合安装方式如图3所示。本实施例中采用分段长度500mm的试验段6段，总长3000mm。根据试验段设计速度和压力梯度，并通过强度计算进行校核，确定本实施例中试验段厚度为5mm，材料为透明亚克力以满足光学仪器摄像的需要，洞壁与地面连接采用螺栓或胶带胶粘；
31.(4)为消除地面边界层的影响，并且模拟长隧道内地面与车辆的相对运动，设计了一套单带移动地面系统来模拟地面移动，如图4所示。移动带宽度d3与试验段当量直径d1的比值约为0.4，移动带长度l2与试验段总长l1的比值约为0.8。移动带位于试验段中线位置，其起点距离试验段进口0.05l1，以使试验模型位于试验段较前位置，可以让尾流充分发展；
32.(5)本实施例中，如图5所示，1是选取的8m圆弧齿同步带，长度5469mm，该同步带采用了内置钢丝，具有强度大、变形小的特点，避免了普通皮带高速运动时被带轮甩飞而中间向上突起。2是为了防止移动地面下陷而设计的支撑系统。3是根据8m同步带选择80
‑
8m移动带轮(齿距为8mm，齿数为80)，带轮半径约为101.8mm，齿面宽度为200mm，轮边挡圈高10mm，厚1.5mm，同步轮带挡圈宽度为207mm。内侧宽度203mm。移动带轮采用铝合金切削加工，与轴的装配孔中部采用掏空设计，可以减少精加工面并且减轻同步轮重量。4是连接无刷电机和移动带轮的v带传动系统；5是大功率无刷电机，根据计算设计采用两个功率为1.5kw、额定转速3000r/min的无刷电机及配套的无极调速控制器。
33.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。