POSTUPY SIMULACÍ SLOŽITÝCH ÚLOH AERODYNAMIKY KOLEJOVÝCH VOZIDEL Autor: Dr. Ing. Milan SCHUSTER, ŠKODA VÝZKUM s.r.o., Tylova 1/57, 316 00 Plzeň, e-mail: milan.schuster@skodavyzkum.cz Anotace: V příspěvku je uveden přehled řešených úloh numerických simulací aerodynamiky kolejových vozidel pomocí CFD komerčního systému. Výsledky simulací napomohly v konkrétních úkolech z dopravního průmyslu ke zlepšení návrhu různých kolejových vozidel. Annotation: This paper is a short overview of numerical simulations of rail vehicles aerodynamics. Professional CFD codes with engineering approach are used for solving many aerodynamic problems in the railway industry. The CFD simulations help to find better design solutions of various locomotives, trams, underground trains and other rail vehicles. Úvod Rozvoj výpočetní techniky a výpočetních metod umožňuje využití numerických simulací proudění v technickém výzkumu spojeném s řešením úkolů při návrhu a konstrukci kolejových vozidel. Simulace pomocí komerčních CFD systémů tak umožňují řešit komplexní úlohy na složitých tvarových geometriích výpočtových oblastí, navíc vše pro řadu variant tvarů a/nebo provozních parametrů. Výsledky simulací pomáhají k efektivitě vývoje a výroby vozidel, přispívají ke zvýšení bezpečnosti a komfortu jízdy a ke snížení negativních vlivů provozu na okolí. Příspěvek je zaměřen na shrnutí poznatků z využití CFD simulací komerčním výpočetním systémem pro řešení různých úloh technického výzkumu vnější a vnitřní aerodynamiky kolejových vozidel. Přehled řešených úloh aerodynamiky kolejových vozidel CFD simulace v oblasti kolejových vozidel zahrnovaly širokou škálu úloh, které modelovaly varianty provozních režimů nebo konstrukčních tvarů vozidel a jejich částí. Úlohy je možné rozdělit podle způsobu zadání a řešení simulací na řešení úloh: - vnější aerodynamika vozidel, obtékání vozidel, aerodynamický odpor, - aerodynamická interakce pohybujících se vozidel s okolím, vlivy průjezdu vlaku na okolí, - proudění a tepelná pohoda v interiéru vozidel (vnitřní aerodynamika), - proudění a přestup tepla v komponentech vozidel. 1
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, 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. Výsledky simulací [1], [2] 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. Obr. 4 6 ukazují ilustrativní výsledky studie obtékání vlakové soupravy [3]. Mezi významné vlivy na aerodynamické zatížení jedoucích kolejových vozidel mimo vlastního odporu vzduchu při jízdě patří jevy dané aerodynamickou interakcí s okolím, např. vzájemné míjení vlaků, míjení okolních staveb, nástupišť, vjezd a průjezd tunelem, vlivy bočního větru, jízda okolo protihlukových bariér nebo terénním zářezem a další. Pro řešení simulací interakce jedoucího vozidla (míjení okolních staveb, průjezd tunelem) byla použita podmínka sliding-mesh. Výsledky simulací úloh aerodynamických interakcí byly využity ve formě tlakových polí na povrchu vozidel nebo časových průběhů tlakových pulsů ve vybraných místech na vozidle a/nebo v určitých místech v okolí trati. Modelování a simulace 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. Výpočtový model technické úlohy obsahuje všechny nutné údaje a podmínky pro zadání numerické simulace. Řešená úloh je charakterizována: - geometrií tvaru výpočtové oblasti, výpočetní síť, - typy a parametry okrajových a počátečních podmínek, - materiálové vlastnosti proudících medií, - zvolené numerické modely (turbulence, vícefázové proudění, přenos tepla ap.), - parametry pro nastavení iteračního procesu a konvergenci výpočtu. Pro řešení složitých úloh je možné hledat snesitelné předpoklady, vhodná zjednodušení a úpravy. Zvolená inženýrsko-technická zjednodušení jsou fakticky oprávněna v oblasti: - aerodynamicky významné detaily zahrnutí pouze takových detailů povrchu nebo stěn interiérů vozidel, které mají očekávaný vliv na vývoj proudění, - fyzikální modely určení významných hodnot provozních parametrů nastavených pro simulace, - okrajové podmínky zvolení vhodné kombinace tak, aby splnily zadané požadavky. 2
Úkony inženýrského přístupu k řešení CFD úloh umožňují v relativně snesitelném čase vyřešit s relativně snesitelným zjednodušením nebo omezením konkrétní technický úkol aerodynamiky vozidel tak, že nebudou zkresleny očekávané výsledky. Při simulacích vnějšího obtékání vozidel jsou plochy povrchu vozidel zjednodušeny na snesitelnou úroveň a upraveny pro potřeby CFD simulací, podle [3] byly vybrány některé ilustrativní příklady (obr. 1 6). Obr. 1: Model podvozku kolejového vozidla pro CFD simulace, vlevo foto vybraného skutečného podvozku, vpravo zjednodušený model podvozku s významnými detaily [3] Obr. 2: Model přední části vlakové soupravy [3] 3
Obr. 3: Model přední části vlakové soupravy s povrchovou sítí [3] Obr. 4: Obtékání přední části modelu vlaku a detailů na střeše [3] 4
Obr. 5: Model zadní části vlakové soupravy a zobrazení obtékání detailů střechy [3] Obr. 6: Obtékání vlakové soupravy a proud výfukových zplodin [3] 5
Závěr Příspěvek velmi stručně shrnuje poznatky při využití CFD simulací komerčním výpočetním systémem v technické praxi pro řešení konkrétních úkolů z dopravního průmyslu. V příspěvku formou krátkých poznámek jsou připomenuty zásady při zadávání a postupném řešení výpočtů proudění a sdílení tepla pro návrhy kolejových vozidel. Jsou zmíněny možnosti zjednodušení úloh tak, aby nebyl zastíněn vliv rozhodujících faktorů: aerodynamicky významné detaily tvaru vozidel, podstatné fyzikální jevy, výběr vhodných okrajových podmínek atp. Možnosti byly dokumentovány na vybraných ilustrativních situacích. Výsledky výše zmíněných CFD simulací, které byly provedeny vhodným zjednodušujícím postupem, našly své využití v praxi. LITERATURA: [1] SCHUSTER, M., 2008: Simulace aerodynamiky kolejových vozidel, Sborník 14. ANSYS CFD Users Meeting, Luhačovice. [2] SCHUSTER, M., 2010: External aerodynamics of rail vehicles, Book of extended abstracts of the International Conference Engineering Mechanics 2010, Svratka. [3] JŮZEK, J., 2010: Aerodynamická optimalizace povrchu kolejového vozidla, Diplomová práce, ZČU, Plzeň. 6