vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"tyufkhvestnikvniizht-858Research ArticleТехнические средства железнодорожного транспортаTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTВлияние направления воздушного потока на аэродинамические силы, действующие на транспортное средствоAirflow direction influence on aerodynamic forces acting on a vehiclehttps://orcid.org/0000-0001-8550-1725ШимановскийА. О.ShimanovskyА. O.

Александр Олегович Шимановский, д-р. техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Техническая физика и теоретическая механика»

Author ID: 481473

246653, г. Гомель, ул. Кирова, д. 34

Аlexandr O. Shimanovsky, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of Technical Physics and Theoretical Mechanics Department

Author ID: 481473

246653, Gomel, Kirova St., 34

https://orcid.org/0009-0002-7063-4183ДемьянчукО. В.DzemyanchukV. U.

Ольга Владимировна Демьянчук, аспирант кафедры «Техническая физика и теоретическая механика»

Author ID: 1169204

246653, г. Гомель, ул. Кирова, д. 34

Volha U. Dzemyanchuk, Postgraduate Student of Technical Physics and Theoretical Mechanics Department

Author ID: 1169204

246653, Gomel, Kirova St., 34

olga.demyanchuk.98@mail.ruБелорусский государственный университет транспорта (БелГУТ)БеларусьBelarusian State University of TransportBelarus2025270620258428191Copyright © Шимановский А.О., Демьянчук О.В., 20252025Шимановский А.О., Демьянчук О.В.Shimanovsky А.O., Dzemyanchuk V.U.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/858Введение

Введение. Рассматривается обтекание железнодорожного вагона воздушным потоком при разных направлениях его скорости. Основной целью исследования является установление значений продольных и поперечных сил, действующих на вагон, для всего возможного диапазона изменения угла атаки воздушного потока.

Материалы и методы

Материалы и методы. Моделирование аэродинамики воздушного потока выполнено в программном комплексе ANSYS CFX, предназначенном для решения задач методом конечных объемов. В процессе расчета осуществлялось численное решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса, для замыкания которых использована k–ε модель турбулентности.

Результаты

Результаты. Для разных значений угла атаки воздушного потока получены зависимости распределения скоростей потока и давлений на лобовую и боковые поверхности транспортного средства, а также значения продольной и поперечной сил, действующих на вагон со стороны ветра. Показано, что значение угла атаки воздушного потока оказывает существенное влияние на положения линий тока и значения коэффициента аэродинамического сопротивления вагона. В ходе расчетов установлено, что действующая на рассматриваемое транспортное средство продольная сила максимальна при значениях угла атаки воздушного потока от 10 до 30°. Наибольшие поперечные силы реализуются при углах атаки от 45 до 90°.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Разработанная методика компьютерного моделирования обтекания вагона потоком воздуха может быть применена для анализа аэродинамических сил, действующих на иные транспортные средства. Полученные в ходе расчетов результаты могут быть использованы при цифровизации производственных процессов эксплуатации железнодорожного подвижного состава.

Introduction

Introduction. The paper considers the airflow around a railway car at different directions of its speed. The main purpose of the study is to determine the values of the longitudinal and transverse forces acting on the car for the entire possible range of changes in the angle of attack of the airflow.

Materials and methods

Materials and methods. The simulation of airflow aerodynamics is performed in the ANSYS CFX software package, designed to perform tasks using the finite volume method. During the calculation, the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations were numerically solved, and for their closure was used the k–ε turbulence model.

Results

Results. The authors obtained dependences of the distribution of flow velocities and pressures on the frontal and lateral surfaces of the vehicle, as well as the values of the longitudinal and transverse forces acting on the car from the wind for different values of the angle of attack of the airf low. It is shown that the value of the angle of attack of the airflow has a significant effect on the positions of the current lines and the values of aerodynamic resistance coefficient of the car. During the calculations, it was found that the longitudinal force acting on the vehicle under consideration is maximum at the values of the angle of attack of the airflow from 10 to 30°. The greatest transverse forces are realised at angles of attack from 45 to 90°.

Discussion and conclusion. The developed method of computer simulation of streamline by airflow may be used to analyse the aerodynamic forces acting on other vehicles. The obtained results during calculations could be used in the digitalisation of production processes for the operation of railway rolling stock.

