技術 空気力学模型実験装置

0001

本発明は、鉄道車両が走行する際に発生する車両周りの流れ場の測定を行う模型実験に用いる空気力学模型実験装置に関する。

0002

鉄道車両は、大気中を地面、トンネル及び建物などの地上構造物に近接して走行する。この鉄道車両、地上構造物及び空気の三者の相対運動により時間的にも空間的にも変化する流れ場が誘起され、このような流れ場は、走行する鉄道車両が空気力を受けると同時に、すれ違う他の鉄道車両、地上設備、駅、乗客、作業員及び沿線住宅等、様々な対象に影響が及ぶ。なお、空気力学的な現象の大きさは、三者の相対速度に大きく依存するため、一般的に走行速度が高いほどその影響は大きく現れる。

0003

このような空気力学的現象のうち、鉄道車両で問題となる空気力学的現象は、トンネル以外の区間である明かり区間における現象とトンネル区間における現象に大きく分類される。明かり区間の現象としては、圧力変動、すれ違い、バラスト飛散及びホーム列車風等があり、トンネル区間の現象としては、圧力変動、トンネル内における車両動揺、車内換気、地下駅列車風及びパンタグラフ揚力等がある。

0004

これらの現象解明の実験手法として、静止列車模型を用いた風洞試験が知られている。しかし、風洞試験では、鉄道車両と地上構造物の相対運動を再現することはできず、これを再現するために、列車模型を用いた列車発射装置を用いることが知られている。

0005

このような列車発射装置は、種々の形態が知られており、例えば特許文献１に示すような列車模型を用いた列車発射装置が知られている。このような列車発射装置は、発射手段により発射される列車模型と、当該列車模型を貫通して列車模型を測定領域内に案内する案内手段とを備え、測定領域において、列車模型周りの流れ場を測定している。

0006

このような従来の列車発射装置を用いた実験では、小型の列車模型を用いて例えば１００ｋｍ／ｈを超える高速の空力実験を経済的に実施することができ、列車模型に総圧測定部や静圧測定部を設けることで、鉄道車両周りの境界層分布を測定することができる。

0007

特開２０１８−１０９５７３号公報

0008

しかし、従来の列車模型を用いた空力現象の解明方法は、鉄道車両がトンネルに突入する際に発生する圧力波に関する研究が進められており、列車模型を用いた実験では、圧力波を測定する場合、地上側に設置したコイルに列車模型に搭載された磁石が通過するときに発生する電圧を地上側で測定することが行われており、全ての測定が地上側に設置された測定装置で完結していた。

0009

一方、近年では特許文献１に示すように、流速測定用列車模型を用いることで、明かり区間やトンネル区間を走行する際の鉄道車両周りの流速が、模型実験で測定可能となってきている。流速測定用列車模型には、櫛型総圧管、小型圧力計、超小型データロガー、小型バッテリ等が搭載されているものの、上述したように位置の特定は、地上側で完結していることから、流速測定用列車模型には、列車模型側から地上の位置情報を取得する手段を有しておらず、トンネルなどの地上構造物との相対的な位置を把握することができないという問題があった。

0010

これまでの実験結果によって、トンネルに鉄道車両が突入すると、鉄道車両周りの流速は、明かり区間における流速よりも増速することが知られている。しかし、図７に示すようにトンネルＴに突入すると流速が増速することが示されているが、増速が始まるタイミングについては、その詳細が不明であった。この増速のタイミングとしていくつか考えられ例えば、図８に示すように、列車模型１１０の後方に設けた測定部１２１で流速を測定する場合、測定部１２１がトンネルＴに突入する前に、列車模型１１０の先端がトンネルＴに突入するため、列車模型１１０の突入に伴って、列車模型に排除された体積分の空気がトンネル坑口から噴流Ｆとなって列車模型１１０に沿って流れ、その流れはやがて測定部１２１に達する。測定部１２１における流速の増速はこのタイミングで始まると考えることができる。

0011

また、他のタイミングとしては、上述したような列車模型１１０の先端がトンネルＴに突入したことによる噴流Ｆによる影響は小さく、増速のタイミングは測定部１２１がトンネルに突入した時点であると考えることもできる。

0012

このように、従来の列車模型を用いた測定方法によると、列車模型とトンネルなどの地上構造物との相対的な位置を把握できないことから、上述したような流速が増速するタイミングの詳細を把握することができないという問題があった。

0013

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、列車模型を用いた鉄道車両周りの流れ場の測定を行う際に、例えばトンネル区間への突入に伴う流速の変化のタイミングの詳細を解明することができる空気力学模型実験装置を提供することを目的とする。

0014

本発明に係る空気力学模型実験装置は、発射手段により発射される空力計測列車模型と、前記空力計測列車模型を貫通することで、前記空力計測列車模型を測定領域内に案内する案内手段と、を備える空気力学模型実験装置において、前記空力計測列車模型は、前記空力計測列車模型の位置情報を取得する位置情報取得手段を備えることを特徴とする。

