Определение аэродинамического сопротивления грузовых поездов с инновационными вагонами увеличенной грузоподъёмности

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена цель и поставлены задачи работы. Также описаны научная новизна и практическая значимость исследования.
В первом разделе проведён обзор и анализ существующих исследований по аэродинамике подвижного состава. Определены основные факторы, влияющие на сопротивление поезда. На основе обзора существующих работ были определены основные проблемы применяющихся на данный момент методов определения сопротивления поезда. При этом выбран наиболее подходящий метод решения поставленных задач.
Во втором разделе проводилась разработка расчётных моделей поездов с вагонами различных моделей.
На первом этапе для проведения расчетов была разработана упрощённая твердотельная модель локомотива модели 2ЭС10 (рисунок 1). При разработке модели учитывались основные геометрические параметры локомотива, а также конфигурация лобовой части, крышевого и подвагонного оборудования.
а)
а) – вид сбоку; б) – вид спереди;
Рисунок 1 – Расчётная модель поезда, состоящего из локомотива модели 2ЭС10
б)

На втором этапе проводилась разработка расчётных моделей поездов с локомотивом 2ЭС10 и вагонами моделей 12-132 и 12-9548-01.
Для проведения расчетов были разработаны упрощённые твердотельные модели полувагонов. При разработке моделей учитывались основные геометрические параметры, а также конфигурации стен вагонов, подвагонного оборудования и ходовых частей.
Имитация груза в полувагоне проводилась путём создания объёмного параллелепипеда внутри кузова с различным значением высоты, соответствующим степени загрузки 50% и 100%. Каркасное изображение расчётных моделей поездов представлено на рисунке 2.
На третьем этапе проводилась разработка расчётных моделей поездов с локомотивом 2ЭС10 и вагонами моделей 12-6877-02 и 12-9548- 02.
Каркасное изображение расчётных моделей поездов представлено на рисунке 3.
а) б)
а) – полувагон модели 12-132; б) – полувагон модели 12-9548-01 Рисунок 2– Каркасное изображение расчётных моделей поездов
5

а) б)
а) – полувагон модели 12-9548-02; б – полувагон модели 12-6877-02 Рисунок 3 – Каркасное изображение расчётных моделей поездов
Расчётные схемы для определения аэродинамического сопротивления представляли собой неподвижную модель поезда, установленную на элементы верхнего строения пути, и движущуюся с заданной скоростью текучую среду. Направление движения текучей среды задавалось противоположно направлению предполагаемого движения поезда. Такой способ позволил реализовать программную имитацию лабораторного исследования по обдуву исследуемого объекта в аэродинамической трубе. Конечно-элементная модель была сгенерирована в модуле ICEMCFD программного комплекса ANSYS Workbench. Настройка модели производились в модуле Fluent.
В третьем разделе представлены результаты численных расчётов взаимодействия поезда с окружающим воздухом. Расчёт проводился в модуле Fluent. В качестве результатов представлены эпюры давления воздуха и траектории потоков в секущих плоскостях, а также количественные значения давления воздуха на различных поверхностях поезда.
В качестве варьируемых параметров расчёта были выбраны: скорость движения поезда (от среднетехнической 40 км/ч до 110 км/ч), уровень загрузки кузова полувагонов грузом (от 0 до 1), количество вагонов в составе (от 1 до 5), а также модели полувагона в составе (12-132, 12-9548- 01, 12-9548-02 и 12-6877-02).
Для поезда, состоящего из локомотива модели 2ЭС10 траектории потоков и эпюра давления воздуха при скорости движения 40 км/ч указаны на рисунке 4.
а) – траектории и скорость воздушных потоков; б) – распределение давления на секущей плоскости вдоль оси пути
Рисунок 4 – Характеристики взаимодействия локомотива с воздушной средой
На рисунке 4 видно повышенное давление и существенное замедление потока у лобовой части локомотива, а также завихрение и зону пониженного давления в хвостовой части.
