Против ветра: аэродинамика
- Наравне с самолетами Аэродинамике скоростных поездов конструкторы уделяют огромное внимание. Традиционно эта область ассоциируется с самолетами, но поезда уже начинают догонять их по скоростям. В некоторых качествах аэродинамика поездов кроме того более сложна — они движутся вблизи земной поверхности в условиях переменного ветра.
- К тому же скоростные поезда — один из немногих видов транспорта, что должен быть оптимизирован по аэродинамике в обоих направлениях, потому, что на конечных станциях поезда не разворачивают
Сидя у окна, я добываю GPS-приемник и включаю его, дабы определить скорость перемещения. Сейчас в отечественное купе заглядывает Франсуа Лакот, старший вице-технический директор и президент компании Alstom, которая занимается производством и разработкой скоростных поездов.
Сотрудники именуют его «отцом TGV», потому, что он трудится над проектом скоростных поездов с 1983 года (сам Франсуа склонен вычислять себя «матерью TGV», потому, что папа, согласно его точке зрения, принимает через чур непродолжительное участие в создании ребенка). Заинтересовавшись моими манипуляциями, он с интересом кивает на приемник и задаёт вопросы: «Ну, какая скорость?» На экране горит цифра 272 км/ч, и я показываю на нее Франсуа. Он с показным смущением говорит: «О!
Мне весьма жаль, я прошу прощения! Это не самая скоростная линия TGV, но я все же отправлюсь попрошу машиниста расширить скорость. Мы же не можем опозориться перед журналистами!» Журналисты в ответ смеются, все замечательно знают, что это шутка: поезд управляется компьютером, и машинист, очевидно, просто не может предпринять ничего без согласования с централизованной совокупностью управления перемещением.
На родине Жюля Верна
Через два часа с минутами поезд прибывает в Нант, на родину Жюля Верна. Но несколько европейских журналистов прибыла ко мне вовсе не чтобы почтить память писателя. На окраине Нанта расположено огромное сооружение климатического аэродинамического исследовательского комплекса CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment, Научно-технический центр строительства).
Тут выполняют изучения действия ветра, солнечного света, мороза и жары, дождя, пыльных и снежных бурь на макеты разных сооружений и зданий. И не только макеты, но и полноразмерные образцы. К примеру, машины — тут тестируют поведение собственных изделий в негативных погодных условиях Peugeot, Citroёn, Renault, Audi, VW, Porsche, Mercedes, Saab. Производители автомобильных комплектующих — Michelin, Valeo, Bosch, Webasto, Sent Gobain — также нередкие гости испытательных площадок комплекса им. Жюля Верна.
Как и производители одежды, военные и архитектурные компании подрядчики. Но цель отечественной текущей экскурсии — взглянуть, как компания Alstom тестирует аэродинамику нового поколения скоростных поездов — AGV (Automotrice З Grende Vitesse).
Снаружи комплекс создаёт яркое впечатление — это строение размерами 60х90 м с «гофрированной» крышей. Отечественную группу ведут вовнутрь, и я ожидаю заметить в испытательной камере головной вагон нового поезда AGV (благо размеры площадки разрешают). Но меня ожидает разочарование — через прозрачное окно испытательной камеры видно, что на площадке стоит всего лишь макет поезда.
В масштабе 1:15, высотой 28 см.
Игрушечная железная дорога
Реми Грегуар, основной эксперт по аэродинамике компании Alstom, демонстрирует модели поездов с гордостью отца, приобретшего собственному отпрыску игрушечную железную дорогу: «Вот это головные вагоны с различными вариантами носовых обтекателей. А на крыше возможно установить разные токосъемники, дефлекторы. А вот вагоны в разных вариантах выполнения».
Не смотря на то, что вагоны для опробований не раскрашены (в этом нет необходимости) и изготовлены из тёмного пластика, все подробности, имеющие значение для аэродинамики, выполнены очень шепетильно. Единственное отступление содержится в том, что на этих моделях нет колес, они заменены узкими маленькими шпеньками-стойками, потому, что для изучений, каковые тут проводятся, наличие колес не имеет значения. «Ручная работа?" — интересуется один из журналистов. «Нет само собой разумеется!
Поезда изготовлены из полиамида способом послойного селективного лазерного спекания по компьютерной модели, — говорит Реми. — Но цена вправду коллекционная: любой комплект вагонов стоит ?25000». Позже Реми ведет нас на склад, где демонстрирует различные варианты насыпей в том же масштабе — они имитируют стандартную насыпь высотой 6 м. Масштаб 1:15 выбран по совокупности обстоятельств: такие размеры позволяют воспроизвести разные подробности, ответственные для аэродинамики, и скоро изготавливать модели по довольно умеренной цене. Эти размеры разрешают кроме этого укладываться в необходимые диапазоны нагрузок трубы и скоростей ветра CSTB, а полученные эти легко пересчитываются для поезда настоящего размера.
