بخشی از مقاله
چکیده :
مساله ی آیرودینامیک1 قطار به طور نزدیکی با جریان عبوری در اطراف قطار مرتبط است .در نگاه اول اینگونه به نظر می رسد که برای سریع تر کردن سرعت حرکت قطارها می بایست سیستم محرکه آن ها را ارتقا داد و این در حالی است که جریان عبوری در اطراف قطار نقش مهمی در این مورد ایفا می کند. این خصوصیت موجب اتلاف قابل توجهی در انرژی و همچنین کاهش بازده کلی قطار می شود. جریان اطرف قطار به دلیل نامنظم شدن شکل جریان در سرعت های بالا موجب آشفته شدن جریان می شود، نتیجتا انرژی جریان به درگ آیرودینامیکی، نویز و لرزش تبدیل می شود .
شبیه سازی آیرودینامیک خارجی یکی از چالش برانگیز ترین و مهم ترین کاربرد های CFD در وسایل نقلیه است. در مطالعه پیش رو رفتار آیرودینامیکی یک قطار تندرو در زمان حرکت از طریق تجزیه و تحلیل نتایج شبیه سازی شده در نرم افزار انسیس فلوئنت2 مورد بررسی قرار گرفت و نتایج بدست آمده برای ضریب پسا با نتایج تجربی مقایسه شد .
مقدمه :
در طول دهه 60 میلادی،توجه ها به سمت توسعه صنعت هوایی،دینامیک سیالات،مکانیک سازه ها و مهندسی کنترل اتوماتیک جلب شد. این تلاش ها کمک فراوانی به فناوری حال حاضر هوافضا کرده است که از آن دسته دینامیک سیالات اساسا با پسا آیرودینامیکی رابطه دارد که مهمترین نقش را در توسعه هوانوردی و وسایل پرنده ایفا کرده است .
می توان گفت تا کنون مطالعاتی انگشت شماری در مورد کل سیستم قطار صورت گرفته است، این مورد به دلیل آن است که در واقع سرعت رشد حمل و نقل ریلی در مقایسه با حمل و نقل هوایی پایین تر بوده است، بنابراین تا چندی پیش توجه زیادی به مساله ی آیرودینامیک قطار نشده است. اخیرا سرعت قطارها به بیش از 300 کیلومتر در ساعت رسیده است که این سرعت در مقایسه با سرعت هواپیما ها بسیار قابل ملاحظه می باشد. علاوه بر این قطار در سیستم حمل و نقل وظایف بیشتری را در مقایسه با هواپیما می تواند به عهده بگیرد بر این اساس توسعه منسجم، نیازمند پیشرفت در صنعت ریلی و قطار است .
مسئله آیرودینامیک و آیروآکوستیک به موازات افزایش سرعت قطار ها نقش بارز تری از خود نشان داده اند، در حال حاضر توجه بسیاری به طراحی مهندسی برای حل فوری و بهبود این مشکلات شده است . با افزایش سرعت قطارها بسیاری از مشکلات فنی و مهندسی که در سرعت های پایین تر به چشم نمی آمد نمای ان شد .نویزها و لرزش های آیرودینامیکی،نیروهای ضربه ای ناشی از عبور دو قطار از کنار هم،موج ضربه ای در خروج قطار ها از تونل،از بین رفتن راحتی شنیداری مسافرین و ... .این موارد اصلی ترین موانع افزایش هر چه بیشتر سرعت قطارها است.
هم اکنون، کشورهای زیادی برنامه های استفاده از قطار های پرسرعت را پایه ریزی کرده اند، برنامه ICE در آلمان و TGV در ژاپن و فرانسه، علاوه بر این برخی کشورها مانند کره جنوبی و چین در حال ساخت قطارهای پرسرعت هستند .
