Роль аэродинамики в улучшении характеристик электрических персональных скоростных транспортных средств

Почему аэродинамика имеет значение в электрических PRT-системах

Электромобили с персональным быстрым транзитом (PRT) представляют собой передовое решение для городских заторов и выбросов. Эти легкие автоматизированные капсулы перевозят небольшие группы пассажиров по специальным путям, предлагая по требованию поездки с точки зрения окружающей среды с минимальным воздействием на окружающую среду. Однако, как и все электромобили, капсулы PRT сталкиваются с фундаментальной проблемой: максимизация дальности и эффективности от ограниченной емкости батареи. Аэродинамика играет ключевую роль в решении этой проблемы. Поскольку транспортные средства PRT работают на умеренных скоростях (обычно 25-45 км / ч или 15-28 миль в час), сила сопротивления воздуха или сопротивления часто недооценивается. На этих скоростях аэродинамическое сопротивление может потреблять 30-50% от общей энергии, необходимой для перемещения транспортного средства. Оптимизация воздушного потока вокруг и через капсулу снижает потребление энергии, увеличивает срок службы батареи, снижает эксплуатационные расходы и позволяет более тихие, более комфортные поездки. В этой статье рассматриваются фундаментальные принципы, стратегии проектирования, передовые технологии и будущие возможности аэродинамической оптимизации в электрических системах PRT.

Основные принципы аэродинамики для транспортных средств PRT

Драг и его компоненты

Аэродинамическое сопротивление - это сила, которая противостоит движению транспортного средства по воздуху. Она в основном состоит из двух частей: сопротивление давления (вызванное разницей в давлении воздуха между передней и задней частями транспортного средства) и сопротивление трения кожи (вызванное молекулами воздуха, скользящими по поверхностям транспортного средства). Для типичного стручка PRT сопротивление давления доминирует, потому что форма транспортного средства более квадратная или менее обтекаемая, чем у спортивного автомобиля. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости (F drag ⁇ v2), что означает, что даже скромное увеличение скорости резко увеличивает потребление энергии. Снижение коэффициента сопротивления (Cd) - безразмерное число, которое измеряет, насколько аэродинамическая форма - от 0,4 до 0,3 может сократить потребление энергии примерно на 25% при постоянной скорости.

Лифт и Downforce

Хотя подъем обычно является проблемой для самолетов, для наземных транспортных средств он может уменьшить тягу и стабильность шин. Системы ПРТ обычно работают на стационарных направляющих, поэтому подъем менее критичен, но любая сила вверх может все еще влиять на качество езды и управление. Некоторые конструкции включают небольшой отрицательный подъем (нижняя сила) для улучшения сцепления, особенно при прохождении кривых на более высоких скоростях. Однако основной аэродинамической целью для ПРТ остается снижение сопротивления.

Важность фронтальной области и формы

Драг также пропорционален лобной области автомобиля (A). Подушки PRT перевозят 1-6 пассажиров, поэтому их поперечное сечение меньше, чем у стандартного автомобиля. Сочетание небольшой лобной области с низким коэффициентом сопротивления дает очень низкую аэродинамическую зону сопротивления (CdA). Вот почему транспортные средства PRT могут достичь отличной эффективности даже без экзотического стиля. Тем не менее, тщательное формирование - закругленный нос, конический хвост, плавные переходы - необходимо для поддержания воздушного потока и минимизации будки позади автомобиля.

Особенности дизайна, которые улучшают аэродинамику

Обтекаемая форма тела

Наиболее эффектный элемент дизайна - общая форма. Слезовидный профиль с тупым, закругленным передним и длинным, суженным задним, позволяет воздуху плавно перемещаться вокруг автомобиля и воссоединяться с минимальной турбулентностью. Многие современные концепции PRT, такие как подвеска ULTra (Urban Light Transit) и подвеска SkyTran MagLev, включают мягко изогнутые поверхности, наклонные лобовые стекла и интегрированные бамперы для уменьшения сопротивления. Плавные, бесперебойные поверхности - без острых краев, выступов и зазоров - предотвращают разделение потока и образование вихрей, которые увеличивают сопротивление.

