تحلیل و مدل‌سازی آیرودینامیکی اثر پارامتر‌های شکل دماغه قطار پرسرعت در واژگونی تحت اثر باد عرضی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی راه آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 استادیار دانشکده مهندسی راه آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

افزایش سرعت و کاهش وزن وسایل نقلیه ریلی، در سال‌های اخیر، نگرانی‌ها پیرامون خطر ناپایداری و واژگونی این وسایل نقلیه را افزایش داده است. یکی از عوامل مؤثر در واژگونی و خروج از خط، وزش باد‌های عرضی است که وقتی با سرعت بالای قطار‌های تندرو همراه می‌شود، خطر خروج از خط و واژگونی را بیشتر می‌کند. در این پژوهش، با در نظر گرفتن سه متغیر سرعت قطار، سرعت باد و زاویه وزش باد، شبیه‌سازی عددی جـریان هـوای اطـراف مـدل قطار ICE2 تحت اثـر باد عـرضی، به کمک روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده و ضرایب آیرودینامیکی تعیین شده است. به کمک نتایج این شبیه‌سازی‌ها و مدل‌سازی تعادل قطار، شرط واژگونی قطار تحت بار عرضی در مسیر مستقیم بر اساس استاندارد En14067 مشخص شده و محدوده بحرانی حرکت قطار تعیین شده است. سپس با در نظر گرفتن 5 پارامتر هندسی دماغه و اعمال روی هندسه پایه(مدل قطار ICE2)، 8 هندسه جدید تولید شده است. با مقایسه نتایج ضرایب آیرودینامیکی شکل دماغه، اثر اعمال تغییر در پارامترهای هندسی در واژگونی قطار مورد بحث قرار گرفته است. بررسی‌ها نشان می‌دهد که از میان پارامتر‌های هندسی در نظر گرفته شده، کاهش ضخامت دماغه و افزایش طول دماغه یا کاهش زاویه نوک دماغه، که در نمونه‌های جدید دماغه قطار‌ برندهای معروف دنیا دیده ‌می‌شود، تأثیر مطلوب بیشتری در جلوگیری از واژگونی قطار دارند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Orellano A, Schober M (2006) Aerodynamic performance of a typical high-speed train. WSEAS transactions on Fluid Mechanics 1(5): 379-386.

[2] Meteorological info from Iran Meteorological Organization on http://www.irimo.ir

[3] Baker C, Robinson C (1990) The assessment of wind tunnel testing techniques for ground vehicles in cross winds. J Wind Eng Ind Aerod 33(1-2): 429-438.

[4] Rocchi D, Schober M, Orellano A, Cheli F, Tomasini G (2009) Comparison of wind tunnel tests results on the ATM train. Proceedings of the Euromech Colloqium 509, Vehicle Aerodynamics, 24-25.

[5] Chiu T, Squire L (1992) An experimental study of the flow over a train in a crosswind at large yaw angles up to 90. J Wind Eng Ind Aerod 45(1): 47-74.

[6] Baker C, Jones J, Lopez-Calleja F, Munday J (2004) Measurements of the cross wind forces on trains. J Wind Eng Ind Aerod 92(7): 547-563.

[7] Baker C (1986) Train aerodynamic forces and moments from moving model experiments. J Wind Eng Ind Aerod 24(3): 227-251.

[8] Guo W, Wang Y, Xia H, Lu S (2015) Wind tunnel test on aerodynamic effect of wind barriers on train-bridge system. Sci China Technol Sci 58(2): 219-225.

[9] Barcala M, Meseguer J (2007) An experimental study of the influence of parapets on the aerodynamic loads under cross wind on a two-dimensional model of a railway vehicle on a bridge. P I Mech Eng F-J Rai 221(4): 487-494.

[10] Chiu T (1991) A two-dimensional second-order vortex panel method for the flow in a cross-wind over a train and other two-dimensional bluff bodies. J Wind Eng Ind Aerod 37(1): 43-64.

[11] Baker C (1991) Ground vehicles in high cross winds part II: Unsteady aerodynamic forces. J Fluid Struct 5(1): 91-111.

[12] Baker C (1991) Ground vehicles in high cross winds part III: The interaction of aerodynamic forces and the vehicle system. J Fluid Struct 5(2): 221-241.

