◄ بررسی نیروی پسا در یک قطار پرسرعت برقی، خلاصه پایان نامه کارشناسی ارشد
عباس قربانعلی بیک با نگاهی به پایان نامه بررسی نیروی پسا در قطار پرسرعت برقی نوشته سعید سخایی، صفحات زاویه دار انتهای واگن با زاویه ۲۰ درجه را موثرترین راهکار کاهش ۱۷ درصدی ضریب پسا معرفی می کند.
پایان نامه «بررسی نیروی پسا در یک قطار پرسرعت برقی و روش های کاهش آن» توسط آقای مهندس سعید سخایی و با راهنمایی آقای دکتر فرهاد قدک ... در دانشکده فنی ومهندسی، گروه مهندسی مکانیک و هوافضا، برای اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته هوافضا، گرایش آیرودینامیک، در بهمن ۱۳۸۸ ارائه شده است. هدف مطالعه، بررسی عددی رفتار آیرودینامیکی جریان اطراف یک واگن قطار مسافری بود که در آینده در خط برقی تهران-مشهد و سرعت بالغ بر ۲۵۰ کیلومتر بر ساعت قرار بود حرکت کند. ارائه مدل های مختلف برای کاهش نیروی پسا و ارزیابی اثر عوامل هندسی و چیدمانی بر ضریب پسا از اهداف اصلی این پژوهش است.
مقدمه: امروزه قطارهای سریع برقی از امن ترین و سریع ترین وسایل حمل ونقل مسافری به شمار می روند و مورد اقبال عمومی قرار گرفته اند. در این میان، وضعیت آیرودینامیکی واگن نقش مهمی در تناسب سرعت با مصرف انرژی دارد؛ زیرا نیروی پسا با توان دوم سرعت و توان مصرفی با توان سوم سرعت نسبت مستقیم دارد. بنابراین کاهش نیروی پسا می تواند به کاهش مصرف انرژی و هزینه بهره برداری کمک کند. در این تحقیق ابتدا جریان حول یک واگن دوبعدی حل شده و اثرات مختلفی مانند تغییر شعاع جلو و انتهای واگن ها، اثر زمین، فاصله دو واگن از یکدیگر، افزودن صفحات زاویه دار به انتهای واگن آخر و تأثیر اجزای زیر واگن بر نیروی پسا بررسی شده است. سپس مدل سه بعدی با شبکه بندی حدود ۳٫۵ میلیون سلول ساخته شده و با استفاده از امکانات پردازش موازی موجود در مرکز آیرودینامیک تحلیل عددی گردید. برای اعتبارسنجی، نتیجه حل عددی با حل یک مربع دوبعدی مقایسه شد که تطابق خوبی به دست آمد. در ادامه، ضریب پسای یک واگن به تنهایی محاسبه شده و سپس اثر افزودن صفحات پوشاننده به طرفین واگن، صفحات توسعه دهنده به انتهای واگن، جعبه به انتها و زیر واگن، صفحات زاویه دار به انتهای واگن در سه بعد، فاصله دو واگن در سه بعد و در نهایت تأثیر نصب چند عامل کاهش پسا به طور هم زمان بر یک واگن سه بعدی بررسی شده است.
در مقایسه وسایل نقلیه، انرژی لازم برای جابه جایی یک نفر در یک کیلومتر با اتومبیل حدود شش برابر قطار است؛ این امر ضرورت مطالعه و توسعه قطارها، به ویژه قطارهای پرسرعت را در کشور توجیه می کند. هنگام حرکت قطار، هوا نیرویی در خلاف جهت حرکت (پسا) بر آن وارد می کند که با توان دوم سرعت متناسب است. از این رو با افزایش سرعت، نیروی لازم برای حرکت به شدت افزایش می یابد و مصرف سوخت و هزینه انرژی بالا می رود. برای نمونه، برای قطاری با سرعت ۲۵۰ کیلومتر بر ساعت (حدود ۷۰ متر بر ثانیه) و با داده های عددی تحقیق، توان لازم برای مقابله با پسا در سرعت 250 حدود ۴۴۰۰ کیلووات محاسبه شده است.
در بخش نتایج هندسی، اثر راکورد تقریباً خطی است و با افزایش آن ضریب پسا کاهش می یابد؛ چنانچه راکورد به ۵۰ سانتی متر برسد، ضریب پسا در تحلیل دوبعدی از حدود ۰٫۷۸ به ۰٫۳۱ کاهش می یابد. اثر زمین نیز خطی نیست و در فاصله ای حدود ۲۵ تا ۵۰ سانتی متر کمترین ضریب پسا مشاهده می شود. اثر فاصله بین دو واگن تقریباً خطی است و با افزایش آن ضریب پسا کاهش می یابد؛ بیشترین مقدار این اثر با کم کردن فاصله تا ۲۵ سانتی متر حدود ۶% گزارش شده است. نصب صفحات توسعه دهنده در انتهای واگن، ضریب پسا را کاهش می دهد ولی این کاهش چشمگیر نیست. نصب صفحات پوشاننده در طرفین واگن حدود ۷% ضریب پسا را کاهش می دهد. بیشترین کاهش در نیروی پسا مربوط به نصب صفحات زاویه دار به انتهای واگن آخر است؛ زاویه بهینه حدود ۲۰ درجه است و این روش حدود ۱۷% ضریب پسا را کاهش می دهد. چکیده پایان نامه نیز تأکید می کند که افزودن صفحات زاویه دار به انتهای واگن آخر و صفحات پوشاننده به طرفین واگن ها می تواند ضریب پسا را تا حدود ۱۷% کاهش دهد. بنابراین در میان راهکارهای بررسی شده، صفحات زاویه دار انتهایی مؤثرترین گزینه بوده و صفحات جانبی نیز به عنوان راهکاری تکمیلی مطرح اند.
در پایان، پیشنهادهای پژوهشی شامل بررسی اثر دماغه و اثر تعداد بیشتر واگن ها، بررسی مدل های مختلف توربولانسی، مطالعه اثر زمین در سه بعد، مقایسه جریان های آرام و آشفته و مقایسه نتایج عددی با نتایج تجربی تونل باد است. جمع بندی کلی: کاهش پسا در قطارهای مسافری از نظر مصرف انرژی و هزینه اهمیت زیادی داشته و اصلاحات انتهای واگن، بیشترین سهم را در کاهش ضریب پسا دارد؛ درعین حال فاصله واگن ها و صفحات جانبی نیز باید در طراحی آیرودینامیکی قطارهای آینده مورد توجه قرار گیرد.
