Aerodinamika vlaka ima značajan utjecaj na energetsku učinkovitost i potrošnju goriva. Simulacija fluida tj. simulacija računalne dinamike fluida (Computational Fluid Dynamics – CFD) omogućuje inženjerima da dizajniraju vlakove kako bi minimizirali otpor zraka i analizirali aerodinamiku puno prije testiranja u zračnom tunelu.
Važnost aerodinamike u željezničkoj industriji
Željeznička industrija bila je jedna od prvih koja je prepoznala značaj aerodinamike i smanjenja otpora zraka. U 1930-ima, kultne lokomotive “Streamliner” kao što su američki Pioneer Zephyr, britanski Mallard i njemački Flying Hamburger postizale su brzine znatno veće od 160 km/h zahvaljujući velikim dijelom svojim “elegantnim“ dizajnom, koji je ujedno i smanjio otpor zraka. Kasnije, uspjeh japanskog Shinkansena i francuskog TGV-a učinio je aerodinamični nos “bullet train” vlakova poznatim i inspirirao renesansu brze željeznice koja traje diljem svijeta do danas.
Važnost otpora zraka na brzim putničkim vlakovima je očita – aerodinamički otpor varira s kvadratom brzine i potpuno dominira drugim izvorima otpora pri velikim brzinama – ali također utječe na performanse i učinkovitost vlakova nižih brzina – čak i teretnih.
Postoje mnogi potencijalni izvori otpora zraka na vlakovima – ne samo na prednjem dijelu, već i stražnjem, prostorima između vagona, u podvozju vlaka, na pantografu (priključak vlaka na električni vod) na električnim vlakovima i teretu na teretnim. Teretni vlakovi mogu biti dugi više od 1.5 km i vući stotine vagona sa teretom. Svaki će teret dodatno pridonijeti otporu zraka zbog turbulentnih vrtloga koji se stvaraju iza njega, a ukupni otpor može biti značajan.
Kako simulacija fluida (CFD) pomaže željezničkoj industriji?
U željezničkoj industriji strukturalna simulacija i simulacija više tijela dobro su poznate metode prilikom modeliranja čvrstoće i dinamike željezničkih vozila, ali simulacija fluida (CFD) također je važna disciplina za željeznicu.
CFD (Simulacija računalne dinamike fluida) pomaže željezničkoj industriji analizirati i optimizirati otpor zraka lokomotiva i željezničkih vagona tijekom projektiranja, puno prije izrade prototipa i testiranja u zračnom tunelu. Poboljšanje energetske učinkovitosti pomaže željezničkim prijevoznicima da smanje troškove energenata/goriva i postignu ciljeve u smanjenju emisija stakleničkih plinova. CFD također pronalazi svoj put u analizi mnogih drugih područja unutar željezničke industrije npr. u dizajnu tračnica, smanjenju buke zbog strujanja zraka/vjetra pa sve do efikasnijeg korištenja klimatizacije.
CFD programska rješenja
CFD programska rješenja (kao što je SIMULIA PowerFLOW) stoga su već prepoznata i prihvaćena u željezničkoj industriji za izvođenje CFD simulacija te omogućuju prikaz 3D vizualizacije visoke rezolucije koja uključuje protok zraka, distribuciju topline i širenje buke vidljivima, omogućujući inženjerima razumijevanje temeljnih uzroka problema i razvijanje učinkovite metode ublažavanja.
Također, moderna programska rješenja mogu brzo prikazivati različite scenarije, uključujući one koje je teško eksperimentalno testirati, i pronaći optimalna rješenja za maksimiziranje učinkovitosti u mnogim radnim uvjetima.
Prednosti simulacije u projektiranju vlakova
Što se problem prije identificira – lakše ga je riješiti. Do vremena kada je prototip izrađen i kada započne testiranje na tračnicama, značajni resursi su uloženi u dizajn i upravo o njemu mnogo toga ovisi. Ako se u ovoj fazi otkrije problem s aerodinamikom, bitne dijelove vlaka možda će trebati redizajnirati, što će uzrokovati kašnjenje projekta i značajno povećanje troškova. Simulacija omogućuje pristup “pomaka ulijevo“ – praksa pomicanja testiranja, kvalitete i procjene performansi ranije u razvojnom procesu (ulijevo na vremenskoj traci), zahvaljujući simulacijama.