Оптимизированное тело

Нижняя часть транспортного средства PRT часто упускается из виду, но является основным источником сопротивления и подъема для обычных автомобилей. Поскольку подушки PRT перемещаются по повышенным направляющим, воздушный поток под транспортным средством может быть особенно турбулентным. Полностью закрывая нижнюю часть с гладкой панелью направляет воздух равномерно и уменьшает турбулентное пробуждение. Некоторые конструкции также включают диффузоры или небольшие каналы для управления распределением давления и снижения подъема. Активные системы нижнего кузова (регулируемые панели) являются будущей возможностью, но в настоящее время редки из-за стоимости и сложности.

Закрытые или скорлупные колеса

Колеса и колёсные колодцы печально известны тем, что создают сопротивление. Обнаженные колеса создают вращающиеся цилиндры, которые нарушают воздушный поток и производят турбулентность. В транспортных средствах PRT, где колеса часто маленькие и частично утопленные, покрывая их гладкими обтекателями или полностью закрывая их в кузове, могут давать значительное уменьшение сопротивления. Даже простые юбки колес или частичные корпуса, как было показано, разрезают Cd на 10% в небольших электромобилях.

Минимальная фронтальная область и низкий профиль

Уменьшение высоты и ширины транспортного средства, насколько это возможно, при сохранении комфорта пассажиров снижает лобную область. Нижний профиль также помогает поддерживать центр тяжести низким, улучшая стабильность. Многие конструкции ПРТ принимают «монокосмическую» компоновку, где пассажиры сидят в одном ряду, позволяя более узкому корпусу. Использование легких материалов, таких как алюминий, углеродное волокно или передовые композиты, уменьшает массу, что еще больше повышает энергоэффективность, но аэродинамическое преимущество исходит от самой формы.

Боковые зеркала и выступы

Внешние зеркала, антенны крыши и дверные ручки создают сопротивление. Подушки ПРТ часто заменяют боковые зеркала камерами, которые смыты корпусом, и втягивающими или выдвижными дверными ручками. Даже стеклоочистители могут быть скрыты в утопленных прорезях, когда они не используются. Каждый выступ является потенциальным источником паразитического сопротивления.

Преимущества аэродинамической оптимизации

Повышение энергоэффективности и диапазона

Наиболее прямым преимуществом является более низкое потребление энергии. Для подвески PRT с батареей 10 кВтч и базовым Cd 0,4, снижение Cd до 0,3 может увеличить диапазон до 30% в типичных городских циклах вождения. Это означает меньшее количество остановок зарядки, более низкие затраты на электроэнергию и снижение спроса на сеть. Согласно исследованию Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США , аэродинамическое сопротивление составляет примерно 40% потерь энергии в типичном электромобиле на скоростных дорогах - системы PRT, работающие на более низких скоростях, см. сопоставимую долю.

Современная разработка ПРТ в значительной степени зависит от Вычислительная динамика жидкости (CFD). Инженеры создают цифровые модели транспортного средства и имитируют воздушный поток на различных скоростях, углах и условиях окружающей среды. CFD позволяет быстро итерировать изменения конструкции - регулируя кривизну, добавляя спойлеры, модифицируя панели днища - без стоимости физических прототипов. Он также раскрывает разделение потока, формирование вихрей и распределение давления в деталях. Крупномасштабные проекты ПРТ, как те, которые предлагаются для городов на Ближнем Востоке и в Азии, широко используют CFD для точной настройки конструкций перед строительством одного испытательного транспортного средства.

