Влияние направления воздушного потока на аэродинамические силы, действующие на транспортное средство

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. 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. 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. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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/gxhvue

20. Молчанов А. М. Математическое моделирование задач газодинамики и тепломассообмена. М.: МАИ, 2013. 206 с.

21. 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.

22. 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.