ابزار اصلی برای بررسی آیرودینامیک قطار در را به دو صورت می توان تعریف کرد، آزمون تونل هوا و دینامیک سیالات محاسباتی1 .در مورد مطالعه بر روی آیرودینامیک قطارها بر هر دو مورد ایراداتی وارد است. برای اندازه گیری در ابعاد واقعی باید جریان آشفته بزرگتری ایجاد کرد و در اغلب موارد نیاز به تکرار فراوان در آزمایش است.نسبت بزرگ طول به ارتفاع قطار برای هر دو روش مطالعه ایجاد مشکل می کند چون ابعاد تونل هوا و ناحیه حل محاسباتی را بسیار بلند و باریک می کند که برای هر دو روش برای کسب نتایج صحیح به تخصص و مهارت کافی نیاز است.[2] استفاده از نرم افزار های دینامیک سیالات محاسباتی به شدت کاهش تاخیر زمانی ارائه خودرو به بازار و همچنین کاهش آزمایش های پر هزینه عملی را موجب می شود .
ویژگی های آیرودینامیکی یک قطار سریع السیر به طور کامل با آیرودینامیک هواپیما و تا حدی آیرودینامیک خودرو متفاوت است. خصوصیات منحصر به فرد زیادی در آیرودینامیک قطار های تندرو وجود دارد که از آن ها می توان به طول قطار که در حالت کلی در مقایسه با عرض آن بسیار بلند در نظر گرفته می شود، اشاره کرد . قطار به طور معمول از مجاور ساختارهای مختلفی عبور می کند،که از آن ها می توان عبور از میان تونل ،عبور دو یا چند قطار از کنار یکدیگر، تاثیر همیشگی عبور از روی زمین و اثر بادهای جانبی را برشمرد.از این رو تحقیقات و نتایجی که برای آیرودینامیک هواپیماها به دست آمده است، کمک چندانی به درک جزئیات آیرودینامیک قطار های تندرو نخواهد کرد .
در حالت کلی، یک سیستم قطار مطلوب باید از نظر آیرودینامیکی پایدار باشد و نیروهای آیرودینامیکی وارد بر آن کم باشند، این خصوصیات آیرودینامیکی ارتباط نزدیکی با نیروی پسا1 آیرودینامیکی قطار در حال حرکت دارند . پسای آیرودینامیکی وارده بر قطار در حال حرکت به طور عمده به دو نوع مکانیکی و آیرودینامیکی، تقسیم می شود . از این دو پسای آیرودینامیکی قادر است مصرف انرژی قطار را تحت تاثیر قرار بدهد،از این رو درک جزئیات پسای آیرودینامیکی و ارزیابی دقیق آن از اهمیت کاربردی فراوانی برخوردار است.
به منظور افزایش سرعت قطار، ضروری است که یا قدرت موتور زیاد شود و یا اینکه نیروی پسای آیرودینامیکی کاهش یابد. در مقایسه با حالت حرکت قطار در محیط باز، حرکت قطار در محیط بسته ای مانند تونل نیروی پسا را بشدت افزایش می دهد.[3]این مشکل به این دلیل است که، جریان القایی که توسط قطار تشکیل می شود برای افزایش فشار هوای بین قطار و دیواره های تونل کار انجام می دهد. شاخک برقرسان - پانتوگراف - 2 روی سقف قطار و اجزای زیر قطار هم می تواند عاملی برای ایجاد پسا بیشتر باشد.
در حرکت قطار در مسیر باز نیروی پسای وارد بر قطار را می توان به دو نوع تقسیم کرد : یک نوع وابسته به طول قطار و نوع دیگر مستقل از طول قطار . پسای مستقل از طول قطار را نیروی پسای فشاری میگوییم که ناشی از شکل جلویی و انتهایی قطار است .
جزییات پیکربندی جلو و انتهای قطار به طور مهمی می تواند بر خصوصیات آیرودینامیکی تاثیر گذار باشد. یک مثال برای آزمایش موضوعی تونل باد برای قطار در شکل1 نشان داده شده است، به طوری که آزمایش در حالی انجام شده است که 16 مدل مختلف قطار بر اساس شکل جلو و انتهای بدنه قطار مورد استفاده قرار گرفته است.4]و[5 شکل جلو و عقب بدنه قطار را تقریبا می توان مشابه همدیگر فرض کرد و پیکرسازی ها با استفاده از اعداد 1و2و3و4 و حروف AوBوCوD مشخص شده اند. جهت ساده سازی اعداد را به عنوان سری یا نسل قطار ها و حروف را به عنوان نوع و گونه ی قطار ها تعیین می کنیم.
شکل -1 جزییات پیکر بندی مدل ها
