Hava Direnişi Yüksek Hızdaki Meydan Meydan Meydan Meydana Çıkmak
Yüksek hızlı tren, şehirlerarası seyahat, yolculuk zamanlarını kısalttı ve hava yolculuğu için düşük karbonlu bir alternatif sunuyor. Trenler geçen 300 km/h (186 mph), aerodinamik sürüklenme, karşıt güç karşıtlığı haline gelir.Bu ve konumlarda, tren tarafından deneyimli toplam direnişin %75'inden fazlası, bu nedenle sürüklenme katını azaltmak için merkezi bir meydan okumadır - daha yüksek hızlara ulaşmada merkezi bir meydan okumadır.
Kira katsayı genellikle C) olarak ifade edilir) , daha az dirençle havadan kaybolup giden bir boyutsız sayıdır, bir aracın aerodinamik verimliliğine kadar ölçmektedir. Daha düşük bir C) aynı güç santrali ile daha yüksek bir hıza ulaşmada bir trenin kaybolabilmesine izin verir.Bu kazanımlar, daha az dirençle ısıtılması için daha az maliyetlidir.
Bu makale yüksek hızlı tren sürüklenme temel fiziklerini inceler, tasarım stratejileri ve teknolojileri en aza indirmek için kullanılır, lider demiryolu sistemlerinden gerçek dünya örnekleri ve hatta sleeker vaat eden gelecekteki yönler, daha verimli trenler.
Aerodinamik Drag'in Trenlerdeki Fiziki
Bir trene Aerodinamik sürüklenme birkaç bileşenden oluşur: trenin şekline, yüzey kabalığı ve sınır tabaka etkileri nedeniyle deri sürtünme sürüklenme ve tren ve uyanma etrafındaki baskı farklılıklarından kaynaklanır.Yol araçların aksine, yüksek hızlı trenler de arabalardan önemli bir sürüklenme yaşarlar ve pantograflardan ve diğer çatı ekipmanlarından dolayı da.
Toplam aerodinamik güç hız karesi ile artarken, güç bu kuvvetin hız küpleriyle artış göstermesi gerektiğinden dolayı artar.Bu, trenin en yüksek hızını 300 km/h'den 350 km/h'ye yükseltmek anlamına gelir, sürüklenme katlarının değişmediğini açıklıyor.Bu, trenin şeklinin her detayına kadar yüksek hızlı tren tasarımcılarının neden dışsal olarak dışsal ilişkiler olduğunu açıklıyor.
Wilson, 300 km/h'de tipik bir yüksek hızlı tren için sayı 10[DÜ:0)[Dönetici: 0[Dönetici: 1 ), vücutların çoğunu gösteren tam türbülan akışlar, bu nedenle karmaşık türbülan sınır tabakalarını yönetmek, trenin arka ucundan gelen geniş ölçekli vortikleri ve trenin arka ucundaki büyük ölçekli vorticesler için.
Baskı Drag vs. Skin Friction
Modern yüksek hızlı tren için, toplam aerodinamik direnişin yaklaşık% 60-70'i baskıya sürüklemek, geri kalan bir yanan çekmesi ile baskı sürüklenmek burun ve kuyruk şekilleri tarafından yönetilir - havanın hızlanması ve yavaşlaması gereken alanlar yüksek basınçlı bir kesinti alanı yaratır.A meydan okuma bölgesine karşı itmek, trene karşı itmek.
Öte yandan, Skin sürtünme, trenin ıslak bölgesine ve yüzeylerinin kabalığına bağlıdır. Uzun trenlerin daha fazla yüzey alanı vardır, cilt sürtünmesi daha uzun bir tren de yolcuya doğru giden yolun ve kuyrukların göreceli katkısını azaltır, çünkü ortadaki akış genellikle eklenir ve sabittir.En iyi tren uzunluğu bu etkiler arasında bir ticaret-offdur.