Спереди и сбоку
И вот, наконец, сердце самой аэродинамической трубы — испытательная площадка. Тут установлен поворотный стол, что возможно развернуть на заданный угол. На стол устанавливается масштабная модель насыпи, на нее — модель поезда, складывающаяся из головного и пары простых вагонов.
Ось поезда образует с осью воздушного потока острый угол, и я задаю вопросы Реми об этом. «Дело в том, что мы тестируем лобовое аэродинамическое сопротивление поездов на моделях не тут, а в трубе Университета аэротехники в Сен-Сире (Institut AeroTechnique, IAT Saint-Cyr). А в CSTB мы изучаем сотрудничество поездов как раз с боковым ветром».
Действие бокового ветра — нюанс не меньше ответственный, чем лобовое сопротивление. В случае если последнее воздействует на расход энергии, другими словами на экономические показатели, то боковой ветер способен поезд. «Заберите средиземноморскую скоростную линию (Mediterranee), которая ведет в Марсель и Монпелье, — говорит Франсуа Лакот. — Ежедневно 140 поездов TGV Duplex проносятся со скоростью 300 км/ч по виадуку высотой 55 м над равниной Роны южнее Авиньона.
А ведь на мост и проходящие по нему поезда систематично обрушиваются порывы бокового ветра, достигающие 150км/ч! Обеспечить безопасность поездов в этом случае — целая техническая неприятность, и без экспериментальных исследований и компьютерного моделирования в области аэродинамики ее не решить».
Опрокинуть поезд
Боковой ветер формирует момент, что пытается опрокинуть поезд, «разгружая» одну из его сторон и нагружая другую. В соответствии с европейским нормативам, перераспределение нагрузки между сторонами не должно быть больше 90%, другими словами на колеса наветренной стороны должно так же, как и прежде приходиться как минимум 5% веса поезда. В трубе CSTB именно занимаются изучением зависимости боковых аэродинамических сил от относительной скорости и направления ветра по отношению к оси поезда, наряду с этим учитывается и высокая скорость перемещения самого поезда.
«Мы измеряем опрокидывающие силы при нескольких скоростях воздушного потока — до 45м/с, — растолковывает один из инженеров CSTB.- Позже подсчитываем зависимость аэродинамических коэффициентов от направления ветра к курсу поезда и пересчитываем их в характеристические ветровые кривые, по которым возможно делать выводы о допустимых больших порывах ветра при разных скоростях для настоящего поезда. Делаем и компьютерное моделирование, превосходно дополняющее, но не заменяющее настоящие опыты, каковые обязательно требуются для омологации.
Для измерения опрокидывающего момента возможно ограничиться головным и еще одним-двумя вагонами — полученные эти легко масштабируются для любой длины поезда. В отличие, скажем, от лобового сопротивления — оно по длине не масштабируется, количество вагонов в обязательном порядке должно соответствовать оригиналу, лишь тогда эти будут корректны. Для лобового сопротивления кроме этого принципиально важно наличие колес и движущегося полотна».
На 10 мин. вперед
Но, какой бы оптимизированной ни была форма поезда, все равно найдется ветер, что может его опрокинуть (значения его скорости именно и указаны на характеристических ветровых кривых). Для поезда TGV Duplex, что вот уже практически десять лет есть необычным эталоном в области аэродинамики, предельные скорости порывов ветра составляют от 32 м/с (для скорости поезда 300 км/ч) до 40м/с (для скорости поезда 120км/ч). Годы изучений в области аэродинамики не пропали бесплатно — для поезда AGV экспертам Alstom удалось поднять эти показатели до 33 и 42 м/с соответственно.
Самый страшен ветер, дующий под острым углом (что зависит от поезда и скорости ветра) навстречу поезду — в этом ветра скорости и случай поезда векторно складываются и опрокидывающий момент возрастает. Не допустить опрокидывание наряду с этим возможно, снизив скорость поезда.
Но в самом поезде нет никаких устройств, измеряющих скорость ветра либо опрокидывающий момент (нагрузку на колеса). «В этом просто ненужно, — поясняет Реми Грегуар.- Машинист все равно не сможет ничего сделать, потому, что переход к опрокидыванию происходит за одну-две секунды. Человек просто не успеет отреагировать, да и компьютер также, какой бы он ни был быстродействующий, — так как понижение скорости также требует достаточного резерва времени. Исходя из этого знать о возможном опрокидывании в обязательном порядке необходимо заблаговременно, как бы заглядывая в будущее».
