Достижения в аэродинамике легких железнодорожных транспортных средств для энергоэффективности

Легкие железнодорожные транспортные средства (LRV) являются краеугольным камнем устойчивой городской мобильности, обеспечивая транзит высокой пропускной способности, с низким уровнем выбросов в городах по всему миру. По мере роста населения городов и ужесточения экологических правил, сокращение потребления энергии стало главным приоритетом для транзитных агентств. Аэродинамический дизайн, когда-то второстепенное внимание к легкому железнодорожному транспорту - учитывая его более низкие скорости по сравнению с высокоскоростными поездами - появился в качестве критического рычага для повышения энергоэффективности. Достижения в области вычислительного моделирования, материаловедения и реальных испытаний позволяют производителям и операторам сократить аэродинамическое сопротивление на 10-30%, непосредственно переводя в более низкие счета за электроэнергию, сокращение выбросов парниковых газов и расширение диапазона транспортных средств на секциях без катанария. В этой статье исследуется фундаментальная физика, последние дизайнерские инновации, практические тематические исследования и будущая траектория аэродинамики LRV.

Физика аэродинамического перетаскивания в световой железной дороге

Чтобы понять, почему аэродинамика важна для LRV, сначала нужно оценить силы, действующие. Когда поезд движется по воздуху, он вытесняет воздух вперед, создает турбулентность по бокам и оставляет след вихрей низкого давления позади. Доминирующей резистивной силой является аэродинамическое сопротивление, которое масштабируется с квадратом скорости. При скромном 50 км / ч (31 миль в час) сопротивление составляет примерно 30-40% от общего сопротивления; при 80 км / ч (50 миль в час) оно прыгает до более чем 60 процентов. Многие современные линии легкой железной дороги имеют участки, где транспортные средства достигают 70-100 км / ч (43-62 миль в час), что делает уменьшение сопротивления ощутимой целью эффективности.

Три компонента способствуют общему перетаскиванию: перетаскиванию давления (формовое перетаскивание) спереди и сзади транспортного средства, перетаскиванию трения от воздуха, движущегося по поверхностям, и , вызванному перетаскиванием от вихрей, сбрасываемых по краям и между автомобилями. Перетаскивание давления доминирует на типичных скоростях LRV, и именно этот компонент упрощает конусы носа и гладкие контуры кузова, чтобы минимизировать. Кроме того, область под днища, подверженная грубым путевым структурам, колесным наборам и компонентам подвески, может составлять до 20 процентов от общего сопротивления из-за турбулентности и рециркуляции воздуха.

Почему энергоэффективность требует аэродинамического фокуса

Прямая энергия и экономия затрат

Для одного LRV, работающего 300 дней в году, сокращение сопротивления на 20% может сэкономить десятки тысяч киловатт-часов в год. В среднем парке из 50 автомобилей совокупная экономия превышает один миллион кВт-ч каждый год, что представляет собой снижение затрат на тяговую энергию примерно на 100 000-150 000 долларов США (в зависимости от местных тарифов на электроэнергию). Эта экономия непосредственно улучшает финансовую устойчивость транзитных операций, часто за счет доли затрат на другие меры эффективности.

Экологические преимущества

Сокращение потребления энергии снижает углеродный след железнодорожного транзита. Даже при питании от сети с использованием смеси ископаемого топлива каждый сэкономленный кВтч позволяет избежать примерно 0,4-0,8 кг выбросов CO2 (изменяющихся по регионам). Для флота, который экономит один миллион кВтч в год, что приводит к 400-800 метрических тонн CO2, которого удалось избежать. Поскольку транзитные агентства берут на себя обязательства по достижению нулевых целей, аэродинамические улучшения становятся простым, экономически эффективным фактором для достижения климатических целей.

Дополнение других технологий эффективности

Аэродинамика не работает в вакууме. Сочетание оптимизированных конструкций с рекуперативным торможением, эффективными системами HVAC и легкой конструкцией умножает общие выгоды. Например, более легкое транспортное средство требует меньше энергии тяги; если это транспортное средство также имеет более низкое сопротивление, нагрузка на ускорение уменьшается далее, позволяя меньшие, более легкие тяговые двигатели, которые экономят дополнительный вес. Этот добродетельный цикл делает аэродинамику основополагающим элементом любой целостной программы снижения энергии.

Современные аэродинамические особенности легких железнодорожных транспортных средств

Современные LRV включают набор аэродинамических усовершенствований, которые были проверены с помощью вычислительной динамики жидкости (CFD) и испытаний аэродинамической трубы. В следующих подразделах подробно описаны ключевые области проектирования.

Обтекаемые передние концы и клинья ветрового стекла

Наиболее заметным изменением в современной конструкции LRV является переход от плоских, квадратных передних концов к метким, клиновидным носам. Изогнутые стеклянные лобовые стекла, интегрированные с панелями кузова, снижают давление точки застоя и плавно направляют воздух по крыше и бокам. Некоторые конструкции включают небольшой нисходящий наклон, чтобы минимизировать подъем (который может повлиять на сцепление колесных рельсов). Например, в серии Siemens S700 и Alstom Citadis X05 используются угловые носовые профили, которые уменьшают лобовое сопротивление до 15 процентов по сравнению с более ранними, более вертикальными конструкциями.

