SIMULACE AERODYNAMIKY KOLEJOVÝCH VOZIDEL Autor: Dr. Ing. Milan SCHUSTER, ŠKODA VÝZKUM s.r.o., Plzeň, milan.schuster@skodavyzkum.cz Anotace Příspěvek je stručným přehledem řady řešených CFD simulací vnější a vnitřní aerodynamiky kolejových vozidel: obtékání vozidel, aerodynamická interakce jedoucích vozidel s okolím a úlohy spojené s klimatizací interiérů vozidel. Simulace zahrnují problematiku proudění a přenosu tepla v komponentách vozidel (vzduchovody, chladiče, brzdy, filtry aj.). Je zmíněn inženýrský přístup umožňující řešit simulace složitých reálných dějů. Annotation This paper deals with the CFD simulations of aerodynamic and thermodynamic phenomena that are connected with railway vehicles. The paper is a brief overview of tasks and their results of several years research project (Research Centre of Railway Vehicles, project No. 1M0519, sponsored by Czech Ministry of Education, Youth and Sports). The FLUENT CFD simulations were used to solve external and internal aerodynamics of vehicles and aerodynamic interaction between moving trains and track vicinity (e.g. passing trains, ventilation and heating of the vehicle driver s cabs). Several interesting simulations allowed to describe the flow or heat-transfer situation in the vehicle components (e.g. air-conditioning ducts, cooling systems, brakes, dust filters etc.). These simulations were carried out applying the engineering approach, which allowed to create the volume of computational domain and to set boundary conditions in order that the real situations could be calculated. 1. Úvod Vývoj moderních kolejových vozidel v sobě nutně zahrnuje i výzkum v oblasti aplikované mechaniky. V poslední době má stoupající tendenci zájem o sledování aerodynamických a termodynamických jevů souvisejících s provozem vozidel. Efekty spojené s prouděním a sdílením tepla přináší řadu podnětů pro jejich analýzu a pro výzkum jejich příčin a možných vlivů na konstrukci a provoz vozidel. K hlubšímu poznání hledaných souvislostí jsou využívány numerické simulace pomocí komerčních CFD systémů. Simulace tak umožňují řešit komplexní úlohy na složitých tvarových geometriích výpočtových oblastí, navíc vše pro řadu variant tvarů a/nebo provozních parametrů. Příspěvek se věnuje problematice pozemních dopravních prostředků, většinou určených pro hromadnou dopravu, je zaměřen na železniční kolejová vozidla a na vozidla městských pouličních drah. Příspěvek je stručným přehledem novějších úloh řešených v poslední době na pracovišti ŠKODA VÝZKUM s.r.o. CFD systémem FLUENT v rámci dotovaných výzkumných projektů a na základě prací pro dopravní průmysl. Prvotní zkušenosti s využitím systému FLUENT pro dopravní prostředky jsou uvedeny v příspěvku [1]. Od té doby došlo k velkému rozvoji technických a zejména softwarových možností v oblasti simulací pro technické aplikace. - 1 -
2. Přehled úloh Řešené úlohy z oblasti kolejových vozidel zahrnovaly širokou škálu provozních režimů a konstrukčních úprav, úlohy je možné rozdělit na řešení: - obtékání vozidel (vnější aerodynamika), - interakce vozidel s okolím, - proudění a tepelná pohoda v interiéru vozidel (vnitřní aerodynamika), - proudění a přestup tepla v komponentech vozidel. 