Table of Contents

تحدي المقاومة الجوية في السرعة العالية

وقد أدى ارتفاع سرعة السكك الحديدية إلى تحويل السفر بين المدن، وقطع أوقات الرحلة، وتوفير بديل منخفض الكربون للسفر جوا، حيث أن القطارات تتعدى 300 كيلومتر/ساعة (186 مليون مترا)، ويصبح السحب الجوي هو القوة المهيمنة المعارضة، وفي هذه السرعة، يأتي أكثر من 75 في المائة من المقاومة الكلية التي يعانيها القطار من الاحتكاك الجوي، وبالتالي فإن الحد من معامل الجر ليس مجرد تحدٍ هندسي أدنى من حيث سرعة الإنتاج.

ومعامل السحب، الذي كثيرا ما يُخصَّص بـ " Cd]، هو رقم لا يبعد ويُصف كفاءة المركبات في الهواء، كما أن انخفاض مستوى الطاقة يعني أن القطار ينزلق عبر الهواء بأقل مقاومة، مما يتطلب جهدا أقل جاذبا للحفاظ على السرعة.

وتدرس هذه المادة الفيزياء الأساسية لسحب القطارات العالية السرعة، واستراتيجيات التصميم والتكنولوجيات المستخدمة لتقليله إلى أدنى حد، وأمثلة العالم الحقيقي من نظم السكك الحديدية الرائدة، والاتجاهات المستقبلية التي تعد حتى بالكمبيوتر، والقطارات الأكثر كفاءة.

فيزياء دراغ الهوائي في القطارات

ويتكون السحب الجوي على متن قطار من عدة عناصر: جر الضغط (سحب الشكل) الناجم عن شكل القطار، وسحب الاحتكاك الجلدي بسبب شدة السطح وآثار خط الحدود، وسحبه من اختلافات الضغط حول القطار ووقوفه، وخلافا لمركبات الطرق، فإن القطارات السريعة جدا تتعرض أيضا لسحب كبير من الجسم السفلي والفجوات بين السيارات، وكذلك من البنادق ومعدات السطح الأخرى.

ويزداد مجموع القوة الهوائية بسرعة، بينما تزداد القوة اللازمة للتغلب على هذه القوة مع مكعب السرعة، مما يعني أن زيادة سرعة القطار من 300 كيلومتر/ساعة إلى 350 كيلومترا/ساعة، تنمو الطاقة اللازمة للتغلب على المقاومة الجوية بنسبة 60 في المائة إذا ظل معامل الجر دون تغيير، وتفسر هذه العلاقة الهائلة سبب تقادم مصممي السكك الحديدية على كل تفاصيل القطارات الداخلية.

The Reynolds number for a typical high-speed train at 300 km/h is on the order of 107], indicating fully turbulent flow over most of the body. Engineers must therefore manage complex turbulent boundary layers at the tail, and large-scale vortices that shed from the pressure’s rear endar.

Pressure Drag vs. Skin Friction

وبالنسبة للقطار الحديث السريع، فإن ضغط الدراجات يمثل ما يقرب من ٦٠ إلى ٧٠ في المائة من المقاومة الهوائية الكلية، مع احتكاك الجلد الذي يشكل الباقي، ويهيمن على السحب المضغي الأنف والخلفية - المناطق التي يضطر فيها الهواء إلى التعجيل بها وتباطؤها بشدة، ويخلق الأنف البشع منطقة ركود عالية الضغط، ويدفع نحو القطار المتسارع إلى الوراء.

أما احتكاك القربى، فيتوقف على المنطقة المبللة من القطار وتقريبية سطحه، حيث توجد مساحة أطول من سطح القطارات، مما يزيد من احتكاك الجلد، ولكن القطار الأطول يقلل أيضا من المساهمة النسبية للأنف والذيل لكل ركاب لأن تدفقها على منتصف الجسم يرتبط به بشكل عام ويستمر، ومتوسط طول القطار هو مفاضلة بين هذه الآثار، وهذا هو السبب الذي يجعل 8 من القطارات ذات السرعة العالية.

Streamlined Shapes: The Foundation of Low Drag

إن أكثر الاستراتيجيات وضوحاً وتطبيقاً عالمياً للحد من الجر هو تبسيط الشكل الخارجي، والصورة الكلاسيكية لمدرب ممتد على نطاق واسع ومطوّل بالرصاص، مع كونتوريات سلسة - هي نتيجة مباشرة لتحقيق الاستخدام الأمثل للهيرودينامي.

