AERODYNAMICS PARTIALLY CLOSED RECEPTACLE SPACE HIGH–SPEED TRAINS

<jats:p>The influence of aerodynamic processes on resistance of intercarload space at change of a configuration of its protection and increase of speed of movement of a train is considered.</jats:p>

section_content: Розглянуто вплив аеродинамічних процесів на опір міжвагонного простору при зміні конфігурації його огородження і збільшення швидкості руху поїзда. 

Рассмотрено влияние аэродинамических процессов на сопротивление межвагонного пространства при изменении конфигурации его ограждения и увеличения скорости движения поезда. 

The influence of aerodynamic processes on resistance of intercarload space at change of a configuration of its protection and increase of speed of movement of a train is considered. 

С увеличением скорости движения железнодорожного транспорта влияние аэродинамических процессов на сопротивление поезда становится доминирующим. 

Из работ [1…4] следует, что при скорости движения 30 км/ч аэродинамическое сопротивление движущегося состава составляет всего 6% от полного сопротивления, обусловленного механическими факторами; с увеличением скорости движения до 100…160 км/ч роль процессов аэродинамики возрастает и составляет уже 35…40% и, наконец, при скорости 350 км/ч аэродинамическое сопротивление подвижного состава равно его полному сопротивлению. На рис. 1 показаны кривые зависимостей полного и аэродинамического сопротивлений от скорости движения поезда и его протяженности. 

Верхняя группа сплошных кривых 1…5 относится к полному сопротивлению W П, а нижние кривые 1…5 -к аэродинамическому сопротивлению W А. Сплошные кривые получены по результатам экспериментальных исследований [2, 4], пунктирные кривые 1 и 2 -из [1] и [3] соответственно. Следует учесть, что аэродинамическое сопротивление движению возрастает пропорционально квадрату скорости движения поезда, а механическое сопротивление, связанное с состоянием рельсовых путей, работой механизмов передачи тяги, весом состава и другими факторами, меняется линейно скорости. Поэтому при некотором значении скорости аэродинамическое сопротивление должно стать доминирующим по сравнению с механическим. Из рис. 1 следует, что это происходит при скоростях движения поезда 150…200 км/ч и более. С улучшением аэродинамической обтекаемости подвижного состава аэродинамическое сопротивление уменьшается. Поэтому решение тех-нической задачи по созданию совершенной аэродинамической формы поезда является одной из наиболее важных проблем скоростного движения. 

Рис. 1. Влияние на полное и аэродинамическое сопротивление скорости движения поезда и его протяженности: 1 -электровоз с четырьмя вагонами; 2 -электровоз с тремя вагонами; 3 -электровоз с двумя вагонами;

4 -электровоз с одним вагоном; 5 -электровоз. 

На величину аэродинамического сопротивления подвижного состава влияет совершенство аэродинамических обводов локомотива, вагонов с межвагонным пространством и различными надстроечными элементами кузова, включая поручни дверей, фальшборта, фартуки тележек, перекрытия днища и обтекатель хвостового вагона. 

Для уменьшения аэродинамического сопротивления выступающие элементы конструкции кузова вагона скоростного подвижного состава закрывают обтекателями, а для межвагонных промежутков используют геометрически деформированные ограждения. Наиболее широкое применение получили конструкции ограждений перехода, изображенные на рис. На рис. 2,д, 2,е показана торцовая часть 1 вагона, снабженная по её периметру эластичным перекрытием межвагонного пространства. Ограждение состоит из эластичного гофрированного профиля 4, эластичной оболочки 5, жестко соединяемой гофрированным профилем с торцевой стенкой 1 по периферии. Помимо ограждения торцевая часть вагона снабжена открывающейся промежуточной дверью, главной сцепкой, средствами уплотнения и экранирования межвагонного перехода, которые в совокупности с аналогичными средствами прицепляемого вагона обеспечивают защиту пассажирского межвагонного перехода. Описанная конструкция ограждения является типовой как для прицепных вагонов со сквозным проходом, так и для головного вагона, когда гофрированная оболочка складывается в специальную нишу 6 (рис. 2,д). Это ограждение на скоростных режимах движения поезда предназначено снизить аэродинамическое сопротивление, обеспечить звуко-тепло-гермоизоляцию и уменьшить воздействие резких перепадов давления в помещении вагона при разъездах со встречными поездами, при въезде в туннель и т. д. 