Тестирование ветрового туннеля

Физические испытания аэродинамической трубы подтверждают результаты CFD и улавливают реальные эффекты, такие как турбулентность от близлежащих объектов (направляющая инфраструктура, другие стручки). Часто используются масштабные модели (1:4 или 1:3), но полноразмерные прототипы предоставляют наиболее точные данные. Ветровые туннели с движущимися наземными плоскостями (катящиеся дороги) имитируют относительное движение дорожной поверхности, что важно для аэродинамики нижней части кузова. Многие автомобильные аэродинамические трубы во всем мире могут вместить небольшие стручки PRT.

Активная аэродинамика

Активные элементы — регулируемые спойлеры, решетчатые ставни, диффузоры и воздушные занавески — становятся обычным явлением в высокопроизводительных электромобилях. Для PRT активная аэродинамика может адаптироваться к скорости, нагрузке и условиям окружающей среды. Например, развертываемый задний диффузор может уменьшить сопротивление на крейсерской скорости и увеличить прижимную силу во время поворотов. Активные боковые вентиляционные отверстия могут управлять воздушным потоком вокруг колес. В то время как все еще экспериментальные для PRT, эти технологии обещают дальнейшее повышение эффективности. Исследование журнала Renewable and Sustainable Energy Reviews показало, что активные системы могут уменьшить общее сопротивление на дополнительные 5-10% по сравнению с пассивными конструкциями.

Легкие материалы и Surface Finish

Аэродинамика и снижение веса идут рука об руку. Использование композитов, таких как армированный углеродным волокном полимер (CFRP), не только уменьшает массу, но и позволяет создавать более сложные изогнутые формы, которые невозможны с листовым металлом. Гладкие, глянцевые краски уменьшают сопротивление трения кожи (небольшой, но измеримый эффект). Некоторые продвинутые полимеры даже имеют самозаживляющиеся или уменьшающие сопротивление текстуры поверхности, вдохновленные кожей акулы (сорочки). Хотя такие технологии все еще появляются, они могут стать жизнеспособными для серийных стручков PRT по мере снижения затрат.

Тематические исследования: аэродинамика в существующих системах ПРТ

ULTra PRT в лондонском Хитроу

Самая известная в мире операционная сеть PRT - ULTra в Терминале 5 аэропорта Хитроу. Подушки, построенные Advanced Transport Systems, перевозят до четырех пассажиров и путешествуют по выделенным путям со скоростью до 40 км / ч (25 миль в час). Поды ULTra имеют округлую, почти луковичную форму с относительно большой лобной площадью. Их коэффициент сопротивления оценивается примерно в 0,4-0,45. Хотя они не оптимизированы для экстремальной аэродинамики, они достигают разумной эффективности из-за низких рабочих скоростей и легкой конструкции. Будущие версии могут интегрировать оптимизированные CFD формы для дальнейшего сокращения потребления энергии.

SkyTran MagLev Pods

SkyTran, разработанный NASA и Unimodal, представляет собой подвесную систему ПРТ маглева. Подушки чрезвычайно легкие (около 600 кг) и используют пассивную магнитную левитации. Их аэродинамическая форма напоминает обтекаемую каплю с низким профилем и закрытым днищем. Производитель утверждает коэффициент сопротивления ниже 0,3, чему способствует плавный, непрерывный корпус и отсутствие колесных колодцев. Сочетание низкой массы и низкого сопротивления дает подушкам SkyTran потребление энергии около 0,55 МДж на пассажиро-км, что намного меньше, чем у электромобиля. Больше деталей доступно на их технологической странице .

2getthere’s Group Rapid Transit (GRT) (недоступная ссылка)

Голландская компания 2getthere строит как PRT, так и GRT-автомобили. Их последние конструкции имеют резко наклонные передние концы, боковые камеры с примесью и панели днища. Они широко использовали CFD для уточнения формы как для снижения сопротивления, так и для поперечного ветра. В испытаниях в бизнес-парке Ноусли (Великобритания) и на Ближнем Востоке транспортные средства достигли более низкого энергопотребления по сравнению с предыдущими более боксерскими моделями.

