Table of Contents
وتشكل مركبات السكك الحديدية الخفيفة حجر الزاوية في التنقل الحضري المستدام، وتوفر قدرة عالية، ومروراً منخفضاً في المدن في جميع أنحاء العالم، ومع تزايد عدد سكان المدن وتشديد الأنظمة البيئية، أصبح الحد من استهلاك الطاقة أولوية عليا لوكالات النقل العابر، وقد أدى التصميم الأيرودنامي، بعد أن تم النظر في مرحلة ثانوية في مجال الحد الأدنى من سرعة خط السكك الحديدية بالمقارنة بالمكاسب العالية السرعة في مجال الطاقة.
فيزياء دراج الهوائي في السكك الحديدية الخفيفة
وفهما لما يكتسيه استخدام المركبات الفضائية في المركبات البرية، يجب أولا أن يقدر المرء القوى الموجودة في اللعب، فمع تحركات القطار عبر الهواء، يزيل الهواء في المستقبل، ويخلق اضطرابا على طول جانبيه، ويخلف أثرا في ارتفاع الضغط المنخفض، حيث تصل القوة المقاومة الغالبة إلى سرعة الارتفاع إلى ما بين ٦٠ كيلومترا و ٦٠ كيلومترا مربعا.
وتساهم ثلاثة عناصر في السحب العام: الإبطاء (السحب من واجهة السيارة وخلفها، ](أ) السحب من المحركات من الهواء المتحرك على السطح، و) سحبت من المحركات الدوارة في جميع أنحاء الجسم.
لماذا تتطلب كفاءة الطاقة التركيز الأيرودينامي
الوفورات المباشرة في الطاقة والتكاليف
ويتطلب كل جر جديد القدرة على التحمل، إذ يمكن تخفيض السحب بنسبة 20 في المائة في السنة في كل مرة واحدة من المركبات ذات السحب الواحدة أن يوفر عشرات الآلاف من الكيلوغرامات سنويا، وفي إطار أسطول متوسط الحجم يبلغ 50 مركبة، تتجاوز الوفورات التراكمية مليون كيلوواط في كل سنة، مما يمثل انخفاضا في تكاليف الطاقة المتحركة يتراوح بين 000 100 دولار و 000 150 دولار (وإن تحسنت استدامة أسعار الكهرباء المحلية).
المنافع البيئية
ويخفض استهلاك الطاقة من آثار الكربون في المرور العابر بالسكك الحديدية، وحتى عندما تكون الطاقة الكهربائية بواسطة شبكة تحتوي على مزيج من الوقود الأحفوري، فإن كل كيلوواط من الكوك تنقذ من نحو 0.4 إلى 0.8 كغم من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (تتم على أساس المنطقة)، وبالنسبة لأسطول ينقذ مليون كيلوواط سنويا، مما يترجم إلى 400 إلى 800 طن متري من ثاني أكسيد الكربون، ومع الالتزام بتحسينات صافي الـزيرو، تصبح أهدافا ذات فعالية في مجال الطاقة.
استكمال تكنولوجيات الكفاءة الأخرى
ولا تعمل الديناميات الهوائية في فراغ، إذ تجمع التصميمات المبسطة مع المكابح التجددية، ونظم التراكم العالي التراكمي الفعالة، وتعددية الوزن الخفيف، على سبيل المثال، تتطلب مركبة أخف طاقة أقل من الطين؛ وإذا كانت تلك المركبة أقل جرا، فإن عبء التسارع يخفض بدرجة أكبر، مما يتيح استخدام محركات صغيرة أكثر صغراً توفر وزناً إضافياً.
أحدث المركبات الجوية
وتتضمن المركبات المحتوية على مضبوطات متزامنة من المصافي الهوائية التي تم التحقق منها من خلال ديناميات السوائل الحاسوبية ] واختبارات نفق الرياح، وتفصل الأقسام الفرعية التالية مجالات التصميم الرئيسية.
Streamlined Front Ends and Windshield Wedges
(ج) إن أكثر التغييرات وضوحاً في تصميمات الأشعة المقطعية الحديثة هو الانتقال من المسطحات الأمامية إلى الأنوف المزروعة على شكل رطب، وأجهزة الزجاج المدمجة مع لوحات الجسم تقلل الضغط على نقطة الركود وترشد الهواء بسلاسة فوق السطح والجانب، وتشتمل بعض التصميمات على انخفاض طفيف في مستوى المصعد إلى أدنى حد (يؤثر على ارتفاع العجلات)([00]).
الأفرقة الفرعية والكفاءات
(أ) تحت جسم السيارة، مكونات مثل مقاومي الفرامل، ووحدات تكييف الهواء، والروابط الإيقافية تخلق سطحاً تقريبياً يولد اضطراباً، كما تسمى (FLT) ألواحاً من الجسم، وتخفض الحد من الجر، وكثيراً ما تتضمن التصميمات الحديثة أجزاء قابلة للتعديل من أجل الوصول إلى الصيانة، وتتوازن بين الأيروديناميات ذات القدرة على العمل.