Оптимизированные панели и юбки для тела

Под кузовом автомобиля такие компоненты, как тормозные резисторы, кондиционеры и подвесные соединения, создают шероховатую поверхность, которая генерирует турбулентность. Полноразмерные панели кузова, также называемые поддонами, успокаивают пол, уменьшая сопротивление. Современные конструкции часто имеют съемные секции для доступа к техническому обслуживанию, балансируя аэродинамику с исправностью. Например, в Bombardier Flexity 2 используется модульные крышки кузова, которые сокращают сопротивление на 10 процентов.

Изогнутые боковые панели и переходы крыши

Резкие края на боковых стенках создают разделение потока и расширение будки. Загнутые боковые панели, иногда с небольшой выпуклой кривизной, дольше удерживают воздушный поток вдоль длины транспортного средства. Аналогично, переход от крыши к боковым стенкам мягко округлен, чтобы предотвратить образование вихрей на углах. Эти уточнения часто невидимы для пассажиров, но в совокупности уменьшают боковое трение и сопротивление давлению.

Наполнители и межавтомобильные уплотнения

Воздух, форсированный между соединенными транспортными средствами, создает значительную турбулентность и сопротивление - явление, известное как перетаскивание между автомобилями. Современные LRV используют гибкие резиновые или тканевые сильфоны (уплотнения клыка), которые полностью закрывают зазор, создавая непрерывную аэродинамическую поверхность. Более новые конструкции, такие как на трамваях Stadler Tango, также включают в себя пластины бокового заполнения, которые минимизируют проникновение воздуха на перекрестке. Уплотнение зазора в полный рост может уменьшить общее сопротивление на дополнительные 5-8 процентов.

Пантографические обтекатели

Пантографы, которые получают энергию от воздушных проводов, являются одними из крупнейших источников сопротивления LRV из-за их открытой, сочлененной структуры. Аэродинамические обтекатели, часто изготовленные из легких композиционных материалов, включают основу пантографа, а иногда и всю связь. Активные или пассивные дефлекторы направляют воздух вокруг поднятого пантографа, снижая сопротивление на скорости. Несколько европейских производителей трамваев теперь предлагают опциональные покрытия пантографа, которые снижают потребление энергии на 3-5 процентов при нормальной работе.

Колесные арки Spats and Wheel Skirts

Обнаженные колеса генерируют как сопротивление, так и подъем, поскольку воздух заталкивается в колесные арки. Полные или частичные колесные юбки сглаживают воздушный поток вокруг колес и уменьшают область низкого давления за каждой осью. На современных LRV эти юбки часто интегрируются с панелями днища. В холодном климате экранированные арки также помогают предотвратить накопление снега и льда, повышая зимнюю надежность.

Тестирование и валидация: от CFD до реальных испытаний

Проектирование аэродинамических LRV невозможно без надежного моделирования и тестирования. Инструменты вычислительной гидродинамики (CFD) позволяют инженерам моделировать сотни итераций проектирования в силику, оптимизируя форму носа, изгиб панели и расположение днища перед любым физическим прототипом. Современный CFD использует уравнения моделирования с большим вкраплением (LES) и уравнения Рейнольдса-среднего Навье-Стокса (RANS) для прогнозирования коэффициентов сопротивления с точностью ± 3%.

Тестирование ветрового туннеля остается критическим этапом проверки. Масштабные модели (обычно 1:10 или 1:20) устанавливаются на движущихся наземных плоскостях для имитации относительного движения трассы. Туннель одноохватного ветра в Швейцарии и ветротуар DB Systemtechnik в Германии широко используются для испытаний LRV. Полномасштабные транспортные средства иногда тестируются на установках под открытым небом, таких как Rail Tec Arsenal в Вене, который может имитировать перекрестные ветры, туннели и стенки станции.

Измерения энергопотребления на треке с использованием калиброванных счетчиков мощности и бортовых акселерометров обеспечивают окончательное доказательство. Такие агентства, как Федеральное управление транзитом (FTA) и Европейский союз опубликовали стандарты Руководство по энергоэффективности (FTA) ), которые включают в себя проездные измерения использования энергии, связанной с перетаскиванием, что позволяет операторам проверять требования экономии.

Тематические исследования: Истории успеха в реальном мире

Лос-Анджелесский метрополитен T-Line (ранее Expo Line)

В начале 2010-х годов LA Metro обновила свой парк легкорельсовых транспортных средств с семью новыми сочлененными транспортными средствами от Kinki Sharyo , а затем представила P3010 , построенных тем же производителем. Серия P3010 включала конические носы, полноразмерные панели кузова и межавтомобильные уплотнения. На ходовых испытаниях было показано снижение аэродинамического сопротивления на 12 процентов по сравнению с более ранним парком P2000. В сочетании с модернизацией рекуперативного торможения флот достиг 20 процентов чистой экономии энергии, сократив ежегодные затраты на электроэнергию примерно на 2 миллиона долларов на 220 транспортных средствах.