Как же устроена совокупность защиты от ветра? На протяжении самые ветреных участков пути через каждые 10 км устанавливаются анемометры (датчики скорости ветра), каковые передают данные в центр управления перемещением. По итогам измерений и соответствующим метеорологическим моделям компьютер вычисляет направления ветра и прогноз силы на 10 мин. вперед (за это время поезд при скорости 120 км/ч проходит два участка между датчиками).
В случае если прогнозы предвещают страшную скорость ветра в следующие 10 мин., то компьютер передает совокупности управления поезда команду снизить скорость до нужного значения при подходе к соответствующему датчику. На самых страшных участках установлены особые щитки-дефлекторы, защищающие проходящий поезд от ветра. «Такая защита превосходно зарекомендовала себя на самой ветреной скоростной линии — TGV Mediterranee, — говорит Реми. — Она эксплуатируется с июня 2001 года, и за все это время на маршруте не случилось ни одного инцидента. Мы уверены, что так будет и дальше».
Все в дыму
В климатическом аэродинамическом исследовательском комплексе им. Жюля Верна CSTB в Нанте не только исследуют сотрудничество поездов AGV с потоками воздуха посредством моментов сил и измерений сил при обдуве масштабных макетов, но и выполняют экспериментальные испытания характера обтекания.
Это делается на маленькой скорости воздушного потока (до 59 км/ч), потому, что, во-первых, в громадных скоростях нет необходимости, а во-вторых, генератор дыма держит в руках один из инженеров CSTB, находящийся в потоке воздуха.
Очевидно, употребляется и компьютерное моделирование (Computer Fluid Dynamics), которое разрешает рассчитывать темперамент воздушного обтекания, аэродинамические нагрузки на разные поверхности поезда и опрокидывающие моменты сил при углах и различных скоростях воздушного потока относительно поезда и при разных конфигурациях насыпи.
В качестве тестового объекта употребляется макет головного и нескольких следующих вагонов в масштабе 1:15 из полиамида с достаточной детализацией аэродинамических элементов, включая токосъемники на крыше и разные дефлекторы на крыше головного вагона.
А вот колес у макета нет — при проверке сотрудничества с боковым ветром в них нет необходимости.
Около света, не покидая Нанта
Город Нант — отчизна широко видного и глубокоуважаемого писателя Жюля Верна.
В городе имеется его музей, но значительно бoльший показатель уважения — расположенный на окраине города климатический аэродинамический исследовательский комплекс CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment, Научно-технический центр строительства), носящий имя писателя. Посредством этого комплекса возможно воссоздать условия фактически любого уголка земного шара — от морозов -250С до 50-градусного пекла, ветра в 300 км/ч, снежных и пыльных бурь.
Климатический аэродинамический исследовательский комплекс CSTB складывается из внутреннего (термического) и внешнего (динамического) контуров.
Во внутреннем термическом контуре расположена испытательная камера длиной 25, шириной 7 и высотой 10 м. Такие размеры разрешают тестировать не только макеты строений, сооружений, транспортных средств и др. в уменьшенном масштабе, но и настоящие изделия — скажем, машины, одежду, палатки — в достаточно жёстких условиях. В термическом контуре возможно моделировать ветер со скоростями до 38 м/с (а также порывистый), температуры от -25 до +55°С, относительную влажность от 30 до 100%, снег (15 см/ч на территории 250 м2), а также метель, и имитировать прямое солнечное излучение с интенсивностью и соответствующим спектром. Для тестирования машин в испытательной камере имеется платформа для их крепления с беговыми барабанами и совокупность удаления выхлопных газов.
Во внешнем динамическом контуре расположено пара испытательных секций. На одной из площадок возможно воссоздать разные погодные условия — с ветром в 21 м/с, дождем (до 20 см/ч) и солнечным излучением. Скоростная секция разрешает проводить опробования при скоростях ветра до 83 м/с.
Имеется особая секция для разрушающих опробований, и открытая часть аэродинамической трубы, где проводится моделирование пыльных бурь, дыма и образования аэрозолей.
Кто тут Дональд-Дак?
Известные японские скоростные поезда «шинкансен», известные как «поезд-пуля», с выходом нового поколения — 700-й серии — пара утратили собственный шарм в глазах поклонников. «Какая это пуля? Это же Дональд-Дак!» — возмущались ЖД фанаты. Вправду, носовая часть поездов 700-й серии сильно напоминает утиный клюв.
Но популярность мультипликационных фильмов студии Walt Disney в Японии не имеет к этому никакого отношения — это не безлюдная прихоть дизайнеров, а следствие тщательной работы экспертов по аэродинамическим шумам. «Такая форма носа разрешает существенно снизить шум, что порождают ударные волны при входе поезда в цементный туннель, — поясняет Реми Грегуар, основной эксперт по аэродинамике компании Alstom. — В Японии множество туннелей, и эта неприятность актуальна. Японские эксперты решили ее весьма элегантно и очень удачно».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№94, август 2010).
<
h4>