В статье рассматривается влияние аэродинамического дизайна на сопротивление воздуха, оказываемого на лобовую часть подвижного состава во время движения. Сравнивается лобовое сопротивление уже имеющихся различных форм подвижного состава, эксплуатируемого на данный момент в России и Японии. С помощью моделирования форм поездов, анализа потоков воздуха и расчетов, выявляется наиболее актуальный аэродинамический дизайн, который эффективно применять для эксплуатации высокоскоростного подвижного транспорта.

Ключевые слова: подвижной состав, аэродинамическое сопротивление, оптимизация формы поезда, железнодорожный транспорт, сопротивление воздуха, аэродинамический дизайн, лобовое сопротивление.

Актуальность темы исследования

В современных условиях стремительного развития транспорта аэродинамический дизайн имеет критическое значение для повышения эффективности железнодорожного транспорта. В условиях современных требований к скорости, комфорту и устойчивости, оптимизация форм поездов для снижения сопротивления воздуха становится важнейшей задачей. Учитывая глобальные тенденции к развитию высокоскоростного транспорта в России, исследование в этой области приобретает особую актуальность, несмотря на значительные достижения в аэродинамическом дизайне. Многие аспекты, такие как влияние формы на сопротивление воздуха и взаимодействие с окружающей средой, остаются недостаточно изученными. Это создает необходимость в более глубоком анализе и разработке новых решений для повышения аэродинамической эффективности поездов.

Методология исследования

Аэродинамическое сопротивление — это сопротивление движению, которое создаёт воздушная среда. Зависит от формы и размеров тела, ориентации его относительно направления скорости, значения скорости, а также от свойств и состояния среды, в которой происходит движение [1].

Рассчитывается аэродинамическое сопротивление по формуле:

, (1)

где — плотность окружающей среды, кг/м ³ (примем плотность сухого воздуха равной 1,2041 кг/м ³ при температуре 20 ^о С и давлении 101,325 кПа) [2];

— скорость движения, м/с (расчет проведем в диапазоне скоростей от 10 км/ч до 200 км/ч);

— коэффициент лобового сопротивления тела (безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем и зависит от формы лобовой части);

S — наибольшая характерная площадь тела, м ² .

Для исследования примем два наиболее известных подвижных состава в России «Ласточка» (рисунок 1) и «Сапсан» (рисунок 2), воссоздав модель их форм в программном комплексе САПР (система автоматизированного проектирования или система автоматизации проектных работ) «SolidWorks» с размерами 1:1 к действительным. Также для исследования примем, что поезд движется по прямой, без уклона, а вектора движения головного вагона и воздуха расположены на одной оси и противоположно направлены друг другу. Боковые воздействия не учитывались.

Рис. 1. Модель ЭС «Ласточка», воссозданная в программном комплексе САПР «SolidWorks»

Рис. 2. Модель ЭВС «Сапсан», воссозданная в программном комплексе САПР «SolidWorks»

Изложение полученных результатов

Моделирование форм подвижных составов позволило провести детальный анализ обтекания потоков воздуха и дало возможность визуализировать их и получить численные значения коэффициента лобового сопротивления, который остается неизменным при изменении скорости (рисунок 3).

Рис. 3. Анализ потоков воздуха подвижных составов ЭВС «Сапсан» и ЭС «Ласточка»

Из проведенного анализа следует, что аэродинамический коэффициент сопротивления тела равен 0,27 для «Сапсана» и 0,62 для «Ласточки», а площадь поперечного сечения 8,281 м ² и 9,337 м ² соответственно.

Подставив полученные значения в формулу (1) при скорости движения поезда 10 км/ч (2,78 м/с), получим:

Для «Сапсана»

Для «Ласточки»

Аналогичные расчеты проведем при скоростях от 20 до 200 км/ч. Результаты расчета для диапазона скоростей от 10 до 200 км/ч приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчетные данные аэродинамического сопротивления

По расчетным значениям видно, что форма поезда ЭВС «Сапсан» в несколько раз лучше, чем у ЭС «Ласточка». Для наглядности построим график и отметим две точки для сравнения полученных результатов (рисунок 4).

Сравнив значения, получим:

Для скорости 100 км/ч:

Для скорости 180 км/ч:

Из расчетов следует, что аэродинамическое сопротивление ЭВС «Сапсан» в 0,613 раз лучше ЭС «Ласточка».

Рис. 4. Зависимость аэродинамического сопротивления от скорости движения подвижного состава

Таким образом, наиболее актуальная форма для высокоскоростного транспорта — вытянутая каплевидная [3] (рисунок 5).

Рис. 5. Вытянутая каплевидная форма зарубежного подвижного состава «JR-Maglev»

Проведем аналогичный анализ для японского высокоскоростного поезда «JR-Maglev» [4] (рисунок 6). Полученные значения подставим в формулу (1), тогда аэродинамическое сопротивление при скорости 180 км/ч (50 м/с) будет рассчитываться следующим образом:

Проведя расчет с значением скорости от 10 до 200 км/ч, построим новый график зависимости аэродинамического сопротивления от скорости (рисунок 7).

Рис. 6. Анализ потоков воздуха «JR-Maglev»

Рис. 7. Зависимость аэродинамического сопротивления от скорости движения подвижного состава

Сравнивая ЭВС «Сапсан» и ЭС «Ласточка» с зарубежным подвижным составом «JR-Maglev», получим следующие результаты:

Таким образом, аэродинамическое сопротивление Японского высокоскоростного поезда «JR-Maglev» в 0,65 лучше, чем ЭВС «Сапсан» и в 0,865 раз, чем ЭС «Ласточка».

Исследование подтвердило, что аэродинамический дизайн является критически важным фактором для повышения скорости и эффективности железнодорожного транспорта. Оптимизация форм поездов позволяет существенно снизить сопротивление воздуха, что в свою очередь позволяет не только увеличить скорость поездов, но и снизить энергопотребление. Уменьшение сопротивления воздуха напрямую влияет на экономическую эффективность эксплуатации, а также способствует снижению уровня шума. Как следствие, правильный аэродинамический дизайн не только улучшает производительность, но и повышает комфорт пассажиров.

Заключение

Результаты исследования могут быть использованы при проектировании новых моделей поездов и модернизации существующих. Это позволит соответствовать современным требованиям к скорости и устойчивости.

Будущие исследования могут сосредоточиться на разработке новых материалов для улучшения аэродинамических характеристик, а также на изучении влияния различных климатических условий на эффективность аэродинамического дизайна. Также стоит рассмотреть возможности применения новых технологий, для оптимизации проектирования поездов с учетом их аэродинамических характеристик.

Литература:

1. Train Aerodynamics, Fundamentals and Applications By Chris Baker, Butterworth-Heinemann, 2019.
2. INNER ENGINEERING, International Association for the Properties of Water and Steam, «Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation for the Thermodynamic Properties of Water and Steam»,. [Электронный ресурс]. — 2024. — URL https://inner.su (дата обращения 01.05.2025)
3. Аэродинамика железнодорожного поезда: (принципы конструирования подвижного состава, минимизирующие воздействия воздушной среды на железнодорожный поезд) / Н. А. Чурков. — Москва: Желдориздат, 2006.
4. «About the vehicle | SCMAGLEV | Central Japan Railway Company». JR Central. Retrieved. [Электронный ресурс]. — 2021. — URL: https://scmaglev.jr-central-global.com (дата обращения 01.05.2025)