فرق الجانب الممنوعة والانتقالات
وتخلق الحواف الجانبية الشحيحة على الجدران الجانبية فصلاً للتدفقات وتوسعاً في أعقابها، وتُبقي الأفرقة الجانبية المتحركة، أحياناً مع منحنى طفيف، تدفق الهواء مربوطاً على طول المركبات، كما أن الانتقال من السطح إلى الجدران الجانبية يُدور برفقة لطيفة لمنع الطلقات من التكوين في الزوايا، وكثيراً ما تكون هذه الصقلات غير مرئية للمسافرين ولكنها تخفضة بشكل جماعي.
قاذفات صابون وبحار مشتركة بين القارات
ويولد الهواء المُجبر بين المركبات المُقرَنة اضطراباً كبيراً وظاهرة جرّاء السيارات، ويستخدم المُخَطَّرات الحديثة المطاطية أو النسيج المرن (الأختام المُتَجَه) الذي يُسدِّد الفجوة تماماً ويُحدث سطحاً مُستمراً، كما أن التصميمات الجديدة، مثل تلك الموجودة في Stadler Tango(، تُحد من الختمَعَقَمَمَعَعَمَمَه].
المعارض البيانية
أما البانتوغرافات التي تستمد الطاقة من الأسلاك العامة فهي من أكبر مصادر سحبها على جهاز لاسلكية مركب نظراً لهياكلها المكشوفة والمفصولة، وتخفض في كثير من الأحيان من إنتاج المواد المركبة الخفيفة الوزن، وتفصل قاعدة البيانات، وأحياناً الربط الكامل، وتبث أجهزة الانتصار النشطة أو السلبية الهواء حول البنكرغرافي المرفوع، وتخفض نسبة الاستهلاك الطبيعي من المواد الوسيطة إلى المادة ٥.
Wheel Arch spats and Wheel Skirts
وتولد العجلات المكشوفة كلا من السحب والرفع بينما يُجبر الهواء على العجلات، وتُسلّط التنورات العجلات الكاملة أو الجزئية تدفق الهواء حول العجلات، وتخفض المنطقة المنخفضة الكساد وراء كل محور، وفي الرافعات الحديثة، كثيرا ما تُدمج هذه التنورات مع لوحات الجسم السفلي، وفي المناخات الباردة، تساعد أيضا في منع تكوّن الثلج والجليد، وتحسين موثوقية الشتوية.
الاختبار والتقييم: من مركز التحقيقات الجنائية إلى محاكمات العالم الحقيقي
(د) تصميم مركبات مائية متطورة مستحيلة دون محاكاة واختبار قويين. ] أدوات السائل المركب ] تسمح للمهندسين بنموذج مئات من التصفيقات في السليكو، وتعظيم شكل الأنف، وتصفية الألواح، ووضع تحت الجسم قبل بناء أي نوع من أنواع البرمجيات الافتراضية.
▪ أن تكون نماذج متطورة (من النوع 1:10 أو 1:20) مجهزة على متن طائرات أرضية متحركة لتحفيز الحركة النسبية للمسار.
On-track energy consumption measurements using calibrated power meters and onboard accelerometers provide the final proof. Agencies such as the Federal Transit Administration (FTA) and European Union have published standards (FTA Energy Effency
دراسات الحالة: قصص النجاح الحقيقية في العالم
لوس أنجلوس ميترو تينلين (خط معرض سابقا)
وفي أوائل عام 2010، رفعت شركة لوس أنجليس (LA Metro) أسطولها من السكك الحديدية الخفيفة ب7 مركبات جديدة مفصَّلة من [(FLT:0]Kinki Sharyo، ثم أدخلت لاحقاً ]P3010] سيارات بنيت بواسطة نفس الصانع.
Amsterdam Trams: VETAG and the 12G Series
The Amsterdam 12G series trams, introduced in the late 2010s by ]Alstom, featured an aggressive front‐end wedge and fully sealed gangways. The operator, GVB, reported that the 12G tramer consume 15 percent less energy per ki
سنغافورة LRT: Crystal mover
ويستخدم نظام سنغافورة للنقل السريع الخفيف، الذي تديره شركة SMRT، Mitsubishi Heavy Industries Crystal movers) وهذه المركبات غير المتحركة من بين أكثر المركبات التي تعمل على كثافة منخفضة جداً، وهي تعمل بشكل كامل تحت الجسم، وتدور حول التحولات في السقف(41) وتساهم في عمليات النقل الجماعي المتكاملة.
المستقبل: الجبهة التالية في LRV الأيروديناميك
وفي حين أن الخدمات المتطورة اليوم تستفيد بالفعل من عمليات صقلية جوية كبيرة، فإن العديد من التكنولوجيات الناشئة تعد بتحقيق مكاسب أكبر، وتركز جهود البحث على النظم النشطة والمواد المتقدمة، ونموذجات التصميم الجديدة.
