一种动车车顶绝缘子减阻结构

技术领域

本发明属于高速动车的技术领域，具体涉及一种动车车顶绝缘子减阻结构。

背景技术

随着我国经济的不断发展，迫切需要运力更大、效率更高的高速铁路，目前我国已经建成世界上高速铁路运营里程最长、输送旅客量最大的国家。但随着高速列车的时速不断增加，列车受到的气动阻力效果也越来越明显，空气动力学性能研究逐渐成为高速列车设计的关键。当列车速度达到360km/h时，列车受到的总阻力近80％来源于空气阻力，且速度越快，空气阻力的占比也越大，加之我国高速铁路的运营里程巨大，导致能源的消耗也越来越大，由于不断上涨的石化能源价格，节约能源变的越来越重要，其中一个有效的方法就是减少各种交通工具在运行过程中所受到的气动阻力，即使是很小的减阻也能在很大程度上降低能源的消耗和进一步提升列车运行速度，而空气阻力就成为了高速列车进一步提高运行效率和节约能源的主要制约因素，因此研究各种实现高速列车的减阻方法具有很强的现实意义。

目前国内外学者对列车上已做了大量减阻研究工作，常用手段主要有：采用流线型车身、加装导流装置、改变车身迎风面积等，这些方法已取得了显著的成效，其研究思路也越来越成熟，但碍于车体大小和车身附属部件等局限性，降低车身阻力的空间越来越小，使得列车空气减阻的发展进入一个瓶颈阶段，现亟需突破瓶颈对传统的降阻观念加以改变，探索实现高速列车减阻的新方法。近年来，随着非光滑表面减阻技术的发展，在汽车、轮船及航天飞机上的运用越来越广泛，为进一步减阻提供了新的出路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种动车车顶绝缘子减阻结构，以解决现有高速列车难以实现进一步降阻的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种动车车顶绝缘子减阻结构，其包括芯棒柱体和多个伞裙；多个伞裙均间隔固定于芯棒柱体上，且多个伞裙之间平行设置；伞裙的上表面和下表面均设有非光滑表面结构；非光滑表面结构包括沿伞裙径向分布的多个凹坑。

本结构进一步地技术方案为，凹坑在绝缘子伞裙的上表面和下表面均呈圆周排列，且相邻的圆周阵列角度α为5°～7°。

本结构进一步地技术方案为，凹坑表面为圆形，其内部为光滑球面。

本结构进一步地技术方案为，位于同一阵列上的相邻凹坑之间的横向间距L为2mm～3mm。

本结构进一步地技术方案为，凹坑的直径D为2mm～2.5mm。

本结构进一步地技术方案为，凹坑的深度H为0.2mm～0.5mm。

本发明提供的动车车顶绝缘子减阻结构，具有以下有益效果：

本发明在绝缘子伞裙的上表面和下表面均设置非光滑表面结构，即在伞裙的表面上开设多个呈圆周阵列排布的凹坑，并通过合理设计伞裙表面凹坑阵列方式和结构参数可最大程度减小绝缘子的气动阻力，达到减阻的优化效果。

本发明的车顶绝缘子减阻结构设计，打破了现阶段高速列车的减阻瓶颈，针对高速列车车顶外绝缘设备，以车顶绝缘子为对象，在不影响爬距的前提下，在绝缘子的伞裙表面合理设计凹坑结构以减少表面湍动能的损失，从而减少绝缘子气动阻力的大小；在高速气流条件下，由于凹坑的存在可增加闪络路径，提升闪络电压，本发明可为车顶外绝缘设备和高速列车降阻提供新思路。

附图说明

图1为动车车顶绝缘子减阻结构的结构示意图。

图2为动车车顶绝缘子减阻结构的伞裙表面凹坑放大示意图。

图3为凹坑阵列间距与绝缘子气动阻力的关系图。

图4为凹坑阵列角度与绝缘子气动阻力的关系图。

图5为凹坑阵列直径与绝缘子气动阻力的关系图。

图6为凹坑阵列深度与绝缘子气动阻力的关系图。

图7为绝缘子气动阻力随风速的变化情况的关系图。

其中，1、芯棒柱体；2、伞裙。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1，参考图1和图2，本方案的动车车顶绝缘子减阻结构，包括芯棒柱体1和多个伞裙2。