железнодорожный вагонобтекание потоком воздухакомпьютерное моделированиеаэродинамикааэродинамический коэффициентrailway carstreamline by airflowcomputer simulationaerodynamicsaerodynamic coefficientРабота выполнена при финансовой поддержке Государственной программы научных исследований Республики Беларусь «Механика, металлургия, диагностика в машиностроении» (задание 1.08).ReferencesKrajnović S., Davidson L. Flow around a simplif ied car, Part 1: Large Eddy Simulation. Journal of Fluids Engineering. 2005;127(5):907–918. https://doi.org/10.1115/1.1989371.Krajnović S., Davidson L. Flow around a simplif ied car, Part 1: Large Eddy Simulation. Journal of Fluids Engineering. 2005;127(5):907–918. https://doi.org/10.1115/1.1989371.Wang S., Bell J. R., Burton D., Herbst A. H., Sheridan J., Thompson M. C. The performance of dif ferent turbulence models (URANS, SAS and DES) for predicting high-speed train slipstream. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017;165:46–57. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.03.001.Wang S., Bell J. R., Burton D., Herbst A. H., Sheridan J., Thompson M. C. The performance of dif ferent turbulence models (URANS, SAS and DES) for predicting high-speed train slipstream. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017;165:46–57. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.03.001.Xiong X., Geng J., Wang K., Wang X. Ef fect of wing height layout on the aerodynamic performance of high-speed train. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. 2024;34(10):3731–3763. https://doi.org/10.1108/HFF-02-2024-0136.Xiong X., Geng J., Wang K., Wang X. Ef fect of wing height layout on the aerodynamic performance of high-speed train. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. 2024;34(10):3731–3763. https://doi.org/10.1108/HFF-02-2024-0136.Li X. B., Liang X. F., Wang Z., Xiong X. H., Chen G., Yu Y. Z., Chen C. M. On the correlation between aerodynamic drag and wake f low for a generic high-speed train. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2021;215:1-16. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2021.104698.Li X. B., Liang X. F., Wang Z., Xiong X. H., Chen G., Yu Y. Z., Chen C. M. On the correlation between aerodynamic drag and wake f low for a generic high-speed train. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2021;215:1-16. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2021.104698.Лабутин Н. А. Разработка численной модели аэродинамического взаимодействия высокоскоростного поезда, воздушной среды и объектов инфраструктуры // Мир транспорта. 2022. Т. 20, № 4 (101). С. 6–16. https://doi.org/10.30932/1992-3252-2022-20-4-1.Labutin N. A. Development of a numerical model of the aerodynamic interaction of a high-speed train, air environment and infrastructure facilities. World of Transport and Transportation. 2022;20(4):6–16. (In Russ.). https://doi.org/10.30932/1992-3252-2022-20-4-1.Garcia J., Munoz-Paniagua J., Xu L., Baglietto E. A secondgeneration URANS model (STRUCT-ε) applied to simplif ied freight trains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020; 205:1–11. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104327.Garcia J., Munoz-Paniagua J., Xu L., Baglietto E. A secondgeneration URANS model (STRUCT-ε) applied to simplif ied freight trains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020; 205:1–11. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104327.Hemida H. Contribution of computational wind engineering in train aerodynamics — past and future. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2023;234:1–9. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2023.105352.Hemida H. Contribution of computational wind engineering in train aerodynamics — past and future. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2023;234:1–9. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2023.105352.Zhuang Y., Lu X. Numerical investigation on the aerodynamics of a simplif ied high-speed train under crosswinds. Theoretical and Applied Mechanics Letters. 2015;5(5):181–186. https://doi.org/10.1016/j.taml.2015.06.001.Zhuang Y., Lu X. Numerical investigation on the aerodynamics of a simplif ied high-speed train under crosswinds. Theoretical and Applied Mechanics Letters. 2015;5(5):181–186. https://doi.org/10.1016/j.taml.2015.06.001.Miao X., He K., Minelli G., Zhang J., Gao G., Wei H., He M., Krajnovic S. Aerodynamic performance of a high-speed train passing through three standard tunnel junctions under crosswinds. Applied Sciences. 2020;10(11):3664. https://doi.org/10.3390/app10113664.Miao X., He K., Minelli G., Zhang J., Gao G., Wei H., He M., Krajnovic S. Aerodynamic performance of a high-speed train passing through three standard tunnel junctions under crosswinds. Applied Sciences. 2020;10(11):3664. https://doi.org/10.3390/app10113664.Reyes C. E. A., Rocchi D., Tomasini G., Sanchez M. I., Artano M. Ef fects of dif ferent aerodynamic conf igurations on crosswind stability of a conventional train. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2023;242:105588. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2023.105588.Reyes C. E. A., Rocchi D., Tomasini G., Sanchez M. I., Artano M. Ef fects of dif ferent aerodynamic conf igurations on crosswind stability of a conventional train. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2023;242:105588. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2023.105588.Flynn D., Hemida H., Baker C. On the ef fect of crosswinds on the slipstream of a freight train and associated ef fects. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2016;156:14–28. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2016.07.001.Flynn D., Hemida H., Baker C. On the ef fect of crosswinds on the slipstream of a freight train and associated ef fects. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2016;156:14–28. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2016.07.001.Maleki S., Burton D., Thompson M. C. Assessment of various turbulence models (ELES, SAS, URANS and RANS) for pre dicting the aerodynamics of freight train container wagons. Journal of Wind Engi neering and Industrial Aerodynamics. 2017;170:68–80. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.07.008.Maleki S., Burton D., Thompson M. C. Assessment of various turbulence models (ELES, SAS, URANS and RANS) for pre dicting the aerodynamics of freight train container wagons. Journal of Wind Engi neering and Industrial Aerodynamics. 2017;170:68–80. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.07.008.Li C., Burton D., Kost M., Sheridan J., Thompson M. C. Flow topology of a container train wagon subjected to varying local loading conf igurations. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017;169:12–29. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.06.011.Li C., Burton D., Kost M., Sheridan J., Thompson M. C. Flow topology of a container train wagon subjected to varying local loading conf igurations. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017;169:12–29. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.06.011.Paul J. C., Johnson R. W., Yates R. G. Application of CFD to rail car and locomotive aerodynamics. The Aerodynamics of Heavy Vehicles II: Trucks, Buses, And Trains. 2009;41:259–297. https://doi.org/10.1007/978-3-540-85070-0_25.Paul J. C., Johnson R. W., Yates R. G. Application of CFD to rail car and locomotive aerodynamics. The Aerodynamics of Heavy Vehicles II: Trucks, Buses, And Trains. 2009;41:259–297. https://doi.org/10.1007/978-3-540-85070-0_25.Maleki S., Burton D., Thompson M. C. Flow structure between freight train containers with implications for aerodynamic drag. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2019;188:194–206. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2019.02.007.Maleki S., Burton D., Thompson M. C. Flow structure between freight train containers with implications for aerodynamic drag. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2019;188:194–206. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2019.02.007.Бороненко Ю. П., Поляков Б. О., Белгородцева Т. М. Определение аэродинамического сопротивления грузовых поездов с инновационными полувагонами на цифровых моделях // Транспорт Российской Федерации. 2021. № 3(94). С. 57–61. EDN: https://www.elibrary.ru/vysiiq.Boronenko IU. P., Poliakov B. O., Belgorodtseva T. M. Determination of aerodynamic resistance of cargo trains with open-top wagons in digital simulations. Transport of the Russian Federation. 2021;3(94):57–61. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/vysiiq.Воробьев А. А., Ватулин Я. С., Ватаев А. С., Каримов Д. Д., Сотников К. А. К вопросу снижения негативного эффекта воздействия аэроупругого взаимодействия высокоскоростного подвижного состава с элементами тоннельных сооружений // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2022. Т. 19, № 3. С. 590–599. https://doi:10.20295/1815-588X-2022-3-590-599.Vorob’ev A. A., Vatulin Ya. S., Vatayev A. S., Karimov D. D., Sotnikov K. A. On the Issue of Negative Ef fect Reduction of Aeroelastic Interaction Between High-Speed Rolling Stock and Tunnel Structure Elements. Proceedings of Petersburg Transport University. 2022;19(3):590–599. (In Russ.). https://doi:10.20295/1815-588X-2022-3-590-599.Демьянчук О. В. Моделирование обтекания потоком воздуха прямоугольного параллелепипеда // Механика. Исследования и инновации. 2023. Вып. 16. C. 64–72. EDN: https://www.elibrary.ru/sfkchl.Dzemyanchuk V. U. Simulation of air f low movement around a rec tangular parallelepiped. Mechanics. Research and Innovation. 2023; 16:64–72. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/sfkchl.Shimanovsky A. O., Dzemyanchuk V. U. Simulation of airf low movement around a vehicle. In: XV Annual International Meeting of the Georgian Mechanical Union, Book of Abstracts. Batumi, Georgia; 2024:180–181. https://elibrary.ru/gxhvueShimanovsky A. O., Dzemyanchuk V. U. Simulation of airf low movement around a vehicle. In: XV Annual International Meeting of the Georgian Mechanical Union, Book of Abstracts. Batumi, Georgia; 2024:180–181. https://elibrary.ru/gxhvueМолчанов А. М. Математическое моделирование задач газодинамики и тепломассообмена. М.: МАИ, 2013. 206 с.Molchanov A. M. Mathematical modeling of gas dynamics, heat, and mass transfer problems. Moscow: MAI; 2013. 206 p. (In Russ.).Shimanovsky A. O., Kuzniatsova M. G., Yakubovich V. I. Dynamics of tank trucks with baf f les for transportation of viscous liquids. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2018;7(4):438-443. https://doi.org/10.18178/ijmerr.7.4.438-443.Shimanovsky A. O., Kuzniatsova M. G., Yakubovich V. I. Dynamics of tank trucks with baf f les for transportation of viscous liquids. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2018;7(4):438-443. https://doi.org/10.18178/ijmerr.7.4.438-443.Шимановский А. О., Демьянчук О. В. Аэродинамика модели железнодорожного грузового вагона при разных углах атаки воздушного потока // Механика машин, механизмов и материалов. 2024. № 2 (67). С. 23–29. https://doi.org/10.46864/1995-0470-2024-2-67-23-29.Шимановский А. О., Демьянчук О. В. Аэродинамика модели железнодорожного грузового вагона при разных углах атаки воздушного потока // Механика машин, механизмов и материалов. 2024. № 2 (67). С. 23–29. https://doi.org/10.46864/1995-0470-2024-2-67-23-29.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.