Aeroakustična simulacija buke vlaka
Aeroakustična buka jedan je od glavnih izvora buke u vlaku. Kad su prve prijevozne linije visoke brzine počele s radom, stanovnici koji žive u blizini takvih linija su se počeli žalili na neugodne zvukove poput pucnjave. Inženjeri su shvatili da pri prolasku kroz tunel prednji dio vlaka komprimira zrak ispred te se stvara udarni val. Kao posljedica – lokomotive su morale biti redizajnirane kako bi se promijenila njihova aerodinamika, a ulazi u tunele su se zaštitili poklopcima i perforacijama/otvorima koji djeluju poput prigušivača.
Buka se može generirati na bilo kojem dijelu vlaka koji uzrokuje turbulentno strujanje zraka, kao i iz interakcije aerodinamike vlaka s strukturama uz prugu (poput mostova i komponenti električne mreže iznad vlaka). Simulacija identificira ove izvore buke i pomaže dizajnerima da ih ublaže aerodinamičkim poboljšanjima ili izolacijom.
Programska rješenja i ovdje nude iznimnu pomoć zahvaljujući povezivanju aeroakustičnih simulacija s aerodinamikom. Korisnik može izračunati razinu buke u bilo kojoj točki oko vlaka – pa čak i poslušati simuliranu buku samog vlaka kako bi točno razumio iskustvo putnika.
Simulacije topline i klime u vlakovima
Motori, transformatori i kočnice mogu generirati ogromne količine topline i potrebno ih je učinkovito hladiti u svim klimatskim uvjetima, prilikom velikih ili malih brzina te dok je vlak zaustavljen.
Simulacija se također može koristiti prilikom projektiranja ventilatora i rashladnih sustava teških strojeva, za modeliranje protoka zraka i distribuciju topline unutar motora. Dodatno, može se modelirati i ublažiti buka ventilacije. Simulacija smanjuje i rizik od toplinskih kvarova i omogućuje inženjerima da odaberu odgovarajuću veličinu rashladnog sustava kako bi minimizirali troškove i težinu, a da i dalje ispunjavaju zadane parametre.
Zaključak
Aerodinamika je jedan od ključnih faktora u razvoju vlakova – čak i pri nižim brzinama otpor zraka može imati značajan utjecaj na energetsku učinkovitost i potrošnju goriva. Simulacija računalne dinamike fluida (CFD) omogućuje inženjerima da dizajniraju vlakove kako bi minimizirali otpor zraka i analizirali aerodinamiku puno prije testiranja u zračnom tunelu ili na tračnicama.
CFD simulacija se također može koristiti za analizu i optimizaciju buke vlakova bilo da se radi o unutrašnjosti vlakova ili vanjskom dijelu, a sve kako bi se poboljšalo iskustvo putnika i stanovnika u blizini kretanja vlakova. CFD-toplinska simulacija se koristi za projektiranje sustava upravljanja toplinom te kako bi se osiguralo da klimatizacijski sustavi pružaju sigurno i ugodno okruženje za putnike.
Kao programsko rješenje samo naveli SIMULIA PowerFLOW koje nudi cijeli niz mogućnosti CFD simulacija za razvoj vozila u željezničkoj industriji. Integracijom, u radu sa inženjerima može ubrzati razvoj lokomotiva i vlakova te lakše ostvariti KPI-eve kao što su iskoristivost goriva, učinkovitost sustava hlađenja i ventilacije.
Kako mi možemo pomoći?
U CADCAM grupi specijalizirani smo za pružanje rješenja za digitalnu transformaciju u što spadaju i rješenja iz SIMULIA porfolia.
SIMULIA PowerFLOW nudi cijeli niz mogućnosti CFD simulacija za razvoj vozila u cijeloj transportnoj industriji, bilo da se radi o vlakovima, kamionima, brodovima ili avionima. Integracijom, u radu sa inženjerima ubrzava razvoj te omogućuje brže i jednostavnije ostvarivanje KPI-eva kao što su iskoristivost goriva, učinkovitost sustava hlađenja i ventilacije.
Uz svako rješenje iz našeg portfolia imamo stručan tim inženjera koji mogu pomoći sa implementacijom rješenja i realizacijom ideja.
Ostali članci
Pretplatite se na e-vijesti
Prijavite se za e-vijesti CADCAM Grupe i pravovremeno se informirajte o vijestima i sadržajima iz svijeta PLM-a, CAD-a, CAM-a i CAE-a. Uz e-vijesti dobit ćete i informacije o aktualnim događajima, webinarima i posebnim ponudama koje pripremamo za vas, kao i najnovije savjete i trikove, gdje ćete pronaći odgovore na pitanja s kojima se susrećete tijekom rada s našim programskim rješenjima.