Akışkan Şekiller: Low Drag Vakfı
En görünür ve evrensel olarak sürüklenme stratejisi dış şeklin akışıdır. Yüksek hızlı bir trenin klasik görüntüsü - uzun süreli, mermi-nosed, düzgün konsüllerle - doğrudan bir aerodinamik optimizasyonun sonucudur.
Nose Design
Yüksek hızlı bir trenin burnu iki bazen çatışma hedefleri elde etmeli: Önde durgun baskıyı en aza indirmek ve sınırdan ayrılmaya neden olabilecek baskı artışını azaltmak zorundadır.İki ana şekil burnu ortaya çıktı: en yüksek parmak tipi, daha uzun bir süre sonra, daha fazla yarıklı bir kenar ile, daha fazla yuvarlak, daha fazla Japonca Shinkansen trenleri kullanarak, C ⁇ çalışmaları, ideal burun uzunluğunın yaklaşık olarak 2.5 ila 3 kat daha yüksek olduğunu göstermiştir.
Burun uzunluğu için pratik sınır, istasyon uzunluğu, darbe gereksinimleri tarafından kısıtlanır ve sürücü görünürlüğünü sürdürmeli. Bazı modern trenler sadece yüksek hızda dağıtan pasif veya aktif bir burun uzatmasını kullanır, her iki dünyanın en iyisine verir - istasyonlarda kompakt bir ön ve açık yolda.
Tail Design
Burun çoğu dikkat çekiyor olsa da, yüksek hızlı bir trenin kuyruğu, sürüklenme için eşit derecede önemlidir.[Dönemli bir arka uç, yüksek basınçlı bir uyandırma, uyandırma hacmini 25-30 olarak hesaplayabilir.) Örneğin, oldukça uzun bir noktaya kadar, bir kralbalıkçı kuşu kullanarak işaret etti.[Dönderilen)[Düşüntüler) Bu tasarıma yol açan bir şekilde küçültüldü.
Siemens Velaro platformu gibi modern trenler, bir turda kullanılır ancak hala arka uç vortex dinamiklerine dikkat ederek keskin bir şekilde kasetlenir. Trenin yol araçları genellikle uyandırmak için orta araçlardan farklı şekilde şekillendirilir.
Inter-Car Gaps ve Fairings
Birden fazla araba bir araya geldiğinde, aralarındaki boşluklar, sürüklenme ve gürültüyü artıran yerel akış rahatsızlıkları yaratır. Yüksek hızlı trenler neredeyse her zaman hijyenik olarak inşa edilir:0) Tamamen sekiz aracı fuarlarında (%) adil veya metal kapaklar - boşlukları ve hava akışına sürekli olarak ek bir dağıtım gerektirmez.
Yüzey optimizasyonu: Malzemeler ve Kaplamalar
En mükemmel şekilde en uygun şekli bile yüzey kabaysa veya protruding elementleri içeriyorsa aşırı sürüklenecek. Yüzey optimizasyonu iki ana alanı hedef alır: cilt sürtünme ve yerel akış rahatsızlıkları.
Smooth Body Panel ve Flush Ekipmanlar
Her per, kapı, pencere çerçevesi ve yüksek hızlı bir trenle ortak olan panel, sınır tabakası için potansiyel bir yolculuk noktasıdır, laminar'dan istenen akışa geçiş yapmasına neden olur.Turbulent akışı, laminar akışının tamamen devam etmesinden daha yüksek bir cilde sürtünmeye sahiptir. Tüm tren gövdesinin tamamı, Reynolds sayılarının üzerinde pratik değildir, miniz rahatsızlıklar hala faydalıdır.
Modern yüksek hızlı trenler kullanım:0)flush-preed pencereler[[Dönemli pencereler] vücut paneline sorunsuz bir şekilde karışan cam eğrileri ile trenin kesitini kaplayacak şekilde monte edilir. Dış kapılar, bogie bölgesinden kısa sürede yıkanacak şekilde vücuttan atılacak şekilde yapılır.