3. Výpočtový model Výpočtový model při použití profesionálního CFD programu obsahuje všechny podmínky zadané pro numerickou simulaci a charakterizuje řešenou úlohu: - geometrie tvaru výpočtové oblasti, výpočetní síť, - typy a parametry okrajových a počátečních podmínek, - teplofyzikální vlastnosti proudících medií a materiálů (stěn ap.), - zvolené numerické modely (turbulence, přenos tepla ap.), - parametry pro nastavení iteračního procesu a konvergenci výpočtu. V případě systému FLUENT je výpočtový model samozřejmě reprezentován datovým souborem s příponou cas. Komerční CFD výpočetní systémy umožňují řešit tvarově komplikované geometrie a nastavit potřebné podmínky úlohy tak, aby se velmi přiblížily reálné situaci a pracovním režimům, pro které je zkoumané zařízení projektováno. V každodenní praxi to znamená použít inženýrský přístup k zadání úlohy a řízení výpočtu. Inženýrským přístupem k řešení CFD úloh tedy chápejme souhrn úkonů, které zajistí v relativně snesitelném čase vyřešit s relativně snesitelným zjednodušením nebo omezením konkrétní technický úkol proudění a sdílení tepla. Příklad dokumentující uvažovaný přístup z oblasti interiéru vozidel je uveden v příspěvku [2]. Inženýrsko-technická zjednodušení jsou fakticky oprávněna v oblasti: - zahrnutí pouze aerodynamicky významných detailů povrchu nebo stěn interiérů vozidel, - určení významných hodnot provozních parametrů nastavených pro simulace. Při simulacích vnějšího obtékání vozidel jsou plochy povrchu vozidel zjednodušeny na snesitelnou úroveň, na obr. 1 jsou některé příklady. V případě řešení tepelné pohody v kabině řidiče (strojvůdce) kolejového vozidla je výpočtová oblast tvořena vnitřním objemem prostoru kabiny. Plochy stěn interiéru jsou očištěny od aerodynamicky nevýznamných detailů (ovládací prvky řídicího pultu, madla atd.) a upraveny (přechody a průniky ploch ap.). Na obr. 2 jsou pohledy do interiéru vozidel, které byly upraveny pro potřeby CFD simulací. - 2 -
Obr. 1: Modely povrchu kolejových vozidel pro CFD analýzu Obr. 2: Plochy modelu řídicího pultu a okolí s aerodynamicky významnými detaily ploch - 3 -
Obr. 3: Povrchová síť modelu postavy a řídicího stanoviště Výpočetní síť musí adekvátním způsobem vyplnit prostor výpočtové oblasti. O tvaru a počtu elementů sítě rozhoduje tvarová členitost oblasti (povrch vozidla, interiéru), existence nutných detailů a rozměrové měřítko (velikost ventilačních otvorů vzhledem k velikosti objemu interiéru) ap. V příspěvku jsou uvedeny většinou 3D-úlohy tvarově komplikované, u kterých je použita vždy nestrukturovaná síť, která je tvořena 3D elementy typu čtyřstěn (homogenní síť), popř. heterogenní síť navíc ještě s elementy šestistěn a pyramida (např. u vzduchovodů). Na obr. 3 je ilustrativní příklad povrchové sítě v okolí řídicího stanoviště v kabině, která byla základem pro generování objemové sítě. Diagnostika výpočetní sítě obsahuje nástroje pro kontrolu tvaru, zkosení, hustoty popř. velikosti elementů sítě včetně hodnotových kritérií pro rozhodování o kvalitě elementů a sítě. 4. Vnější aerodynamika Vnější aerodynamika má vliv na jízdní vlastnosti a efektivitu provozu kolejových vozidel a vlakových souprav. Simulují se podstatné podmínky aerodynamického zatížení, které mohou nastat za různých provozních režimů. Aerodynamické síly, které vznikají při jízdě vozidla s cestovní rychlostí v rozmezí 150-250 km/h, ovlivňují velikost nutného výkonu pohonných jednotek, stabilitu vozidla, přídavné zatížení karoserie a detailů na povrchu vozidel. Simulace jízdy vozidla v otevřené krajině byly uspořádány ve formě virtuálního aerodynamického tunelu, tzn. model nepohyblivého vozidla byl umístěn ve výpočtové oblasti a relativní pohyb mezi vozidlem a okolním prostředím byl dán parametry okrajové podmínky na vstupní ploše výpočtové oblasti. Pro využití této metody jsou důležité parametry ovlivňující upočítatelnost těchto úloh: velikost výpočtové oblasti a složitost povrchu vozidla. Pro ověření výběru vhodných typů a vhodného nastavení hodnot okrajových podmínek pro virtuální aerodynamický tunel byly provedeny jednoduché výpočetní testy zaměřené na porovnání způsobů modelování relativního pohybu mezi jedoucím vozidlem a obtékajícím vzduchem. Pro model stojícího vozidla byly porovnávány výsledky pro různé kombinace parametrů okrajové podmínky na stěnách výpočtové oblasti: wall, moving-wall, pressure-outlet, aj. Také byly porovnávány výsledky simulací jedoucího vozidla (podmínka sliding-mesh ) a výsledky pro stojící ofukované vozidlo ve virtuálním tunelu. - 4 -