Вызовы и компромиссы в аэродинамическом дизайне

Балансировка пассажирского пространства и аэродинамики

Аэродинамические корпуса часто сужаются, что может уменьшить объем салона. Для контейнера PRT, который должен вмещать четырех или шести пассажиров с багажом, форма салона должна быть практичной. Дизайнеры используют виртуальные аэродинамические формы , сохраняя при этом эффективную компоновку интерьера - например, более широкую переднюю и более узкую заднюю часть или пошатнувшееся сидение. Компромисс заключается в том, что более суженный хвост снижает вместимость или заставляет пассажиров сидеть в менее просторной конфигурации. Инженеры полагаются на CFD, чтобы найти оптимальный компромисс между низким Cd и пригодным для использования объемом.

Стоимость и сложность производства

Сложные кривые, активные элементы и экзотические материалы увеличивают производственные затраты. Для того, чтобы система ПРТ была экономически жизнеспособной, стручки должны быть доступными. Многие операторы выбирают более простые конструкции, потому что они дешевле в производстве, хотя они менее эффективны. Однако, поскольку затраты на аккумуляторы снижаются, а цены на энергию растут, пожизненная экономия от аэродинамической оптимизации оправдает более высокие первоначальные инвестиции. Операторы флота могут проводить анализ стоимости жизненного цикла, чтобы определить точку безубыточности.

Путеводитель взаимодействия и инфраструктуры

Транспортные средства ПРТ движутся в непосредственной близости от направляющих балок, станций и другой инфраструктуры. Воздушный поток может быть нарушен близлежащими структурами, особенно в туннелях или крытых секциях. Аэродинамическая конструкция транспортного средства должна учитывать эти внешние потоки. Например, капсула, проходящая через станцию, может испытывать внезапные изменения давления, которые буферизируют тело. Эффект блокировки в ограниченных пространствах может увеличить сопротивление. Инженеры моделируют всю систему, а не только изолированный контейнер, чтобы обеспечить оптимальную производительность в реальных условиях.

Чувствительность Crosswind

Легкие стручки ПРТ восприимчивы к поперечным ветрам, особенно на повышенных направляющих. Сильный порыв может толкать автомобиль вбок, влияя на комфорт езды и даже безопасность. Аэродинамическая конструкция должна включать боковые юбки, оптимизированные формы боковой части тела, а иногда и вертикальные стабилизаторы для снижения чувствительности рыскания. Исследуются активные системы, которые обнаруживают поперечные ветра и регулируют высоту езды или развертывают спойлеры. Компромисс заключается в том, что функции борьбы с поперечными ветрами (например, большие боковые поверхности) могут увеличить сопротивление в нормальных условиях.

Будущие направления в аэродинамическом дизайне

Интеграция с автономными системами

По мере того, как PRT становится полностью автономным, поведение транспортного средства может быть оптимизировано в режиме реального времени. Автономная система управления может регулировать скорость, расстояние между стручками и даже высоту езды (если она регулируется), чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление в сценариях взвода. Взвод - тесное движение вместе в конвое - может снизить сопротивление воздуха для следования транспортных средств до 20%. Этот метод, уже изученный для автономных грузовиков, очень применим к сетям PRT, где стручки следуют за заранее заданными маршрутами.

Биомиметические и вдохновленные природой формы

Исследователи изучают формы на основе птиц, морских животных и даже насекомых. Например, у бокс-рыбы есть квадратное поперечное сечение, но она достигает низкого сопротивления из-за своей уникальной текстуры поверхности. Туберкулы горбатого кита (бумпы на его ласточках) вдохновляют на уменьшение сопротивления на поверхностях транспортных средств. Эти биомиметические подходы могут привести к капсулам PRT, которые являются аэродинамическими и просторными. В статье из Международного журнала автомобильной инженерии подробно описывается, как текстуры поверхности, имитирующие кожу акулы, уменьшают сопротивление трения до 5% в дорожных транспортных средствах.