Paint and Kaplamalar
Özel düşük çözünürlük boyaları yüksek hızlı tren için geliştirildi. Bu kaplamalar, çok düzgün bir yüzey yaratır ve deri sürtünmesini standart boyama ile kıyaslayabilir. Bazı deneysel kaplamalar ayrıca ek enerjilere mal olabilir.
Altun Aerodinamik
Yüksek hızlı bir trenin altındaki bir bölge, sürüklenme parçaları ve frenleme ekipmanları nedeniyle yüksek olabilir. Bunu yönetmek için, trenler, 03.000'ler ile donatılmıştır.[Dönder] veya tam kardolap panları, mükemmel bir aerodinamik performansına katkıda bulunan mükemmel bir zemine katkıda bulunan bir bölgeyi kapsar.
Drag Rekre'de Teknolojik Yenilik
Bugün aerodinamikistin kitinde en güçlü araçlar hesaplamalı akışkan dinamikleri (CFD) ve aktif aerodinamik cihazlardır. Bu teknolojiler, mühendislerin geleneksel rüzgar-tunnel yöntemleriyle optimize etmek için imkansız olan tasarımları keşfetmelerine izin verir.
C ⁇ Akışkanlar Dinamik (CFD)
Sağlam simülasyonlar Navier-Stokes denklemlerini üç boyutlu bir tren geometrisi etrafında hava akışını modellemek için çözer ve her revizyon için fiziksel prototipler inşa etmeden tasarımları yönetebilir.
Modern yüksek hızlı demiryolu geliştirmesinde, CFD, Çin CRH380A treninin kombinasyonu ile birlikte kullanılır.[DDDÜT:1] otomatik olarak geometri parametrelerini yolcu kapasitesi, kaza değeri ve platform kontrolü gibi kısıtlamalara saygı göstererek en aza indirmeye yol açan bir genetik algoritma kullanılarak optimize edilmiştir. Örneğin, Çin CRH380A treninin burnu, ilk tasarıma kıyasla % 4 oranında azaltılan bir forma yol açan çok-objective Genetic algoritması kullanılarak optimize edilmiştir.
Rüzgar Tüneli Test Testi
Sağlama gücüne rağmen, rüzgar tüneli testleri geçerlilik için gereklidir. Yüksek hızlı trenlerin boyutlarını doğrulayın (tipik olarak 1:10 to 1:15), tren ve pist arasındaki bağıl hareketi simüle etmek için bir akış uçağı monte edilir.
Aktif Aerodinamik Cihazlar
Bir sonraki duraklamadaki sınır aktif aerodinamiktir: Operasyon koşullarını değiştirmek için gerçek zamanlı olarak ayarlanan yüzeyler. Yüksek hızlı trenler farklı aerodinamik ortamlarla karşılaşır - tüneller aracılığıyla, hızlandığında ve maksimum seyir sırasında sabit bir şekil bu koşullar arasında uzlaşmalıdır.
[FONT=0]Active spoilers[[Dönetici: 1 ) Çatıya monte edilen veya arkaya doğru monte edilen trenin yanlarına, yaw'ya neden olan sürüklenme etkisini iptal etmek için düşük hızlarda dağıtılabilir. Bazı tasarımları, denemelerde 400 km/h hızlara ulaştı.[Dönemli havafoils).
Başka bir aktif konsept, 0'ın üzerinde durulan burun[DÜDÜT:1) ve bu tür sistemler hala ek 5-10% ile burun sürüklenebilirken, trenin ön kısmından küçük slotlardan sıkıştırılır.
Gerçek Dünya Örnekleri: Lider Ray Sistemlerinden Dersler
Gerçek yüksek hızlı trenlerin sürüklenme katları ilerleme için bir kriter sağlar.Tam sayılar genellikle özeldir ve katsanın nasıl tanımlandığına bağlıdır (single leading car vs. full tren set), aşağıdaki örnekler aerodinamik tasarımın evrimini göstermektedir.