Obr. 4: Obtékání modelu soupravy vlaku (rozložení vektorů rychlosti v rovině symetrie celek a detail) Obr. 5: Rozložení tlaku na povrchu prototypu lokomotivy Výsledky simulací umožnily rozhodnout o vhodných tvarech čelní části kolejových vozidel (sklon ploch čela, přechody, zaoblení čelních ploch, tvarování detailů), vhodně umístit a tvarovat vstupy/výstupy klimatizace na povrchu vozidla, posoudit aerodynamické zatížení detailů na povrchu atd. Vybrané ilustrativní příklady jsou na obr. 4 a 5 nebo v příspěvku [3]. - 5 -
5. Aerodynamická interakce Mezi významné vlivy na aerodynamické zatížení jedoucích kolejových vozidel mimo vlastního odporu vzduchu při jízdě patří jevy dané aerodynamickou interakcí s okolím. Vzájemné míjení vlaků, míjení okolních staveb, nástupišť, vjezd a průjezd tunelem, vlivy bočního větru, jízda okolo protihlukových bariér nebo terénním zářezem a další, specifikují způsob aerodynamického zatížení nejvíce exponovaných částí vozidla. Nemalou důležitost hraje naopak účinek projíždějícího vozidla na okolí, např. tlakové pulsy působící na osoby nebo předměty v blízkosti tratě, v neposlední řadě také generace aerodynamického hluku. Obr. 6: Výpočtová oblast pro řešení průjezdu vlaku tunelem Pro řešení simulací interakce jedoucího vozidla (míjení okolních staveb, průjezd tunelem) byla použita podmínka sliding-mesh a parametry nastavení nestacionárního výpočtu byly předmětem odladění pro konkrétní situaci. Velikost rozměrů výpočtové oblasti a velikost časového kroku (jako hodnoty poměru rychlosti jízdy a velikosti elementů výpočetní sítě na povrchu vozidla) byly určující pro délku výpočetního času. CFD systémem FLUENT byly řešeny následující úlohy aerodynamických interakcí: - rozptyl spalin z motorového vozu za jízdy obr. 7, - míjení stojícího vlaku jedoucí lokomotivou, - průjezd vlaku dvojkolejným tunelem (100 m) nebo jednokolejným tunelem (638 m), - průjezd vlaku podél nástupiště, - míjení objektů kolejiště v blízkosti jedoucího vlaku - generování aeroakustických jevů detaily povrchu jedoucího vozidla. - 6 -
Obr. 7: Rozptyl spalin z motorového vozu pohled na střechu přední části vozu, zobrazeny proudnice spalin a obtékajícího vzduchu Výsledky provedených simulací uvedených úloh aerodynamických interakcí byly využity ve formě tlakových polí na povrchu vozidel nebo časových průběhů tlakových pulsů ve vybraných místech na vozidle (čelní sklo, boční dveře, otvory pro vstupy chlazení strojovny atd.) a nebo v určitých místech v okolí trati (klenba tunelů, osoby na nástupišti nebo v kolejišti ap.). Zjištěné výsledky umožnily úpravu konstrukce vozidel nebo jejich částí a posouzení vlivů jedoucích vozidel na okolí podle předpisů provozovatele nebo mezinárodních norem (UIC, TSI). Obr. 8: Vjezd vlaku do jednokolejného tunelu rozložení povrchového tlaku - 7 -