Для четырёхосных полувагонов качественная картина распределения давлений схожа. На рисунке 5 указаны результаты расчётов порожнего четырёхосного полувагона модели 12-9548-02. Для шестиосного сочленённого полувагона модели 12-6877-02 результаты расчётов указаны на рисунке 6.
Порожний вагон испытывает повышенные аэродинамические нагрузки, поскольку воздушные потоки, обтекающие локомотив, и обладающие большой скоростью, рассеиваются о торцевые стены внутренней части кузова вагона (рисунки 5, 6), а также о неровности боковых стен.
При увеличении уровня загрузки до 100% направление потоков воздуха по верхней части вагонов выравнивается, воздействуя только на внешние элементы боковых стен и небольшие площади внутреннего пространства кузова, включая поверхность груза.
а)
б)
а) – траектории воздушных потоков; б) – эпюра давления воздуха Рисунок 5 – Состояние воздушной среды вблизи полувагона
а)
б)
а) – траектории воздушных потоков; б) – эпюра давления воздуха; Рисунок 6 – Состояние воздушной среды вблизи сочленённого полувагона
8

В промежутке между локомотивом и следующим после него вагоном возникает срыв воздушного потока. На торцевой стенке локомотива образуется зона пониженного давления, при этом зоны повышенного давления на торцевой стене вагона не наблюдается.
В межвагонных промежутках по длине состава возникают как зоны повышенного (на вагоне, следующим после промежутка), так и пониженного (на вагоне, следующим перед промежутком) давления.
Конфигурация и размеры кузова оказывают влияние на величину аэродинамического сопротивления от вагона. Наличие стоек, изгибов на листах обшивки, поручней, подножек и других выступающих элементов создает зоны локального изменения градиента давления, а увеличение размеров кузова влечет увеличение площади взаимодействия вагона с воздушной средой, что повышает суммарное сопротивление.
Так же существенный вклад в сопротивление от вагона элементы, расположенные в подвагонном пространстве, где перепад давления образуется на элементах ходовых частей, тормозном оборудовании, а также на промежуточных балках рамы вагона.
В случае движения полностью загруженного состава, взаимодействие потока происходит с поверхностью груза и небольшой частью внутренней поверхности кузова, что сопровождается относительно равномерным потоком по верхней части вагонов. При уменьшении степени загрузки возникает расщепление потока с дополнительным завихрением в освободившемся пространстве, что создает область повышенного и пониженного давления на торцевых стенах внутри кузова. С увеличением свободного внутреннего пространства в кузове, увеличивается сопротивление движению.
В результате обработки данных аэродинамического сопротивления отдельных частей подвижного состава, полученных при численных расчётах моделей, было обнаружено:
– зависимость аэродинамического сопротивления от скорости имеет квадратичный характер;
– зависимость аэродинамического сопротивления от количества вагонов в составе имеет линейный характер;
– зависимость аэродинамического сопротивления от уровня загрузки вагонов имеет линейный характер.
В четвёртом разделе представлен расчётно-эмпирический метод, позволяющий определить аэродинамическую часть основного сопротивления поезда на основе данных численных расчётов.
Зависимость аэродинамического сопротивления от варьируемых при численных расчётах параметров сведена в таблицу 1.