多个伞裙2均间隔固定于芯棒柱体1上，且多个伞裙2之间平行设置；伞裙2的上表面和下表面均设有非光滑表面结构，非光滑表面结构包括沿伞裙2径向分布的多个凹坑。

具体的，本实施例凹坑的结构和参数如下：

凹坑表面为圆形，其内部为光滑球面，或者为光滑的弧形球面，凹坑在绝缘子伞裙2的上表面和下表面均呈圆周排列，且相邻的圆周阵列角度α为5°～7°。

位于同一阵列上的相邻凹坑之间的横向间距L为2mm～3mm。

凹坑的直径D为2mm～2.5mm。

凹坑的深度H为0.2mm～0.5mm。

本实施例绝缘子伞裙2表面增设非光滑表面结构通过对伞裙2边界层的控制以减少表面湍动能的损失和湍流耗散率，由于凹坑的存在使得气流会向凹坑内部发生偏转，在凹坑内部形成逆向旋转的低速小型涡流，形成“涡垫效应”，使得伞裙2与空气之间的摩擦形式由滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了伞裙2表面的能量耗散，同时在凹坑底部形成的摩擦阻力起到了反向推动作用，抵消一部分的风阻效果，最终起到减阻的效果。

实施例2，本实施例作为实施例1的进一步技术方案。

车顶绝缘子受到的气动阻力主要由两部分组成：

绝缘子迎风面和背风面由于压力差而产生的压差阻力，以及由于气体粘性作用与绝缘子表面摩擦而产生的粘性阻力。

绝缘子的压力阻力主要来自芯棒柱体1，而粘性阻力主要来自于伞裙2表面，由于芯棒柱体1沿轴向迎风面积大，阻力类型主要为压差阻力，而伞裙2沿水平向表面积较大，因此受到粘性阻力大，除此之外由于伞裙2存在一定厚度，伞裙2部分还存在一部分压差阻力。

本发明的凹坑结构具有如下特点：

1.不影响绝缘子爬电距离而降低绝缘性能；

2.列车的实际运行工况为往返式运行；

基于此，本发明将凹坑加设在伞裙2的上下表面并呈圆周对称排布，如此，凹坑柱体对芯棒受到的阻力情况基本无影响，且能显著降低伞裙2表面的粘性阻力，无论是压差阻力还是粘性阻力，它们都和边界层的厚度密切相关。

本发明在绝缘子伞裙2表面增设凹坑非光滑表面结构正是通过对伞裙2边界层的控制来减少表面湍动能的损失和湍流耗散率。由于凹坑的存在，当气流经过上方时，气流会向凹坑内部发生偏转，在凹坑内部形成逆向旋转的低速小型涡流，形成“涡垫效应”，使得伞裙2与空气之间的摩擦形式由滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了伞裙2表面的能量耗散，同时在凹坑底部形成的摩擦阻力起到了反向推动作用，抵消一部分的风阻效果。

本发明的凹坑结构虽然可以减少伞裙2表面周围一定区域的粘性阻力，但同样也会增大伞裙2前后的压差阻力，最佳的凹坑排列间距及尺寸设计，正是为了寻求总气动阻力的最小值，因此需要在一定范围内控制凹坑阵列密度和大小。凹坑密度过大，伞裙2表面减少粘性阻力的作用区域会发生重叠，还可能进一步增加气流到伞裙2背风侧风速而增大伞裙2受到的压差阻力，降低减阻效率；而凹坑密度过小，趋近于光滑表面，又会导致减阻效果不明显。此外，凹坑的深度和半径变化对压差阻力和粘性阻力的变化要更为敏感，增加凹坑大小，凹坑内湍流强度和规模越大，湍流耗散率增大，凹坑内部产生的阻力作用也会增大，合理设计伞裙2表面凹坑阵列方式和结构参数可以最大程度减小绝缘子的气动阻力，达到减阻的优化效果。