6. Interiéry vozidel Numerické simulace umožnily řešit ventilaci a klimatizaci různých vnitřních prostor kolejových vozidel za různých provozních podmínek: - kabina strojvůdce traťové a posunovací lokomotivy, - kabina řidiče řídicího vozu metra a nízkopodlažní tramvaje, - prostor cestujících motorového a vloženého vozu metra, - prostor cestujících krajního článku nízkopodlažní tramvaje. Cílem simulací je nalézt vhodné umístění ventilačních otvorů pro výdech a pro odtah vzduchu z interiéru vozidla za různých provozních režimů [4], [5]. Řešení ventilace a klimatizace je možné rozdělit do postupných oblastí: - návrh ventilace simulace proudění v interiéru vozidla s cílem nalezení optimálního tvaru a polohy otvorů v řídicím pultu, na stěnách a na stropu, - regulace ventilace simulace proudění vzduchu v interiéru za různých podmínek nastavení výdechu vzduchu směr a rychlost, popř. kombinace aktivních a neaktivních otvorů aj., - tepelná pohoda simulace vlastností prostředí v interiéru vozidla v závislosti na vnějších klimatických podmínkách (zimní / letní provoz, topení / vychlazení). Výsledky simulací byly použity ke kontrole parametrů prostředí v interiéru vozidla s hodnotami předepsanými v normách a předpisech. Řešení proudění v interiérech je v mnoha případech úzce spojeno s řešením simulací vlastností proudění v přívodních a odváděcích vzduchovodech. Obr. 9: Pohledy do interiéru modelů kabin lokomotiv - 8 -
Obr. 10: Proudnice znázorňující proud vzduchu z otvorů panelu stropní ventilace 7. Komponenty a zařízení Simulace v této oblasti představují pestrou směs úloh proudění a sdílení tepla v nejrůznějších konstrukčních uzlech kolejových vozidel, řešeny byly např.: - tvar a uspořádání vzduchovodů a rozvod ventilačního vzduchu, - vstupy chladicího vzduchu do strojovny lokomotivy, - chlazení brzdových kotoučů za různých režimů brzdění, - chlazení a ventilace částí elektrických pohonů vozidel, - prachové žaluziové filtry. Simulace představují řešení rozšířených úloh sdílení tepla (volná a nucená konvekce), vícefázové proudění, popř. nastavení parametrů nestacionárních výpočtů. Výsledky těchto simulací umožnily optimalizaci tvaru počítaných zařízení a optimalizaci parametrů jejich funkce. Vypočítané hodnoty na výstupu ze vzduchovodů ventilace a chlazení byly využity pro zadání dalších výpočtů proudění v interiérech vozidel. - 9 -
Obr. 11: Proudění v části potrubního systému pro přívod vzduchu do interiéru vozidla (řídicí pult lokomotivy) ZÁVĚR Příspěvek představuje pokus o přehled řešených úloh aerodynamiky kolejových vozidel a o základní úvahu nad možnostmi využití komerčního CFD programu pro simulace, zpřesnění jejich výsledků a porovnání s experimenty. Výsledky dosažené numerickými simulacemi pro vybrané provozní podmínky a jízdní režimy jsou využitelné v technické praxi. Poděkování: V příspěvku jsou také uvedeny výsledky výpočtů, které připravili moji kolegové Jana Váchová, Pavel Šturm a Jakub Novák a které publikovali v interních technických zprávách nebo na různých konferencích. Příspěvek vznikl v rámci řešení úkolů Výzkumného centra kolejových vozidel, které je podporováno MŠMT ČR (projekt č. 1M0519). LITERATURA [1] Schuster M. a kol.: Využití programu Fluent pro simulaci proudění v částech dopravních prostředků, sborník 7. uživatelská konference FLUENT 2001, TechSoft Eng., Třešť, 2001 [2] Schuster M.: Inženýrský přístup k simulacím prostupu tepla stěnou, Sborník 7. konference "Energetické stroje a zařízení, termomechanika a mechanika tekutin", ZČU, Plzeň, 2008 [3] Schuster M.: Simulace aerodynamického zatížení kolejových vozidel, Sborník 20. konference "Výpočtová mechanika 2004", Nečtiny, ZČU Plzeň, 2004 [4] Schuster M.: Klimatizace kabiny strojvůdce lokomotivy, 18. medzinárodná konferencia "Súčasné problémy v koľajových vozidlách", PRORAIL 2007, Žilina, 2007 [5] Schuster M.: Simulations of heat transfer through the cabin walls of rail vehicle, Journal of Applied and Computational Mechanics, No. 1, 2007-10 -