تصميم الأرقام

ويجب أن يحقق أنف القطار العالي السرعة هدفين متضاربين في بعض الأحيان: تقليل ضغط الركود إلى أدنى حد، وخفض الضغط الذي يمكن أن يؤدي إلى فصل خط الحدود إلى مزيد من الانفصال في أسفل المجرى، وقد ظهرت أسرتان رئيسيتان من أشكال الأنف: أنف ذو شكل عشوائي، مع حد أفقي حاد يقسم الهواء الوافد، والأكثر جفافا، وطول الأنف الحاد الذي استخدم في العديد من دورات التدريب اليابانية على خط الوميض.

ويقيد الحد العملي لطول الأنف طول منصة المحطة، ومتطلبات التقارب، والحاجة إلى الحفاظ على وضوح السائقين، ويستخدم بعض القطارات الحديثة تمديداً سلبياً أو نشطاً لأنفها لا ينشر إلا بسرعة عالية، مما يعطي أفضل من كلا العالمين واجهة مدمجة في المحطات، وموجزاً طويلاً وخفيض الدراة على المسار المفتوح.

تصميم الطاولات

While the nose gets most of the attention, the tail of a high-speed train is equally important for drag reduction. A blunt rear end creates a massive, low-pressure wake that can account for 25 -30% of total drag. Designers taper the tail to a narrow point, often using a “duck-tail”

كما أن القطارات الحديثة مثل منصة سيمينس فيلارو تستخدم ذيل ممزق ولكن لا يزال ملصقاً بدقة مع إيلاء اهتمام دقيق لديناميات دوامة الخلفية، وكثيراً ما تكون سيارات القطار المتطايرة مختلفة عن السيارات الوسيطة لإدارة الانقضاض بفعالية.

الثغرات والمعارض المشتركة بين القارات

وعندما تقترن سيارات متعددة ببعضها، تؤدي الثغرات القائمة بينها إلى اضطرابات في التدفق المحلي تزيد من الجر والضوضاء، وتُبنى القطارات العالية السرعة تقريباً مع ] ] الكاملة في المعارض المشتركة بين السيارات - المطاط أو الأغطية المعدنية المرنة التي تفصل الفجوة وتقدم سطحاً سلساً ومستمراً إلى التدفق الجوي، وبدون هذه التصويب، فإن مجموع السيارات البالغ 10-15.

التعظيم السطحي: المواد والترميزات

وحتى الشكل الأكثر تبسيطاً سيعاني من جر مفرط إذا كان السطح قاس أو يحتوي على عناصر متطورة، ويستهدف الترجيح السطحي مجالين رئيسيين هما: احتكاك الجلد واضطرابات التدفق المحلي.

فريقا الجسم المسنن وفلوش فيتينغز

كل شظية، مقبض الباب، إطار النافذة، ومجمع اللوحات على قطار سريع جداً هو نقطة سفر محتملة لطبقة الحدود، مما تسبب في انتقالها من التدفق الحرفي إلى التدفق المضطرب قبل الموعد المنشود، وتدفق التدفق المفاجئ له أعلى بكثير من التدفق المائي، وبينما لا يزال الحفاظ على تدفق حراري كامل على كامل جسم القطار غير عملي في أعداد ريينولدز التي ينطوي عليها، فإن الإضطرابات لا تزال مفيدة.

وتستخدم القطارات الحديثة ذات السرعة العالية النوافذ المتحركة ] التي تنزف بلاسة إلى لوحة الجسم، وغالبا ما تكون عجلة الزجاج مطابقة لقطع القطار المعبر، وترمي الأبواب الخارجية إلى أن تتدفق مع الجسم عندما تغلق، كما أن حواجز الأسوار التي تُستخدم في أشعة الليزر أو تُربط بفجوات متطاولة.

الطلاء والتزكية

وقد تم تطوير طلاءات خاصة منخفضة الارتداد للسكك الحديدية عالية السرعة، وتتضمن هذه الطلاءات جزيئات دقيقة تخلق سطحاً سلساً جداً ويمكن أن تقلل من احتكاك الجلد بنسبة 1-2 في المائة مقارنة بالطلاء المعياري، كما أن بعض الطلاءات التجريبية تتضمن خصائص هيدروفورية تقلل إلى أدنى حد من ظفر التراب والحشرات، مما يمكن أن يقشر على السطح عبر الزمن، ولا يزيد من تكلفة استخدام القطارات.