Japon Shinkansen
Shinkansen ağı, 1964 yılında seri 0 ile yüksek hızlı trene öncülük etti, bu da 15 metre uzunluğunda bir buruna dönüştü, ancak trenle birlikte (%) .40'ın önde gelen araba için yaklaşık 0.40'ı aldı.
Fransız TGV
Fransız TGV (Tren à Grande Vitesse) her zaman aerodinamik verimlilik vurgulamıştır.1980'in orijinal TGV Sud-Est burnu ve tam uzunlukta bir alt tasarımla, yine de CD[Dönetici) bir CDWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW'nin en büyük bir özelliğiyle, daha keskin bir şekilde kapanmış ve son derece kapalı bir şekilde kapanmış bir şekilde dekore edilmiş bir yüksek çözünürlükte.
Alman ICE
Alman Şehirlerarası-Express (ICE) serisi istikrarlı bir gelişme gördü. ICE 1 (1994) sürekli dış bir cilde sahipti ve çok düşük bir buruna sahip oldu ve elektrik arabasını dağıtılmıştı.[Dönemli geçişler) ve 3M, Velaro E, Velaro D) bir önceki araba için 0,9-0.30 civarındaki sorunsuz geçişlere izin verdi.
Çin CRHHH
Çin'in yüksek hızlı ağı, dünyanın en büyük, hızla gelişmiş aerodinamik var. CRH380A ve CRH380B serisi daha uzun bir şekilde tanıtıldı, daha fazla işaretli “Fuxing” trenler, daha fazla yuvarlaklı, ve kartallar kullanıyor. CRH380A 12 metre uzunluğunda bir burun ve C rapor verdi).
Enerji Tasarrufları ve Çevre Etkisi
drag'in hız kayıtlarının ötesine geçme motivasyonu doğrudan daha düşük enerji tüketimine dönüşür, bu da ameliyat maliyetlerini ve karbon emisyonlarını azaltır. 300 km/h'de çalışan tipik yüksek hızlı tren, yaklaşık 8-10 megawatt güçten alır.Aerodinamik sürüklenmede %10 azaltım, bu hızda yaklaşık 0.6-0.8 megawatt tasarruf sağlar - yüzlerce ev gücüne yardımcı olur.
Bir tren setinin ömrü boyunca (30-40 yıl), bu tasarruflar önemlidir. Günde 12 saat çalışan 50 tren filosu için, toplu enerji azaltımı, on binlerce ton CO)) için, daha düşük sürüklenme, daha az yüklü çekiş gücü ile hıza sahip olan trenlerin, güç elektronik ve motorların ağırlığını azaltımının ve maliyetini azaltılabilir.
drag katsa da gürültü nesli etkiler. Aerodinamik gürültü, rota boyunca topluluklara daha fazla kabul edilebilir hale gelir.
Meydanlar ve Ticaret-offs
En düşük olası sürüklenme katını tasarlamak, uzlaşma olmadan değildir. Son derece uzun, artırılmış bir burun, sürücünün taksisine sığmasını ve iyi görünürlüğü korumak için daha zorlaşır. Ayrıca istasyon düzenini zorlayabilen ve ağırlık arttırabilecektir.
Ayrıca, haç istikrarı meselesi de var. Çok düşük birrag şekli, 350 km/h'in üzerindeki hızlarda çalışan trenler için istenmeyen asansör veya yan kuvvetler üretebilir. Mühendisler aerodinamik istikrara karşı azalmayı dengeler, trenin ciddi bir şekilde devam etmesini sağlamak.Bu denge, özellikle 350 km/h'nin üzerindeki hızlarda çalışan trenler için aktif bir araştırma konusu.
Son olarak, üretim maliyeti ve aerodinamik karmaşıklığı ticaret edilmelidir. Aktif aerodinamik cihazlar hareket parçaları, kontrol sistemleri ve bakım gereksinimleri ekler. Birçok operatör için, aktif cihazlardan enerji tasarrufları henüz çok yüksek hızlar için tasarlanmadığı sürece (above 350 km/h) daha önemli.