الرقابة على تدفق المركبات
وبدلاً من الأشكال الثابتة، تستخدم أجهزة الاستشعار، والموجات الدقيقة، والدايبراغيمات التلاعب بطبقة الحدود في الوقت الحقيقي، مثلاً، محركات الطائرات الاصطناعية التي توضع على السطح، وأجهزة التحكم الجانبية يمكنها أن تعيد التدفق المنفصل أثناء التوائم، مع تقليل حجم السحب بنسبة 5-10 في المائة إضافية من نظم الاختبار الأوروبية (LFT)، بما في ذلك [1]
الوزن الخفيف، المواد المنخفضة الدراجات
(ج) استخدام البوليمرات المتحركة ذات القدرة العالية على التحكم في الكربون ومركبات الألياف في صناعة الفضاء الجوي بالفعل من أجل ارتفاع نسبة الوزن إلى الوزن، ويقلل تطبيق هذه المواد على قذائف الجسم المحتوي على الليفي وزناً عاماً (المقاومة المتطايرة المنخفضة) مع السماح بتكوينات أكثر تعقيداً وتحد من الجسيمات التي يمكن أن تكون غير عملية بالتبني التقليدي أو غيره.
التصميم المتكامل للبروبولشن - الديناميكية الهوائية
وتشير الدراسات الأخيرة إلى أن التفاعل بين المتناول الجوي تحت الأرض لتبريد المحركات والتدفق الجوي الخارجي يمكن أن يحقق فوائد متبادلة، إذ أن تعيين المتناولين في المناطق المنخفضة الكساد وفتحات العادم في المناطق العالية الكساد، يمكن للمهندسين أن يقللوا من قوة المعجبين بالسحب والتبريد، وقد أثبت جامعة برمنغهام للبحوث المتعلقة بالسكك الحديدية().
التوابع الرقمية والآلات المتطورة
(أ) [التقارب بين المحاكاة والتعلم الآلي في برلين يتيح تحقيق الاستخدام الأمثل للهوائيات أثناء عمر المركبة، ويتلقى توأم رقمي من جهاز لاسلكي بيانات آنية من أجهزة الاستشعار على متن السفينة (الأجهزة الصنابير، ومطياف العجلات، ومترات الطاقة) ويستكمل نموذج الـ (CFD) ليحسب لـه الـلـبـيـة أو الترابـعـيـيـة (الـغ)
التصميم البيولوجي - المُلهم والبيولوجي
وتوفر الطبيعة حلولاً بارزة للمشاكل الدينامية المتدفقة، فشكل منقار لقب ملوك، الذي يسمح له بالغطاء في الماء بأقل قدر من الرذاذ، قد ألهم أنوف القطارات العالية السرعة في اليابان والصين، وبالنسبة للمضادات الأرضية، يقوم الباحثون بفحص الأنبوبية على قنابل الحوت الرطبة وحجم السمكة الخرسانية لخلق أسطح تؤخر التعثر وتخفف من الاضطرابات([1]).
الآثار الاقتصادية والتشغيلية
فالاستثمار في الديناميات الهوائية يتطلب رأس مال مقدم، سواء بالنسبة للمركبات الجديدة أو للارتدادات، غير أن فترة الانتكاس هي عادة قصيرة، كما أن إعادة استخدام الطاقة المتوسطة النطاق في الألواح السفلية والأختام المشتركة بين السيارات، تبلغ تكاليف أسطول المركبات يتراوح بين ٥,٥ و٢ مليون دولار تقريبا، بينما تبلغ وفورات الطاقة الحالية ٠٠٠ ١٠٠ دولار في السنة، تدر عائدا بنسبة ١٥-٢٠ سنة.
وبالإضافة إلى وفورات الطاقة المباشرة، يمكن أن يمتد الحد من السحب الهوائي إلى نطاق المركبات المزودة بالطاقة الكهربائية العاملة بالبطارية العاملة في الأقسام غير المُصَدَّرة - وهي ميزة حاسمة بالنسبة للعدد المتزايد من الهجينات المتطاولة، كما أن انخفاض الجر يخفض الضوضاء من اضطراب الهواء، ويسهم في عمليات أكثر هدوءاً وبساطة، وعلى سبيل المثال، ظهرت معارض جانبية وثغرات مقفلة بين السيارات(30).
خاتمة
إن مركبتي السكك الحديدية الخفيفة قد تقدمت بشكل كبير على مدى العقدين الماضيين، بسبب الضغوط المزدوجة لتكاليف الطاقة وتخفيض الكربون، ومن الانفاق المبسط إلى التحكم في التدفق النشط، فإن كل عنصر من عناصر المناطق الخارجية للمركبات يفحص الآن إمكانية الحد من السحب، كما أن الجمع بين الديوكسينات الديموقراطية والاختبارات الريحية للنفقات، والتأكد من صحة البيانات في العالم الحقيقي بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة في العديد من الأسطول الحديث.