تحت الجسم الأيروديناميك

The underbody of a high-speed train is a complex, turbulent region where drag can be high due to the exposed wheels, suspension components, and braking equipment. To manage this, trains are fitted with underbody fairings or full belly pans that create a smooth floor from front to rear. These fairings also help reduce aeroV

الابتكارات التكنولوجية في مجال خفض الدراج

وأقوى الأدوات في مجموعة المواد الأيرودينامية اليوم هي ديناميات السوائل الحاسوبية والأجهزة الأيرودينامية النشطة، وهذه التكنولوجيات تتيح للمهندسين استكشاف تصميمات يتعذر عليها الاستفادة منها على النحو الأمثل باستخدام الأساليب التقليدية للرياح والشبكة وحدها.

الديناميات الفولطية الحاسوبية

وتحل محاكاة الـ CFD معادلة الـ نافيير - ستوكس لنموذج تدفق الهواء حول قياس هندسة ثلاثية الأبعاد، ويمكن أن تجري المجموعات الحاسوبية ذات الأداء العالي محاكاة مع عشرات الملايين من الخلايا، وحل المشاكل المضطربة، وتدرجات الضغط بالتفصيل، ويستخدم المهندسون مبيدات الآفات المشبع بالفلور في تصميمات الأشعة دون أن تكون مصممة على شكل أنوف، ومصممة حسب نوعها.

وفي تطوير السكك الحديدية الحديثة السريعة، تستخدم هذه المادة بالاقتران مع ] خوارزميات التخصيب ] التي تعدل تلقائياً معايير قياس الأرض لتقليل السحب إلى أدنى حد مع احترام القيود مثل قدرة الركاب، وقابلية التحطم، وتطهير المنصات، وعلى سبيل المثال، تم استخدام أنف قطار الصين H380A الذي يُعدّل آلياًاًاًاً بمقياس للجفاف متعدد الأطراف.

اختبار النفق الفائز

وعلى الرغم من قوة الديوكسين الرئوي، لا يزال اختبار النفق الريحي ضرورياً للتحقق، فقد تم تركيب نماذج من القطارات العالية السرعة (من 1 إلى 1 إلى 1 إلى 15) على طائرة أرضية متحركة لتحفيز الحركة النسبية بين القطار والطريق، كما أن قياسات القوى والضغوط والتدفقات البصرية باستخدام الدخان أو السلحف تساعد على تأكيد تنبؤات النفق في إطار مبادرة الفرنك الريحي.

الأجهزة الأيرودينامية النشطة

والحدود التالية في الحد من الجر هي الديناميكية الهوائية النشطة: السطح المتحرك الذي يتكيف في الوقت الحقيقي مع ظروف التشغيل المتغيرة، وتواجه القطارات السريعة مستويات مختلفة من البيئات الهوائية - عبر الأنفاق، وفي فترات متقاطعة، وأثناء التسريع، وفي أقصى رحلة بحرية، ويجب أن يكون هناك حل وسط بين هذه الظروف.

Active erers] mounted on the roof or at the rear can deploy at low speeds to increase downforce for braking, then retract at high speeds to minimize drag. Some designs incorporate ]adjustable airfoils on the sides of the trainX can be effect cancelledd

وثمة مفهوم نشط آخر هو أنف مفجع ] حيث يُنقَص الهواء المضغوط من فتحات صغيرة بالقرب من واجهة القطار لتنشيط طبقة الحدود وتأخير الفصل، وفي حين أن هذه النظم لا تزال تجريبية، فإنها يمكن أن تقلل من جر الأنف بنسبة 5 إلى 10 في المائة إضافية.

أمثلة عالمية حقيقية: دروس من نظم السكك الحديدية الرائدة

وتوفر معامل سحب القطارات العالية السرعة الحقيقية معيارا للتقدم، وفي حين أن الأرقام الدقيقة غالبا ما تكون مملوكة للملكية وتعتمد على كيفية تعريف المعامل (السيارة الرائدة في اتجاه السيارات مقابل التدريب الكامل)، فإن الأمثلة التالية توضح تطور التصميم الهوائي.

اليابانية شينكانسين

The Shinkansen network pioneered high-speed rail in 1964 with the Series 0, which had a rounded nose but a comparatively high Cd of about 0.40 for the leading car.

TGV الفرنسية

The French TGV (Train à Grande Vitesse) has always emphasized aerodynamic efficiency. The original TGV Sud-Est of 1981 had a distinctive wedge nose and a full-length underbelly fairing. Over successive generations-TGV Atlantique, TGV Duplex, and TGV M-the nose became more sharplyred and the intercar gaps more completely seal

ألمانيا

وقد شهدت سلسلة التداخل الألماني تحسنا مطردا، حيث كان للشبكة الدولية للمحيط الهندي أنف مدور ولكنه قصير نسبيا، حيث ميزت الدائرة 3 (1999) أنف أكثر تبسيطا وأزالت سيارة الكهرباء بالخط الموزع، مما أتاح انتقالا سلسا بين السيارات، وتستخدم منصة فيلارو (الساعة 3M، وفيلارو إي، وفيلارو دال) جلدا خارجيا مستمرا، وفجوات منخفضة جدا فيما بين السيارات.

