Une conception de «caisse de levage» serait-elle utile pour un wagon de train?

Corps de levage

L'idée d'une conception de caisse de levage est de façonner la carrosserie d'un véhicule de manière à produire une portance sans ailes. La recherche a montré que cela peut être une méthode efficace pour réduire la traînée tout en fournissant une portance.

Cela s'est généralement produit pour les avions ou les engins spatiaux:

corps de levage

Une approche similaire pourrait-elle aider à rendre les trains plus efficaces?

Les trains de voyageurs ont déjà l'air simplifiés et aérodynamiques:

TGV

Les trains de marchandises ne:

train de marchandise

La résistance à l'air n'est pas la seule forme de résistance que les trains doivent surmonter. Ils doivent également surmonter la résistance de leurs roues sur la piste. C'est là que je penserais que les économies d'énergie d'une conception de corps de levage proviendraient. Tout levage supplémentaire créé par la conception du corps de levage réduirait le frottement entre les roues et le rail, économisant ainsi de l'énergie.

Les roues du train ont des rebords, donc elles n'ont pas besoin de traction pour se diriger. Les voitures n'ont pas non plus besoin de traction sur les rails, car les roues motrices ne sont que sur les moteurs.

Un corps de levage pourrait-il créer suffisamment de portance à des vitesses de train typiques pour faire une différence notable?

aerospace-engineering rail

— hazzey
source

Vous auriez encore besoin de frottement pour pouvoir casser. Pour autant que je sache, la poussée est «concentrée» dans la ou les locomotives, mais la capacité de freinage est répartie sur toutes les voitures du train.

— Nick Alexeev

Pour un corps de levage suffisamment solide pour créer un effet perceptible, je pense que le déraillement pourrait être un problème.

— HDE 226868

Notez que les «vitesses de train typiques» varient énormément selon le train, la voie et le fret. Les courbes inclinées nécessitent des vitesses considérablement réduites pour éviter, par exemple, de renverser 20 000 gallons d'herbicide dans une voie navigable majeure . Je pense que la quantification de ces "vitesses typiques" est la première chose à faire car elle peut répondre à votre question dès le départ.

— Air

En outre, un certain nombre de trains de voyageurs modernes sont des unités multiples électriques , dans lesquelles les roues motrices sont réparties dans tout le train. Même avec des trains de voyageurs, un corps de levage est souvent une mauvaise chose.

— cpast

Comment feriez-vous pour façonner un train pour fournir un ascenseur? La zone orientée vers l'avant est minuscule et la largeur disponible pour les ailettes est minuscule.

— Jon of All Trades, le

Réponses:

Je ne dirai pas qu'il n'est pas possible de faire une différence notable. Mais je dirais que c'est sacrément improbable.

Les forces de portance et de traînée sur tout corps dépendent généralement de la vitesse du corps ( ), de la densité du fluide ( ), de la surface de l'objet ( ) et d'un coefficient sans dimension ( ou ). La zone applicable peut être un peu floue pour savoir si vous parlez de zone frontale ou de zone plan, mais pour un train, cela va être essentiellement la zone dans l'avion normale à la direction de la circulation (étant donné que la plupart des les wagons sont simplement dans le sillage de la locomotive). Les coefficients peuvent varier un peu avec la vitesse due à la turbulence, mais seront généralement compris entre 0 et 2. La forme fonctionnelle est: $v$ $\rho$ $A$ $C_L$ $C_D$

F_{L} = 1 / 2 ρ A C_{L} v^{2}

$F_L = 1/2\rho A C_L v^2$

Estimation grossière d'un train de marchandises comme étant de haut et de large, se déplaçant à ( ). Cela nous donne que l'ascenseur sera d'environ pour l'ensemble du train (pas assez pour soulever une automobile ordinaire). Ce calcul n'est pas censé être extrêmement précis, mais même s'il est décalé d'un facteur dix, la portance serait minime par rapport au poids total du véhicule. $4\, m$ $16 \, m/s$ $57 \, kph$ $2500 N$