0015

また、本発明に係る空気力学模型実験装置において、前記位置情報取得手段は、光の照射部と地上に設置した地上反射板からの反射光を受光する受光部とを備えると好適である。

0016

また、本発明に係る空気力学模型実験装置において、前記地上反射板は、前記案内手段に沿って複数設置すると好適である。

0017

また、本発明に係る空気力学模型実験装置において、前記位置情報取得手段は、前記案内手段の周方向に巻回すと共に前記空力計測列車模型が挿通される地上コイルに対応する車上コイルを備えると好適である。

0018

また、本発明に係る空気力学模型実験装置において、前記位置情報取得手段は、前記案内手段から所定の間隔をもって配置された地上磁石に対応する車上コイルを備えると好適である。

0019

本発明に係る空気力学模型実験装置は、空力計測列車模型は、測定領域内における空力測定列車模型の位置情報を取得する位置情報取得手段を備えているので、空力計測列車模型側から地上の位置情報を取得することが可能となり、解明しようとする空力現象が、鉄道車両と地上構造物のどのような相対位置の時に発生しているのかを検討することが可能となり、空力現象の解明や対策の検討を飛躍的に向上させることができる。

0020

本発明の実施形態に係る空気力学模型実験装置の構成図。
本発明の実施形態に係る空気力学模型実験装置の空力計測列車模型を示す側面図。
本発明の第１の実施形態に係る空気力学模型実験装置の構成図。
本発明の第１の実施形態に係る空気力学模型実験装置の変形例を示す構成図。
本発明の第２の実施形態に係る空気力学模型実験装置の構成図。
本発明の第２の実施形態に係る空気力学模型実験装置の変形例を示す構成図。
空気力学模型実験装置で測定された流速波形を示す実験結果。
トンネル内への列車の突入に伴うトンネル坑口からの噴流を説明するための概念図。

0021

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

0022

［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る空気力学模型実験装置の構成図であり、図２は、本発明の実施形態に係る空気力学模型実験装置の空力計測列車模型を示す側面図であり、図３は、本発明の第１の実施形態に係る空気力学模型実験装置の構成図であり、図４は、本発明の第１の実施形態に係る空気力学模型実験装置の変形例を示す構成図である。

0023

図１に示すように、本実施形態に係る空気力学模型実験装置１は、発射手段１０により発射される鉄道車両を模した空力計測列車模型２０と、この空力計測列車模型２０を貫通することでトンネルを模した測定領域４０内に空力計測列車模型２０を案内するピアノ線などのワイヤからなる案内手段３０とを備えている。本実施形態に係る空気力学模型実験装置１は、発射手段１０によって発射された空力計測列車模型２０が測定領域４０内に突入することで空力計測列車模型の周りの境界層分布を測定するという方法を採用しており、空力計測列車模型２０に備えられた流れ場測定手段を構成する種々の圧力計によって空力計測列車模型周りの境界層分布を測定している。なお、測定領域４０を通過した空力計測列車模型２０は、制動装置５０に衝突させて停止させている。

0024

発射手段１０は、案内手段３０と線対称に配置された一対のローラ組１１が複数設置されており、該ローラ組１１の間を基台１４が通過することで、基台１４の先端に容易に分離できるように結合した空力計測列車模型２０とともに複数のローラ組１１によって順次加速されて所望の速度で空力計測列車模型２０を発射することができる。なお、発射手段１０と測定領域４０の間には制動手段１２が設けられている。制動手段１２には、空力計測列車模型２０の投影面積よりも径が大きく、かつ基台１４の投影面積よりも径が小さい空力計測列車模型通過孔１３が形成されており、測定領域４０の手前で基台１４を空力計測列車模型２０と分離して停止させるように構成されている。このような制動手段１２によって、図１に示すように空力計測列車模型２０のみが測定領域４０に突入するように構成されている。

0025

測定領域４０は、内径が１００ｍｍ程度に形成されており、本実施形態に係る空気力学模型実験装置１は、全体として約１／１００の縮尺で形成されている。なお、測定領域４０の案内手段３０に沿った長さは実験の条件に応じて適宜変更可能に構成されている。

0026

次に、本実施形態に係る空気力学模型実験装置１に用いられる空力計測列車模型２０について図２を参照して説明を行う。

0027

図２に示すように、空力計測列車模型２０は鉄道車両を模した形状を有しており、先頭形状が鉄道車両と等価な断面積変化をもつ単純な軸対称形状とし、中間部分は径の一様な円断面に形成されている。また、後端は切妻状に形成されている。また、外周面は、測定時の空力計測列車模型２０の近傍の気流の乱れを防止するために軸方向及び周方向に沿って円滑に形成されている。また、空力計測列車模型２０の側面には、測定部２１が径方向に突出するように配置されている。

