Аналіз чинників, впливаючих на аеродинамічний опір універсальних напіввагонів

Abstract

UA: Опір руху є тим чинником, який впливає на економічні показники залізниць. Аеродинамічний опір повітря є одним з основних чинників, що впливають на витрати палива та електроенергії на тягу поїздів. Особливо це відчутно під час руху на високих швидкостях, де саме опір повітря є головним фактором. В статті викладені результати досліджень аеродинамічного опору універсальних напіввагонів. Розглянуто вплив повітряних аеродинамічних потоків на вантажний залізничний поїзд. Для дослідження аеродинамічного опору використовувались характеристики універсальних напіввагонів моделі 12-9745. Відмінністю кузова даного напіввагона є гладкі бокові стіни без гофр, які характерні для переважної більшості універсальних напіввагонів різних моделей. Інші параметри розрахункової моделі відповідали геометричним параметрам кузова вагона, в тому числі наявність бічних стояків, що виступають за поверхню бокової стіни. Під час досліджень рівень завантаження напіввагону складав 70% та 100% номінальної вантажопідйомності. Наявність візків та підвагонного обладнання не враховувалась. Також виконано моделювання для порожнього стану напіввагона. Для моделювання поведінки та взаємодії повітряних потоків з об'єктами складної геометрії, якими є вантажні вагони, використовувався програмний комплекс ANSYS Workbench. При моделюванні обтікання вагона потоком повітря при русі вздовж залізничної колії використовувалася тетраедральна сітка. Розроблена модель дозволяє уточнити коефіцієнт аеродинамічного опору. При цьому є можливість врахувати характер повітряного потоку та експлуатаційних режимів вагона, стан завантаженості (порожній, завантажений), кількість вагонів у складі поїзда та кут атаки повітряного потоку. Розрахункова область являє собою обсяг повітря, що оточує навколишній вагон. Дія зовнішнього повітряного потоку сприяла виникненню найбільшого опору при впливі повітряного потоку на передню частину вагона у міжвагонному просторі. Також формувалися турбулентні зони за вагоном та турбулентні зони усередині порожнього вагона. Зміна кута атаки повітряного потоку збільшує площу активного перерізу рухомого складу. Це призводить до значного зростання аеродинамічного опору. Порожні напіввагони мають значно більший аеродинамічний опір, ніж навантажені. Це призводить до збільшення споживання енергії та зниження економічності перевезень. Стаття призначена для використання науковцями, фахівцями вагонобудування та вагонного господарства.

EN: Moving resistance is a factor that affects the economic performance of railways. Aerodynamic drag is one of the main factors affecting fuel and electricity consumption for train traction. This is especially noticeable at high speeds, where air resistance is the primary factor. This article presents the results of studies on the aerodynamic drag of universal gondola cars. The impact of air aerodynamic flows on freight trains is considered. The characteristics of universal gondolas of model 12-9745 were used to study aerodynamic drag. The distinguishing feature of this flat car’s body is the smooth side walls without corrugations, which are characteristic of the vast majority of universal gondolas of various models. Other parameters of the calculation model corresponded to the geometric dimensions of the car’s body, including the presence of side braces that extend beyond the side wall surface. The loading level of the gondola was 70% and 100% of the nominal load capacity. The presence of bogies and undercarriage equipment was not taken into account. Modeling for the empty state of the open-top wagon has also been completed. The ANSYS Workbench software package was used to model the behavior and interaction of air flows with objects of complex geometry, such as freight cars. A tetrahedral mesh was used to model the air flow around the car when moving along the railway track. The developed model allows you to specify the aerodynamic drag coefficient. At the same time, it is possible to take into account the nature of the air flow and the operational modes of the car, the state of loading (empty, loaded), the number of cars in the train and the angle of attack of the air flow. The calculation area represents the volume of air surrounding the car. The action of the external air flow resulted in the highest resistance when the airflow impacted the front part of the car in the inter-car space. Turbulent zones were also formed behind the car and inside the empty car. Changing the angle of attack of the air flow increases the area of the active cross-section of the rolling stock. This leads to a significant increase in aerodynamic drag. Empty gondolas have significantly greater aerodynamic resistance than loaded ones. This leads to increased energy consumption and reduced transportation efficiency.