依据上述原则和分析要求，本发明通过计算不同参数凹坑结构下的气动阻力，得到了减阻效果最佳的凹坑参数，减阻率可达17.43％，并进一步计算得到本实施例凹坑的具体参数：

参考图3-图7，本实施例采用控制变量的方法，变量包括凹坑直径、深度、阵列角度和阵列间距，基于模拟仿真，得到如下凹坑的优化减阻参数：

本实施例的图3-图7基于Comsol多物理场仿真软件，模拟车顶高速气流环境，边界条件如下表所示：

参考图4，由图可知，凹坑阵列角度反映了凹坑的圆周密集程度，随着阵列角度的增加，伞裙表面受到的压差阻力不断减少，粘性阻力逐渐增加，总的气动阻力先减小后增加，当角度从6°增加8°时，粘性阻力的大小约增加了1倍，导致总的阻力又开始上升，当角度继续增加时，凹坑排布相对稀疏，减阻效果不再明显，由此可得，当凹坑阵列角度为6°是优选的阵列角度。

参考图3，确定阵列角度为6°，对不同阵列间距凹坑的气动阻力进行计算，结果如图所示。随着阵列间距增加，伞裙粘性阻力缓慢上升，压差阻力先增加后下降，当阵列间距从2mm到2.5mm时，粘性阻力几乎不发生变化，而压差阻力下降明显，再阵列间距为2.5mm时总阻力最小，当阵列间距继续增加时，总气动阻力又开始增加，逐渐失去减阻效果。因此选择阵列间距为2.5mm时减阻效果最好。

参考图5，由图可知，凹坑直径的变化对气动阻力的起伏波动较大，说明直径对伞裙阻力的影响较敏感，当凹坑直径为1.8mm时，气动阻力大小达到一极小值2.2173N，但不是最小值，随着凹坑直径继续增加到2.2mm时，阻力达到另一极小值为1.9738N，凹坑直径超过2.2mm以后，伞裙的压差阻力和粘性阻力均呈上升趋势，因此取2.2mm为凹坑直径。

参考图6，根据上述确定了凹坑阵列角度、凹坑间距以及凹坑的直径，最后将对不同凹坑深度的伞裙气动阻力进行计算分析，凹坑深度的变化对伞裙粘性阻力和压差阻力的作用效果明显，随着凹坑深度增加，各项阻力大致呈V形分布，当凹坑深度为0.3mm时，粘性阻力和压差阻力几乎同时达到最小值。

由此可知，减阻效果优化凹坑参数：凹坑阵列角度6°，间距2.5mm，直径2.2mm，深度0.3mm。得到有/无凹坑结构绝缘子阻力对比，总阻力下降了17.75N，减阻率达到17.43％。

参考图7，随着风速的不断增加，绝缘子受到的气动阻力与风速近似成二次方增加，有凹坑结构的绝缘子气动阻力都有一定程度的减小，但其减阻率却随着风速的增加呈下降趋势，且风速越大，减阻效果越差。这是由于，风速越大时，物体受到粘性阻力的占比越小，伞裙表面的凹坑结构正是以减小其粘性阻力为主要目标，气流速度越大，降低阻力的效果就越不显著。

综上所述，基于图3～图7，可得本实施例的凹坑结构参数如下：

圆周阵列角度α＝6°；

加设在绝缘子伞裙2上凹坑的横向排布间距L＝2.5mm；

伞裙2上凹坑的直径D＝2.2mm；

深度H＝0.3mm。

本发明在伞裙2上下表面设计凹坑非光滑结构体，可以显著降低绝缘子伞裙2表面的粘性阻力，无论是压差阻力还是粘性阻力，它们都和边界层的厚度密切相关，而本发明在绝缘子伞裙2表面增设凹坑非光滑表面结构正是通过对伞裙2边界层的控制来减少表面湍动能的损失和湍流耗散率，进而起到降低阻力的作用。

本发明的凹坑设计不影响绝缘子爬电距离而降低绝缘性能，且凹坑还能一定程度上增加其爬电距离；并且考虑列车的实际运行工况为往返式运行，最终凹坑加设在伞裙2的上下表面并呈圆周对称排布。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。