0028

空力計測列車模型２０は、複数の部品に分割されて構成されると好適であり、図示しない側と照査用の磁石、静圧測定用の静圧孔並びに圧力計、重量バランスを整えるダミーウェイト、電源部、データ収納部及び位置情報取得手段２などが設けられている。なお、速度照査用磁石の詳細については、周知の磁石を用いているので詳細な説明は省略する。

0029

静圧孔は、空力計測列車模型２０の径方向に沿って穿孔されている。静圧孔は、空力計測列車模型に内蔵された圧力計に接続されている。

0030

電源部は、リチウム電池などの周知の電源供給手段が好適に用いられ、測定部及びデータ収納部などの駆動電源として機能する。

0031

データ収納部は測定部で測定した圧力データが収納することができればどのような構成を採用しても構わないが、例えばソリッドステートで作成したデータロガーが好適に用いられる。

0032

測定部２１は、空力計測列車模型２０の長手方向に沿って延設されると共に径方向に複数本配置された櫛形総圧管を備えていると好適である。

0033

図３に示すように、本実施形態に係る位置情報取得手段２は、空力計測列車模型２０に取り付けた光の照射部２２及び受光部２４並びに、案内手段３０から所定の間隔を有して地上に配置された地上反射板２３とによって構成されている。

0034

このように構成された位置情報取得手段２は、照射部２２から発射された光が地上側の地上反射板２３で反射され、当該反射光を受光部２４で受光することで地上反射板２３によって反射された時の信号を捉えることができ、この受光部２４が反射光を受光した時間から地上の位置情報を取得することができる。

0035

なお、地上反射板２３は、図４に示すように案内手段３０に沿って複数の反射板２３ａ，２３ｂが配置されても構わない。この場合、反射板の位置に応じて受光部が反射光を受光するので、より詳細な位置情報を取得することが可能となる。

0036

このように、本実施形態に係る空力計測列車模型２０は、照射部２２、地上反射板２３から反射した反射光を受光する受光部２４を備えており、測定領域４０内における空力計測列車模型２０の位置情報を取得することができるので、空力計測列車模型２０側から地上の位置情報を取得することが可能となり、解明しようとする空力現象が、鉄道車両と地上構造物のどのような相対位置の時に発生しているのかを検討することが可能となり、空力現象の解明や対策の検討を飛躍的に向上させることができる。

0037

［第２の実施形態］
以上、説明した第１の実施形態に係る空力計測列車模型２０では、位置情報取得手段として光の照射部２２と地上反射板２３からの反射光を受光する受光部２４とで構成した場合について説明を行った。次に説明する第２の実施形態に係る空力計測列車模型は、位置情報取得手段の他の構成について説明を行うものである。なお、上述した第１の実施形態と同一又は類似する部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

0038

図５は、本発明の第２の実施形態に係る空気力学模型実験装置の構成図であり、図６は、本発明の第２の実施形態に係る空気力学模型実験装置の変形例を示す構成図である。

0039

図５に示すように、本実施形態に係る空力計測列車模型２０ａの位置情報取得手段２ａは、空力計測列車模型２０ａに内蔵された車上コイル２５と、案内手段３０の周方向に巻回されると共に空力計測列車模型２０ａが挿通される地上コイル３１を備えている。

0040

車上コイル２５には、電源供給手段によって所定の電流が流れており、地上コイル３１内を車上コイル２５が通過することによる電場の変化によって空力計測列車模型２０ａ上で空力計測列車模型２０ａの位置情報を取得することができる。

0041

また、図６に示すように、地上コイル３１の代わりに案内手段３０から所定の間隔をもって配置された地上磁石３２によって位置情報取得手段２ｂを構成しても構わない。この場合、地上磁石３２は、永久磁石を用いると好適である。

0042

このように位置情報取得手段２ｂを構成することで、車上コイル２５に地上磁石３２の位置で電磁誘導によって電流が流れることで、このタイミングで空力計測列車模型２０ｂの位置情報を取得することが可能となる。

0043

また、上述した本実施形態に係る空力計測列車模型２０，２０ａは、光学装置又は磁場を発生させる装置によって位置情報取得手段を構成した場合について説明を行ったが、位置情報を空力計測列車模型側で取得することができれば、これらに限定されず、種々の位置情報取得の構成を採用しても構わない。また、第２の実施形態において地上磁石３２に永久磁石を適用した場合について説明を行ったが、磁場を発生させることができれば電磁石等を用いても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

0044

１空気力学模型実験装置， ２，２´，２ａ，２ｂ位置情報取得手段， １０ 発射手段， ２０空力計測列車模型， ２１測定部， ２２照射部， ２３ 地上反射板， ２４受光部， ２５ 車上コイル， ３０ 案内手段， ３１地上コイル， ３２ 地上磁石。