Таблица 1 – Зависимость составляющих полного аэродинамического сопротивления от изменяемых параметров
Тип сопротивления
Лобовое сопротивление локомотива Сопротивление стен и крыши локомотива Сопротивление ходовых частей и подвесного оборудования локомотива
Сопротивление промежутка между локомотивом и первым вагоном Сопротивление межвагоных промежутков Сопротивление внутренних частей вагонов Сопротивление стен вагонов Сопротивление ходовых частей и подвагонного оборудования вагонов Кормовое сопротивление хвостового вагона
Зависимость от параметра
Скорость Количество Загрузка вагонов вагонов
+–– +––
+–– +––
++– +++ ++–
++– +––
На основе результатов, описанных в третьем разделе и принятой классификации (таблица 1), зависимость полного аэродинамического сопротивления от скорости, загрузки и количества вагонов была представлена в виде формулы (1):
=[ 2+ ]+[ 2+ ]+ л л пр пр
+[(( 1 2 + 1 ) з + 2 2 + 2 ) + ( 3 2 + 3 )( − 1) + 4 2 + 4 ],
где F – полное аэродинамическое сопротивление, Н;
– скорость движения поезда, км/ч;
, – постоянные, зависящие от характеристик локомотива, для лл
электровоза 2ЭС10, стоящего во главе состава, определяющие зависимость сопротивления лобовой части, стен, крыши, подвесного оборудования и ходовых частей локомотива от скорости движения поезда;
, – постоянные, зависящие от характеристик локомотива и пр пр
следующего за ним вагона, определяющие зависимость сопротивления промежутка между локомотивом и следующим вагоном от скорости движения поезда;
(1)
1, 1 – постоянные, зависящие от характеристик вагонов в составе, определяющие зависимость сопротивления внутренней части кузова вагонов от степени загрузки, количества вагонов в составе и скорости движения поезда;
2, 2 – постоянные, зависящие от характеристик вагонов в составе, определяющие зависимость сопротивления стен, подвагонного оборудования и ходовых частей вагонов от количества вагонов в составе и скорости движения поезда;
3, 3 – постоянные, зависящие от характеристик вагонов в составе, определяющие зависимость сопротивления межвагонных промежутков от количества вагонов в составе и скорости движения поезда;
, – постоянные, зависящие от характеристик вагонов в составе, 44
определяющие зависимость кормового сопротивления от скорости движения поезда;
– количество вагонов в составе;
з – коэффициент, определяющий уровень загрузки в вагонах; принимает значение от 0 до 1, вычисляется по формуле (2).
з = 1−Уз, (2) где Уз – уровень загрузки в долях от целого, принимает значения от 0
до 1.
При расчёте аэродинамического сопротивления были получены
следующие значения удельного сопротивления поездов с вагонами различных моделей:
 12-132, порожнего – 23 Н/т;
 12-9548-01, порожнего – 34 Н/т (+48% от значения для 12-132);
 12-9548-02, порожнего – 27 Н/т (+17% от значения для 12-132);
 12-6877-02, порожнего – 20 Н/т (–13% от значения для 12-132);
 12-132, гружёного – 5,8 Н/т;
 12-9548-01, гружёного – 5,5 Н/т (–5% от значения для 12-132);
 12-9548-02, гружёного – 4,6 Н/т (–21% от значения для 12-132);
 12-6877-02, гружёного – 3,7 Н/т (–36% от значения для 12-132). Увеличение удельного сопротивления порожних инновационных
полувагонов моделей 12-9548-01 и 12-9548-02 связано с увеличением миделя вагона. При этом шестиосный полувагон имеет заниженное значение удельного сопротивления в связи с большой массой тары.
Удельное сопротивление гружёных инновационных полувагонов оказалось ниже сопротивления стандартных полувагонов модель 12-132, что связано с увеличенной массой брутто вагона.
Также проведено сравнение результатов расчётов по предложенному расчётно-эмпирическиму методу и расчётами согласно Евростандарту (CSN EN 14067-1) для полувагонов моделей 12-9548-02 и 12-6877-02. Результаты сравнения указаны на рисунке 7.
а)
б)
а) – вагон модели 12-9548-02; б) – вагон модели 12-6877-02 Рисунок 7 – Сравнение результатов расчёта по расчётно-эмпирическому методу и согласно Евростандарту
В результате сравнение выявлена сходимость расчётов двумя методами, однако, аналитический расчёт не предусматривает определение сопротивления для вагонов с частичной загруженностью кузова. При этом, во время эксплуатации полностью загруженных полувагонов некоторая часть кузова остаётся открытой.