Drag'deki Future Trendleri
Düşük sürüklenme katlarının peşinde, 400 km/h ticari hızlara ulaşma ve enerji verimliliğini artırma hırsına yol açıyor. Birkaç ortaya çıkan trendler yol ileriye doğru gidiyor.
Bio-Inspired Design
Mühendisler giderek ilham için doğaya bakarlar. Kralbacı Shinkansen 500'ün sessiz uçuşu, her iki ve gürültüyü aynı anda azaltmak için pantograf tasarımını etkilemiştir.
Adaptasyon ve Morphing Skins
Araştırma:0) Notlama yapıları[[Dönetici:0) Tüm tren yüzeyinin farklı hızlarda şekil değiştirmesine izin verebilir, bir kuşun kanatlarını alma ve seyir için ayarlar.Felt:2) Düşük camları değiştirebilecek veya küçük dimples (örneğin bir golf topu yüzeyi gibi) bir gün tren gövdesine dahil edilebilir.Bu sistemler gelişmiş malzemeler ve hareketçilere ihtiyaç duyacaktır.
Platoning ve Aerodinamik Coupling
Yüksek hızlı trenler çok yakın formlarda çalışırsa (platooning), zaten konvansiyonel parçalardaki bazı taslak etkilerle yapılır, trenler arasındaki hava boşlukları genel olarak sürüklenmeyi başarabilir. Bu yaklaşım, bir sonraki nesil yüksek hızlı koridorlar için incelenebilir, böylece birden çok trenler geçici olarak birkaç aerodinamik olarak yollara sürüklenme eğilimine izin verebilir.
Tümleşik Pantograf ve Roof Aerodynamics
pantograf, sürüklenme ve gürültünün ünlü bir kaynağıdır. Future tasarımları pantografı yarıya kadar çatıyı kesebilecek bir konuta entegre edecektir.Bu fuarlar zaten konuşulduğunda Japon ve Avrupa yüksek hızlı trenlerin en son nesliyle ortaya çıkıyor.
Yapay Zeka ve Tasarım Keşfeti
Makine öğrenimi giderek daha fazla aerodinamik optimizasyonu hızlandırmak için kullanılır. Binlerce CFD sonuç üzerinde eğitilmiş olan Neural ağları, milisaniyelerde yeni bir şeklin sürüklenmesini bekleyebilir, tasarım alanının brute-force aramalarına izin verebilir. Generative design algoritmaları, uzaylı görünen şekilleri üretebilir, ancak mükemmel bir şekilde gerçekleştirmesi beklenir. AI-güdümlü tüm yeni hızlı tren programlarında standart bir araç haline gelmek bekleniyor.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Yüksek hızlı tren araçlarının sürüklenme katını azaltmak, bugün uzmanlığa, malzemelere ait bilime, yapısal mühendislike ve sistemlere entegre etmek için çok yönlü bir meydan okumadır.Son altı yılda ilerleme dikkat çekicidir - nispeten net çalışma maliyetlerinden 0, aynı güç altyapısıyla daha yüksek ticari hızlara sahiptir.
Gelecekte daha dramatik kazanımlar vaat ediyor, aktif ve uyarlayıcı sistemler tarafından yönlendiriliyor, biyo-inspired şekilleri ve yapay zeka.Süreselleşmeye ve rekabet etmeye adanmış ray operatörleri için her bir yük azaltma noktası daha temiz, daha hızlı ve daha verimli bir yüksek hızlı ağına doğru bir adım. Düşük karbonlu seyahat için yolcu talebi büyüdükçe, hızlı trenlerin aerodinamik mükemmeliyete sahip olacak.
Yüksek hızlı trenlerin aerodinamikleri hakkında daha fazla okuma için, danışmanlık yapan GÜNCEL:0) Demiryolu aerodinamikleri ) ve ESRAD:2)Railway Teknolojisi aerodinamik tasarımının genel bakışı).Özel trenler için, NFLT:5 [UIC)) [FONTDLRT: 6)