الصين CRH

وقد حققت شبكة الصين ذات السرعة العالية، وهي أكبر شبكة في العالم، تقدما سريعا في الديناميات الهوائية، حيث استحدثت سلسلة من سلسلة " CCRH380A " و " CRH380B " أنوف أكثر توجها مستوحاة من الطبيعة (القرصان، الدلافين، والنسور) حيث تبلغ مساحتها 12 مترا، كما أفادت التقارير بأن " سلسلة " قطارات صغيرة جدا " (C(400)(26)([FLT)(د)(د)(د)(د)(د)(د)(د)(د)(د)(د)(د)(ب)(ه(ه(ه(ه(ه)(ه(ه(ه(ه)

وفورات الطاقة وتأثيرها البيئي

ويمتد الدافع إلى الحد من السحب إلى ما يتجاوز سجلات السرعة، ويترجم انخفاض السحب مباشرة إلى انخفاض استهلاك الطاقة، مما يقلل تكاليف التشغيل وانبعاثات الكربون، ويستمد القطار العادي العالي السرعة الذي يعمل على مسافة 300 كيلومتر/ساعة حوالي 8 إلى 10 ميغاوات من الطاقة من الخطوط العامة، ويوفر تخفيضاً بنسبة 10 في المائة في الجر الهوائيات حوالي 0.6 إلى 0.8 ميغاوات في تلك السرعة إلى طاقة مئات المنازل.

وعلى مدى عمر مجموعة التدريب (30-40 سنة)، تكون هذه الوفورات كبيرة، إذ يمكن أن يتجاوز التخفيض التراكمي للطاقة، بالنسبة لأسطول يبلغ 50 قطاراً يعمل 12 ساعة يومياً، 150 جيغاواط/ساعة، وهو ما يعادل عشرات الآلاف من الأطنان من ثاني أكسيد الكربون (2) ] الانبعاثات القابلة للتجنُّب، وبالإضافة إلى ذلك، يسمح انخفاض الجر بالقطارات بصيانة سرعة الجدول بأقل من الطاقة الكهربائية.

كما يؤثر معامل الجر على توليد الضوضاء، ويصبح الضوضاء الهوائية مصدر الضوضاء الغالب فوق حوالي 280 كيلومتراً/ساعة، ولا سيما في البنكروغراف والسيارة الرئيسية، كما أن المخروطات والأجهزة النشطة التي تقلل من انبعاثات الضوضاء، مما يجعل السكك الحديدية عالية السرعة أكثر قبولاً للمجتمعات المحلية على طول الطريق.

التحديات والمفاضلات

فالتصميم على أدنى معامل للجراحة لا يخلو من أي تنازلات، فالأنف المبسط الطويل جدا يجعل من الصعب تجهيز سيارة السائق والاحتفاظ برؤية جيدة، كما أنه يضيف طولا إلى القطار، الذي يمكن أن يعقّد مخططات محطات القطار ويزيد وزن هيكل الأنف (الذي يجب أن يفي بمعايير صلاحية التحطم). وبالمثل، فإن المعارض الواسعة النطاق التي تُعرض تحت الجسم تضيف وزناً وتخفض إمكانية الوصول إلى الصيانة.

وهناك أيضا مسألة الاستقرار المتقاطع، وقد يؤدي شكل متدني جدا إلى رفع غير مرغوب فيه أو إلى قوات جانبية في رياح قوية، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين خفض السحب وبين الاستقرار الهوائي، وضمان بقاء القطار على المسار بأمان حتى في ظروف ضجة شديدة، وهذا التوازن موضوع بحث نشط، لا سيما بالنسبة للقطارات التي تعمل بسرعة تتجاوز 350 كيلومترا/ساعة.

وأخيرا، يجب أن تُتاجر تكاليف التصنيع والتعقيد الهوائي، فالأجهزة الأيرودينامية النشطة تضيف أجزاء متحركة ونظما للمراقبة ومتطلبات الصيانة، وبالنسبة للعديد من المشغلين، فإن وفورات الطاقة من الأجهزة العاملة لا تبرر بعد التكلفة المضافة ما لم يكن القطار مصمما لسرعة عالية جدا (ما فوق 350 كيلومترا/ساعة) حيث تكون المكاسب أكثر أهمية.