В поездах «Shinkansen» торцы сцепленных вагонов также оборудованы межвагонными гармошками, состоящими из внутренней и наружной частей и обеспечивающими герметичное соединение [5]. 

Конструкция межвагонного перекрытия, примененного на скоростных поездах Италии, показана на рис. 2,ж. Конструкция ограждения включает две функциональные основные части: герметичный межвагонный переход 4 и жестко закрепленные створки 2 по периметру торца вагона. Причем между створками предусмотрен необходимый зазор, который является достаточным при движении подвижного состава по колее с минимально принятым радиусом кривизны. 

С учетом результатов экспериментальных исследований [2, 4] Кривые распределения касательных напряжений (рис. 12) вблизи угловой точки D имеют четко выраженный минимум, модуль которого увеличивается с ростом скорости V ∝. 

Рис. 12. Распределение касательных напряжений на неподвижных стенках межвагонного пространства С целью снижения силовых нагрузок, действующих на торцовые стенки межвагонного пространства, осуществлено частичное его перекрытие. Исследовано влияние этого перекрытия на аэродинамическое сопротивление. 

Численные расчеты проведены при следующих значениях относительной длины L = L/B=0,2; 0,5;0,8; 1,0, где В -ширина межвагонного пространства. 

На рис. 13…16 представлены результаты расчетов в виде изолиний функции тока и давления для межвагонного пространства L = 0,2 и скорости V ∝. = 60, 100, 140 км/ч. (исключая единственный случай на рис. 13, а, при L =0,2, V ∝. =60 км/ч) во всем межвагонном пространстве доминирует один основной вихрь, вращающийся по часовой стрелке, как показывают отрицательные значения функции тока. Увеличение скорости V ∝ и длины L приводят к интенсификации вихревого движения в межвагонном пространстве, что сопровождается увеличением значений функции тока в ядре вихря. 

При L =0,2 и V ∝. =60 км/ч вихревое течение в межвагонном пространстве образовано двумя противоположно вращающимися вихрями, располагающимися один над другим. Верхний вихрь является основным; вызван потоком с крыши вагона и обладает большей интенсивностью вращения. Нижний вихрь вызывается менее интенсивным потоком из-под днища вагона и характеризуется меньшими на порядок значениями функции тока с увеличением как скорости V ∝, так и длины L. 

По аналогии с обтеканием открытого межвагонного промежутка (рис. 7) поток, огибая верхнее перекрытие, натекает на правую стенку межвагонного пространства, движется вдоль неё, взаимодействует со встречным течением из-под днища вагона или нижним перекрытием и обтекает левую стенку с меньшим давлением по сравнению с правой стенкой (рис. 14-16). 

Сгущение изобар, характеризующее большой градиент давления, происходит, как показано на рис. 14…16, в окрестности правого верхнего и нижнего перекрытий межвагонного пространства. Большему перекрытию соответствуют меньшие градиенты давления, что должно сопровождаться снижением аэродинамического сопротивления. 

По полям распределения давления и касательных напряжений рассчитан коэффициент аэродинамического сопротивления для каждого из рассмотренных случаев (рис. 17), а механическое сопротивление по соотношению из [6] g

∆изменение массы вагона при наличии межвагонного ограждения.
section_name: АЭРОДИНАМИКА ЧАСТИЧНО ПЕРЕКРЫТОГО МЕЖВАГОННОГО ПРОСТРАНСТВА СКОРОСТНОГО ПОЕЗДА