В пятом разделе представлено сравнение результатов расчётов поездов с вагонами моделей 12-132 и 12-9548-01 с данными эксперимента, а также с результатами аналитических расчётов.
Результаты сравнения указаны на рисунке 8.
ось абсцисс – скорость, км/ч; ось ординат – удельное сопротивление, Н/т
Рисунок 8 – Сравнение результатов расчёта с данными эксперимента и аналитического расчёта
В результате сравнения была получена удовлетворительная сходимость результатов расчётов согласно расчётно-эмпирическому методу как для порожних вагонов моделей, так и для гружёных с результатами расчётов по Правилам тягового расчёта, а также с данными эксперимента.
Наблюдаемый разброс зависимостей объясняется совокупностью следующих факторов:
1. В модели применялась идеализированная математическая модель свойств окружающей среды, без учета колебания температуры воздушных масс по направлению движения поезда и кинематической вязкости.
2. В исследовании используется редуцированное представление геометрии объектов подвижного состава по причине существенной экономии вычислительных ресурсов оборудования.
3. Существующие модели турбулентности имеют определённые ограничения, ведущие к расхождению с физическими явлениями, возникающими при полномасштабном моделировании движения поезда.
4. Механическое сопротивление движению полувагонов принято постоянным в ходе эксперимента по определении зависимости сопротивления вагона от скорости движения. Однако на практике, воздействующая на поезд механическая часть сопротивления движению имеет некоторую степень зависимости от скорости.
5. Зависимость, полученная в результате проведённых экспериментов по определению сопротивления полувагонов, построена на основании обработки статистических данных по методу «наименьших квадратов», на основе данных, полученных при заданных скоростях движения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана методика определения аэродинамической составляющей основного сопротивления движению грузового поезда, включающая:
 разработку твердотельных моделей исследуемых единиц подвижного состава, на основе которых создаются расчётные модели, учитывающие характеристики окружающей среды и железнодорожной инфраструктуры;
 изучение на цифровых моделях различных вариантов движения грузового поезда с определением зависимости аэродинамической составляющей основного сопротивления движению при изменении количества вагонов в составе, уровня наполнения кузова и моделей вагонов;
 экстраполяцию полученных данных на поезд любой длины, составности и загруженности.
2. Предложена классификация различных составляющих полного аэродинамического сопротивления по признакам зависимости от скорости, загрузки и количества вагонов.
3. Создан расчётно-эмпирический метод определения основного сопротивления движению подвижного состава, заключающийся в использовании полученных зависимостей аэродинамического сопротивления на цифровых моделях вместе с данными экспериментов по определению механического для определения сопротивления для различных вариантов грузового подвижного состава.
4. Определены величины аэродинамического сопротивления для различных частей поезда в зависимости от скорости, количества вагонов и уровня их загрузки, а также получены качественные и количественные характеристики взаимодействия поезда с воздушной средой.
5. Проведено сравнение результатов расчётов с данными натурных экспериментов, а также с результатами аналитического определения аэродинамической составляющей основного сопротивления движению поезда.
6. При сравнении удельных величин аэродинамического сопротивления вагонов различных моделей установлено:
 сочленённые вагоны создают наименьшее удельное аэродинамическое сопротивление на единицу веса (уменьшение до 42%) и единицу длины (уменьшение до 32%) состава, но наибольшее при рассмотрении сопротивления на единицу подвижного состава (увеличение до 7%);
 инновационные полувагоны с увеличенным объёмом кузова за счёт удлинения в гружёном режиме создают меньшее (уменьшение до 30%) удельное сопротивление на единицу веса, единицу длины состава и единицу подвижного состава по сравнению с традиционным полувагоном;
 инновационные полувагоны с увеличенным объёмом кузова за счёт уширения в гружёном режиме создают меньшее (уменьшение до 18%) удельное сопротивление на единицу веса, единицу длины состава и единицу подвижного состава по сравнению с традиционным полувагоном.