Compte tenu de cela, vous pourriez considérer les avantages d'ajouter des éléments aérodynamiques supplémentaires. Ici, vous obtenez un compromis entre la génération de portance (pour réduire la force vers le bas sur les roues) et la génération de traînée. Alors que les rapports de portance à la traînée peuvent devenir élevés (~ 50 dans les bons cas), la résistance au roulement des roues du train est en fait très faible ( ). Ainsi, même si la portance réduira les pertes dues au frottement, elle augmentera les pertes dues à la traînée plus. $C_{rr} \sim 0.00035$

Ainsi, la réduction de la traînée est bonne mais fournir une portance n'en vaut probablement pas la peine. En fait, la réduction de la traînée au prix de l'ajout d'un peu de poids pourrait être bénéfique car les roues sont très efficaces pour supporter efficacement cette charge.

NB J'ai consulté Wikipédia et la boîte à outils d'ingénierie pour les données . Je n'ai pas pu vérifier les sources des roues de chemin de fer, mais j'ai pu confirmer que les valeurs des pneus de route étaient correctes via "Fundamentals of Vehicle Dynamics" de Gillespie. Toute idée de vérification serait la bienvenue. $C_{rr}$

— Dan
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Bon de voir la surface de l'équation de traînée de base. Une formule des plus utiles dans toutes sortes de domaines malgré sa simplicité. Ajoutez un autre facteur de V et vous obtenez une perte de puissance totale due à la traînée. Ici = ~ 40 kW (2 kN x 16 m / s). Cela suggère que, contrairement aux petits véhicules à moteur (train wrt) où il prédomine, le vent est ici un facteur de perte mineur pour un train. MAIS obtenir du poids (mg) sur les roues, c'est comme vous le remarquerez va prendre de la portance par chariot. L'interférence entre de nombreux wagons adjacents en série rend cela "très très très difficile". ....

— Russell McMahon

.... En regardant les charges des ailes des aéronefs suggère que même si l'air clair pouvait être fourni, les tunnels seraient intéressants en apparence :-).

— Russell McMahon

Qu'est-ce qui peut être une révélation intéressante pour vous (c'était pour moi quand je l'ai dérivée il y a longtemps) ou peut-être plus évident que pour moi. | Pour une section rectangulaire (pour vous faciliter la vie) A et la vitesse des trains V, prenez le volume d'air que le train balaye en une seconde (A x V). Accélérez la masse impliquée (A x V x Rho) de 0 à V dans le temps disponible pour la sortir du train. Calculez la puissance requise pour ce faire. Loin (je pensais). La compressibilité et le coefficient de traînée et tous les nombres magiques compliquent cela, mais le résultat de base est gratifiant.

— Russell McMahon

Juste un petit mot, même si votre chiffre de 0,00035 est correct, les trains ont des centaines sinon des milliers de roues. Je pense que la voiture typique a 8 roues, et il peut y avoir plus de 100 voitures par train. Pour le fret, le nombre de roues par voiture peut être encore plus important. Ainsi, l'incitation à réduire la friction de roulement pour augmenter l'efficacité de croisière est toujours là. Mais je suis d'accord avec votre analyse: la force de levage, que ce soit du corps ou des ailes, n'est pas viable pour un train. Je peux poster ma propre réponse pour ajouter à cela.

— DrZ214

Vous ne voulez pas diminuer la force vers le bas sur les roues, car c'est votre principal moyen de ralentir en cas d'urgence . Il faut déjà un certain temps pour arrêter un train, ne le faites plus. N'oubliez pas que le frottement cinétique (roues bloquées) est proportionnel à la force vers le bas exercée sur la roue et que les freins sont répartis sur chaque voiture.

Les roues du train ont des rebords, donc elles n'ont pas besoin de traction pour se diriger. Les voitures n'ont pas non plus besoin de traction sur les rails, car les roues motrices ne sont que sur les moteurs.

Ils ne doivent traction, les roues sont légèrement coniques avec un rayon à l'extérieur étant plus grand que l'intérieur et ils sont tous deux couplés à l'essieu. De cette façon, lorsque le train est décentré ou dans un virage, la roue extérieure a un rayon effectif plus grand, ce qui le ramènera au centre de la voie.

— monstre à cliquet
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