[13] Diedrichs B, Ekequist M, Stichel S, Tengstrand H (2004) Quasi-static modelling of wheel-rail reactions due to crosswind effects for various types of high-speed rolling stock. P I Mech Eng F-J Rai 218(2): 133-148.

[14] Gaylard A (1993) The application of computational fluid dynamics to railway aerodynamics. P I Mech Eng F-J Rai 207(2): 133-141.

[15] Suzuki M, Tanemoto K, Maeda T (2003) Aerodynamic characteristics of train/vehicles under cross winds. J Wind Eng Ind Aerod 91(1): 209-218.

[16] Cooper R (1981) The effect of cross-winds on trains. J Fluid Struct 103(1): 170-178.

[17] Khier W, Breuer M, Durst F (2000) Flow structure around trains under side wind conditions: a numerical study. Comput Fluids 29(2): 179-195.

[18] Hemida H, Krajnovic S (2006) Exploring the flow around a generic high-speed train under the influence of side winds using LES. Paper presented at the Fourth International Symposium on Computational Wind Engineering, Yokohama, Japan.

[19] Hemida H, Krajnovic S, Davidson L (2005) Large eddy simulations of the flow around a simplified high speed train under the influence of cross-wind. Paper presented at the Proc. 17th AIAA Computational Dynamics Conference, Toronto, Ontario, Canada.

[20] Hemida H, Baker C (2010) Large-eddy simulation of the flow around a freight wagon subjected to a crosswind. Comput Fluids 39(10): 1944-1956.

[21] Diedrichs B (2003) On computational fluid dynamics modelling of crosswind effects for high-speed rolling stock. P I Mech Eng F-J Rai 217(3): 203-226.

[22] Allain E, Paradot N (2014) Aerodynamics in train cross wind studies. Int J Aerodyn 4(1-2): 10-23.

[23] Diedrichs B (2008) Aerodynamic calculations of crosswind stability of a high-speed train using control volumes of arbitrary polyhedral shape. BBAA VI International Colloquium on Bluff Bodies Aerodynamics & Applications, Milano, Italy, July.

[24] Rolen C, Rung T, Wu D (2004) Computational modelling of cross-wind stability of high-speed trains. Paper presented at the Proc. European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering.

[25] Krajnović S, Georgii J, Hemida H (2007) DES of the flow around a high-speed train under the influence of wind gusts. Paper presented at the 7th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modeling and Measurements, Limassol, Cyprus: IEEE.

[26] Zhuang Y, Lu X (2015) Numerical investigation on the aerodynamics of a simplified high-speed train under crosswinds. Theor. App Mech Lett 5(5): 181-186.

[27] Krajnović S, Ringqvist P, Nakade K, Basara B (2012) Large eddy simulation of the flow around a simplified train moving through a crosswind flow. J Wind Eng Ind Aerod 110: 86-99.

[28] Hemida H, Krajnović S (2009) Exploring flow structures around a simplified ICE2 train subjected to a 30 side wind using LES. Eng Appl Comp Fluid 3(1), 28-41.

[29] Hemida H, Krajnović S (2010) LES study of the influence of the nose shape and yaw angles on flow structures around trains. J Wind Eng Ind Aerod 98(1): 34-46.

[30] Xiang CQ, Guo WH, Zhang JW (2014) Study on critical speed of high-speed train running on bridge under strong crosswind. Paper presented at the Applied Mechanics and Materials.

[31] Xiang CQ, Guo WH, Zhang JW (2013) Study on numerical simulation method of aerodynamic performance of high-speed train on bridge. Paper presented at the Applied Mechanics and Materials.

[32] Li T, Zhang JY, Zhang WH (2013) A numerical approach to the interaction between airflow and a high-speed train subjected to crosswind. J Zhejiang Univ-Sc A 14(7): 482-493.

[33] En14067-1 (2003) Railway applications—Aerodynamics—part 1: symbols and units, in.

[34] En14067-6 (2010) Railway applications—Aerodynamics—part 6: requirements and test procedures for cross wind assessment, in.

[35] Shih TH, Liou WW, Shabbir A, Yang Z, Zhu J (1995) A new k-ϵ eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows. Comput Fluids 24(3): 227-238.

[36] Launder BE, Spalding DB (1983) The numerical computation of turbulent flows. In Numerical Prediction of Flow, Heat Transfer, Turbulence and Combustion (pp. 96-116).

[37] Copley J (1987) The three-dimensional flow around railway trains. J Wind Eng Ind Aerod 26(1): 21-52.