الاتجاهات المستقبلية في خفض الدراج

ولا يزال السعي إلى تحقيق معامل سحب أقل مستمرا، مدفوعا بالطموح إلى بلوغ 400 كيلومتر/ساعة من السرعة التجارية وإلى زيادة تحسين كفاءة الطاقة، وهناك اتجاهات ناشئة عديدة تبرز الطريق إلى الأمام.

التصميم المُلهم بيولوجيا

ويتطلع المهندسون بشكل متزايد إلى الطبيعة للإلهام، إذ أن منقار الملوك ألهم أنف شينكانسن 500، وقد أثرت الرحلة الهادئة للعموم على تصميم البانتوجرافات لتقليل الضجيج، ويجري حاليا دراسة تيك، وهي أجسام مبسطة من الحيتان الرطبة (مع قاعاتها المتدنية الدراج) من أجل تحقيق أفضل المواهب الجانبية لسيارات القطارات، وكثيرا ما تؤدي هذه النهوج الكيمائية إلى الحد من السحب والض في آن واحد.

الأقرباء المطيعون والمؤن

ويمكن أن تسمح البحوث في هياكل التعبئة ] ] بتغيير سطح القطار بأكمله بسرعة مختلفة، مثل جناح الطيور الذي يضبط للإقلاع والرحلة البحرية.() ويمكن أن تدمج الأفرقة المركبة المرنة التي يمكن أن تغير الستار أو تنشر دبابيس صغيرة (مثل سطح كرة الغولف) في التلاعب بطبقة الحدود التي يمكن أن تدمج في جسم القطار المتقدم.()

التعبئة والاشتراك في الديناميكية الهوائية

وإذا كان القطارات السريعة تعمل في تشكيلات قريبة جدا (العمل بالبطاقات) كما هو الحال مع بعض التشكيلات المتطورة على المسارات التقليدية، يمكن أن تدار الفجوة الجوية بين القطارات لتقليل السحب العام، ويجري دراسة هذا النهج للجيل القادم من الممرات ذات السرعة العالية حيث يمكن أن يقترن القطارات المتعددة بصورة مؤقتة، مما يتيح للقطار الرائد الحد من السحب للقطارات المتقطبة.

المعالم المدمجة وعلم الزكام الهوائي

إن البنكروغ هو مصدر مرموق للسحب والضوضاء، إذ ستدمج التصميمات المستقبلية اللوحة في سكن مبسط يتدفق مع السطح عندما لا يتم نشره. ] Active pantograph fairings التي لا يمكن أن تقطع عن طريق نصف قطرة من سطحها، وهذه المعارض تظهر بالفعل على أحدث جيل من اليابانيين والقطارات.

الاستخبارات الفنية واستكشاف التصميم

ويتزايد استخدام التعلم في مجال الآلات لتسريع الاستخدام الأمثل للهوائيات، ويمكن للشبكات العصبية التي تم تدريبها على آلاف نتائج المؤتمر أن تتنبأ بسحب شكل جديد في الثانية المليمونة، مما يتيح عمليات البحث في مجال التصميم بواسطة القوة الشراعية، ويمكن أن تنتج الخوارزميات التصميمية الجامدة أشكالا تبدو غريبة ولكنها تؤدي أداءً رائعاً، ومن المتوقع أن يصبح الاستخدام الأمثل في جميع البرامج الجديدة ذات السرعة العالية.

خاتمة

ويمثل الحد من معامل سحب مركبات السكك الحديدية العالية السرعة تحديا متعدد الأوجه يتطلب خبرة في الديناميات السوائل، وعلم المواد، والهندسة الهيكلية، وتكامل النظم، وقد كان التقدم المحرز على مدى العقود الستة الماضية ملحوظا من سلسلة شينكانسن التجارية التي انقذت نسبيا إلى حديد، والقطارات الدينامية العاملة اليوم، وأجهزة خفض الطاقة الكهربائية العاملة في إطار خط الأساس (C) أعلى [الهياكل الأساسية الدنيا:]

ويعود المستقبل بمكاسب أكثر دراماً، مدفوعة بالنظم النشطة والمكيفة، والتشكيلات المحفزة أحيائياً، والاستخبارات الاصطناعية، وبالنسبة لمشغلي السكك الحديدية الملتزمين بالاستدامة والقدرة التنافسية، فإن كل نقطة من نقاط الحد من الجر هي خطوة نحو شبكة أنظف وأسرع وأكثر كفاءة عالية السرعة، ومع تزايد الطلب على السفر منخفض الكربون، فإن الامتياز الهوائي للقطارات السريعة سوف يظل ميزة تنافسية حاسمة.

For further reading on the aerodynamics of high-speed trains, consult research journals on train aerodynamics and the Railway Technology overview of aerodynamic design[FT:3].